基于FPGA的數(shù)字信道化接收機

黎琴LI Qin；楊宇宸YANG Yu-chen

（①常州國光數(shù)據(jù)通信有限公司，常州 213023；②南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094）

（①Changzhou Guoguang Data Communication Co.，Ltd.，Changzhou 213023，China；②School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China）

基于FPGA的數(shù)字信道化接收機

黎琴①LI Qin；楊宇宸②YANG Yu-chen

（①常州國光數(shù)據(jù)通信有限公司，常州 213023；②南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094）

（①Changzhou Guoguang Data Communication Co.，Ltd.，Changzhou 213023，China；②School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China）

本文提出一種基于FPGA的數(shù)字信道化接收機，可以實現(xiàn)對寬帶信號的中頻帶通采樣，并利用信道化技術(shù)，實現(xiàn)全帶寬內(nèi)任意頻帶信號的隨機檢測。為中頻帶寬信號的檢測提供了一種可行的技術(shù)方案。

信道化；接收機；FPGA

0 引言

現(xiàn)代電子戰(zhàn)接收機的主要作用是在復(fù)雜的電磁環(huán)境背景下，將反射的雷達回波信號，通過天線接收、高頻放大、下變頻、中頻濾波等一系列處理，把較低信噪比的射頻回波轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂凶銐蚰芰康囊曨l數(shù)字信號，最后將處理得到的視頻信號傳輸給后端的數(shù)據(jù)處理終端或雷達終端設(shè)備。現(xiàn)代雷達電子戰(zhàn)的信號環(huán)境正朝著高帶寬、高變頻、數(shù)字化、自適應(yīng)的方向發(fā)展，因此發(fā)展數(shù)字化寬頻帶接收機的需求越來越大。

現(xiàn)代接收機正向著高帶寬，數(shù)字化方向發(fā)展。文獻[1-3]研究了數(shù)字化中頻接收機的設(shè)計與實現(xiàn)，但其僅僅研究了模擬到數(shù)字的變換原理，未對高帶寬的應(yīng)用深入研究；文獻[4-6]研究了數(shù)字化信道化算法，研究了如何針對數(shù)字化高帶寬信號進行數(shù)字化運算的方法，但未對中頻采樣及其理論進行探討。本文在上述研究的基礎(chǔ)之上，重點研究了中頻數(shù)字化接收機對高帶寬信號的接收以及后續(xù)的高效信道化處理算法及其具體實現(xiàn)，為未來寬帶數(shù)字化中頻接收機的發(fā)展，探索一條可行之路。

1 數(shù)字化接收機

數(shù)字化接收機由模擬射頻前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)字信號處理三部分組成。其中根據(jù)ADC三種不同的采樣方式對應(yīng)了三種基本結(jié)構(gòu)的數(shù)字接收機：射頻帶通采樣數(shù)字化接收機、寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化接收機以及視頻低通采樣數(shù)字化接收機。其中應(yīng)用的最為廣泛的是視頻低通采樣數(shù)字化接收機與寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化接收機。

視頻低通采樣數(shù)字化接收機結(jié)構(gòu)如圖1所示。低通采樣的數(shù)字接收機模擬前端最復(fù)雜，需要利用混頻器將接收到的射頻信號下變頻到視頻，然后經(jīng)過低通濾波器以及放大器后，將回波信號放大到適合ADC采樣的幅度，最后將ADC采樣得到的數(shù)字信號送入FPGA或DSP等數(shù)字信號處理芯片進行數(shù)字信號處理。

圖1 視頻低通采樣數(shù)字化接收機結(jié)構(gòu)

中頻帶通采樣數(shù)字化接收機將接收到的射頻信號經(jīng)過射頻濾波放大后得到的信號經(jīng)過一次混頻，下變頻到中頻，然后利用ADC對中頻信號帶通采樣，最后將采樣后的數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理模塊進行相應(yīng)的數(shù)字信號處理。中頻帶通采樣數(shù)字化接收機的結(jié)構(gòu)如圖2所示。中頻帶通采樣數(shù)字化接收機由于在中頻對信號進行直接處理，與視頻低通采樣數(shù)字化接收機相比，其接收信號具有正交性強等優(yōu)點，因此受到越來越多廣泛的應(yīng)用。

圖2 中頻帶通采樣數(shù)字接收機結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于FPGA的數(shù)字信道化接收機

2.1 寬帶信道化接收機數(shù)學(xué)模型 信道化接收是目前雷達以及電子戰(zhàn)接收機的一個發(fā)展趨勢，特別是針對頻率捷變信號、跳頻信號等寬帶信號，因此如何對全帶寬內(nèi)信號的可靠接收是目前數(shù)字化接收機的一個研究重點。寬帶信道化接收機首先對整個帶寬內(nèi)的信號進行劃分，將整個帶寬均勻劃分為N個均勻的信道，如圖3所示。

對接收到的中頻信號在滿足如下條件下，可以進行無失真采樣

其中f0，fs分別為信號的中心以及采樣頻率。

n為滿足式（2）的整數(shù)，B為信號帶寬。

對圖3所示的信道劃分，可以利用FFT進行快速運算[7，8]，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

圖3 信道分配圖

圖4 信道化算法快速算法結(jié)構(gòu)圖

利用圖4所示的結(jié)構(gòu)進行信道化處理，可以對信號進行先抽取再運算，因此可以大大節(jié)約硬件資源，提高系統(tǒng)的運行效率，降低系統(tǒng)的運行頻率。

2.2 基于FPGA的信道化接收機 根據(jù)上節(jié)的分析，本節(jié)提出基于FPGA的信道化接收機模型，如圖5所示。

圖5 基于FPGA的數(shù)字信道化接收機

首先將經(jīng)過ADC采樣后得到的數(shù)字信號送入IQ解調(diào)模塊，進行中頻IQ數(shù)字正交解調(diào)[7]，在滿足式(2)的前提下，可以以一種簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)字IQ解調(diào)，而省去數(shù)字硬件乘法器[7]，其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 IQ正交解調(diào)模塊

其中，HI（ejw），HQ（ejw）分別為IQ兩支路的調(diào)相濾波器，利用圖6的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)字下變頻，只需改變IQ兩支路信號的符號位，而省去硬件乘法器，因此可以提高系統(tǒng)運行速度，節(jié)約系統(tǒng)硬件資源。

對經(jīng)過解調(diào)后得到的視頻IQ兩支路數(shù)字信號送入FFT信道化算法模塊進行信道化處理，最后對需要分析的信號進行隨機信道抽取，得到希望得到頻帶的信號。

3 結(jié)論

隨著現(xiàn)代接收機向著高帶寬，數(shù)字化方向發(fā)展。可以實現(xiàn)全帶寬中頻采樣的數(shù)字化接收機已經(jīng)成為現(xiàn)代接收機的一個發(fā)展趨勢。本文提出的基于FPGA的數(shù)字信道化接收機，利用信道化技術(shù)，可以實現(xiàn)全帶寬內(nèi)任意頻帶信號的隨機檢測。本文提出的基于FPGA的接收機為現(xiàn)代接收機的發(fā)展，探索了一條可行之路。

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[8]宗孔德.多抽樣率信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1996.

Digital Channelized Receiver Based on FPGA

This paper presents a digital channelized receiver based on FPGA,which can realize IF-sampling of broadband signal,and can realize random detection of any frequency band signal in the whole bandwidth using channelized technology.It provides a feasible technical solution for intermediate frequency bandwidth signal detection.

channelized；receiver；FPGA

黎琴（1959-），女，江蘇常州人，本科，高級工程師，研究方向為短波通信等；楊宇宸（1990-），男，安徽合肥人，研究生，研究方向為通信與信息系統(tǒng)等。

TP393

A

1006-4311（2014）11-0220-02