一種基于濾波器組的信號提取方法

趙紅陽，李 帥，陳 祎

(電子科技大學電子工程學院，四川成都611731)

0 引言

當今的電磁環境越來越復雜，信號的個數及類型越來越多，偵察接收機不得不考慮多個信號同時到達的情形，數字信道化接收機應用而生。數字信道化接收機具有寬頻率覆蓋范圍、較好的靈敏度和實時信號處理等性能。偵察技術的發展對雷達造成了極大的威脅，迫使雷達不斷發展，超寬帶雷達的出現對數字信道化接收機提出了挑戰［1］。

信道化的基本原理是將輸入的全帶信號進行頻帶分割，又稱為子頻段或子信道，然后對各子信道分別處理。為了得到更高的頻率分辨率，各子信道可分別再進行第2次分割、第3次分割，直到滿足頻率分辨率的要求為止。

由于信道化接收機的信道數要預先確定，信道數的確定要同時考慮分辨率與監視頻帶范圍的影響。面對超寬帶雷達的偵察接收，跨道問題成為不得不解決的問題。許多專家學者已經研究了很多信道融合的辦法，其中有基于濾波器特征研究頻域加窗的信道拼接方法、基于接收信道的數學模型研究頻域消去的信道融合方法等。

為了避免超寬帶雷達信號出現信道化中的跨道問題，本文提出了一種利用全景監視與濾波器組相結合的方法來完成將多個信號中的有效信號進行完整提取［2］。全景監視即將監視頻帶內的所有信號進行檢測，可采取FFT算法持續檢測各個頻點是否有信號存在。全景監視的目的是發現信號的到來與獲得粗略的頻率及帶寬信息，然后根據各個信號的頻率及帶寬信息進行濾波器的選擇，原始信號經過不同的下變頻及濾波處理，各個信號則可被完整提取出來。該方法不僅能處理同時到達的多個信號又能解決超寬帶信號的跨道截斷問題。

1 整體方法研究

在信道化原理中是將監視頻帶內的所有信號都進行信道劃分，然后分別進行各信道的信號檢測來判斷信號的到來，而實際中感興趣的信號僅僅出現在1個信道或少數幾個信道，并且當信號帶寬比信道帶寬寬時就會出現跨道問題，為后續處理帶來困難。本方法利用信道化中濾波器組的思想，通過下變頻與濾波器相結合的結構將不同信道的信號進行分隔［3，4］。

整體方案實現流程如圖1所示。圖中全景監視測得各個信號的起始頻率及信號帶寬，然后根據測得的起始頻率進行下變頻，并根據帶寬選擇濾波器帶寬，最后將經過下變頻的信號進行濾波處理，從而將有用信號從多個信號中提取出來。當關注多個信號時，根據不同信號起始頻率與帶寬信息，進行不同的濾波處理，從而將各個信號完整提取出來。

圖1 整體方案實現流程

2 全景監視

為了便于表述，定義fk為各個信號的起始頻率，Bk為各個信號的帶寬，即為所關注信號所處頻帶(k=0，1，2…)。

全景監視即監視整個關注頻帶，通常采用的方法是做FFT在頻域進行全頻帶監視，當有信號出現時，經過FFT運算，通過峰值搜索即可將相應頻點搜索出來，從而實現了全景監視。由于全景監視的目的只是獲得信號的到來與大概頻率，不需要特別精細的頻率測量，因此可選特定的數據點數做 FFT［5］。

全景監視流程圖如圖2所示。首先對輸入數據不斷地進行特定點數N截取，然后將截取的N點數據進行N點的FFT運算，再將FFT的輸出進行峰值搜索，搜索出信號的起始頻率與信號帶寬，當多個信號同時到達時，搜索出不同的起始頻率fk與信號帶寬Bk。

圖2 全景監視流程

3 濾波處理

輸入信號經過全景監視測得各個信號的中心頻率fk與帶寬Bk，然后將下變頻后的信號經過濾波器組即可將不同的信號分離開來，實現多個信號同時到達的接收處理，通過選擇不同的濾波器通帶寬度從而避免了寬帶信號的跨道問題［6］。

濾波處理模塊圖如圖3所示，下變頻量fk與濾波器通帶寬度Bk的不同組合能夠實現動態的信道劃分與處理。為了便于硬件實現，需將fk與Bk進行量化，由于利用的是fk與Bk的組合來確定動態濾波器的作用頻帶，因而fk與Bk并不必要很精確，這種特性使得該方法適應性更好［7－9］。

圖3 濾波處理模塊

由圖3可知，該濾波處理主要由fk與Bk的量化模塊、下變頻模塊和低通濾波模塊3個模塊組成。

① fk與Bk的量化模塊:fk與Bk根據實際需要可以量化為不同分辨率的有限個值fs1、Bk1，該量化模塊可按fk/M1、Bk/M2取整的方式實現，其中M1、M2根據量化分辨率而定。

②下變頻模塊:根據量化后的fs1產生下變頻所需的下變頻信號，然后將輸入信號與下變頻信號進行相乘，從而實現對輸入信號的下變頻操作。由信號處理理論可知，下變頻的過程即進行頻譜向下搬移的過程，由傅里葉變換的性質可知，頻譜的向下搬移即對應時域信號與exp(－j*2*pi*fk1/fs*t)相乘，即din_dds=din*exp(－j*2*pi*fk1/fs*t)，din為AD采樣后信號，din_dds為經過下變頻后信號。在FPGA中實現時可直接利用豐富的IP核資源，在FPGA開發軟件ISE中有DDS模塊的IP核，該核能方便快捷地實現下變頻操作。該核的實際功能是根據輸入的下變頻量，選擇產生的exp(－j*2*pi*fk1/fs*t)，當輸入信號到來時進行相乘操作。

③低通濾波模塊:根據量化后的Bk1進行低通濾波器系數的選取，使得經過下變頻后的輸入信號帶寬完全處在濾波器的通帶內，從而完全檢出所關心的信號。利用Matlab中firpm能較方便地產生不同帶寬的128階低通濾波器系數，所產生的低通濾波器僅通帶寬度與截止頻率不同。將產生的每個濾波器系數進行量化，便于FPGA中實現，量化位數可根據實際情況改變。將量化后的所有系數存儲起來，按順序排列在FPGA的rom模塊中，根據接收到的受保護雷達的帶寬Bk的量化值Bk1進行選擇提取不同的系數從而應用不同通帶寬度的低通濾波器。

經過上述3個模塊的處理，完整、有效地從多個信號中提取出所關注的信號［10－12］。

4 仿真結果分析

為了驗證方法的有效性，進行Matlab仿真驗證。仿真輸入1個單頻信號和1個線性調頻信號的混合信號，fs=500 MHz，單頻信號頻率為44 MHz，線性調頻信號其實頻率為20 MHz，帶寬為10 MHz，信噪比選為10 dB，其中線性調頻幅度為6，單頻為1。

2個信號經過全景監視測得起始頻率點分別為9．8 MHz 和 44．9 MHz，帶寬分別為 9．77 MHz 和0 MHz。經過量化后，信號1:fs1=10，Bk1=10;信號2:fs2=44，Bk2=0。為了將信號1提取出來，首先進行20 MHz的下變頻，根據信號然后選擇通帶為12 MHz的低通濾波器進行濾波提取。經過下變頻之后的2個信號如圖4所示，頻率起始頻率分別為0 MHz和34 MHz，線性調頻帶寬保持為10 MHz。

圖4 下變頻之后的結果

經過通帶為12 MHz的低通濾波器濾波之后的結果如圖5所示。由圖5可知，此時信號2單頻信號已經被濾除，僅剩下單一的線性調頻信號，且帶寬保持為10 MHz。

圖5 濾波之后的結果

經過仿真實現可以看出，將同時到達的多個信號經過全景監視，測得各個信號的起始頻率與帶寬，再根據起始頻率進行下變頻，將下變頻后數據經過不同通帶寬度的濾波器進行濾波處理即可完整提取出各個信號。仿真結果驗證了算法能夠較好地處理多個信號同時到達且避免了超寬帶信號的跨道問題。

5 結束語

信道化能較好地解決多個信號同時到達的問題，但在信號帶寬較寬時易出現不便解決的跨道問題，影響信號的完整性。本文采用先進行全景監視，獲得信號的粗略信息后進行下變頻及濾波器組的濾波處理，從而實現將有用信號分別從同時到達的多個信號中完整提取出來，避免信號跨道問題。通過仿真驗證了該方法的有效性。

利用FPGA中DDS的IP核實現下變頻，只需將濾波組的各個參數存儲起來，根據全景監視結果進行選擇不同的濾波器參數即實現不同的濾波處理。該方法能較容易地應用在工程中［13，14］。

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