以無線通信基礎(chǔ)對數(shù)字信道化技術(shù)的研究

劉曄 馬純清 文敏

摘 要：數(shù)字信道化技術(shù)是無線通信系統(tǒng)最為重要的技術(shù)之一，文章通過對信道化的劃分方式的研究，推導(dǎo)出了一種結(jié)構(gòu)體系，并運用計算機(jī)進(jìn)行模擬驗證，證明了該結(jié)構(gòu)體能夠運用于實際工程。

關(guān)鍵詞：無線通信；信道化；劃分；結(jié)構(gòu)

無線通信行業(yè)發(fā)展極為迅速，但在技術(shù)方面也出現(xiàn)了一些困難與阻礙，例如：無線系統(tǒng)信號通道如何劃分、如何分配等問題。無線通信信道一般是根據(jù)不同信號頻段的載波頻率、信道帶寬不同而導(dǎo)致的信號的均勻與不均勻的劃分，這種劃分方式是目前眾所周知的信號的信道劃分。我們以當(dāng)前最為流行的軟件無線電為基礎(chǔ)，研究無線通信信道化技術(shù)的數(shù)字化模型結(jié)構(gòu)，從而推導(dǎo)出了一種實現(xiàn)無線通信信號系統(tǒng)高效運行的信道化結(jié)構(gòu)體系。

1 無線信號信道的劃分

根據(jù)輸入信號的形式與可采用的頻帶將信道均勻的劃分K個帶域，在每個不同的帶域中可以實現(xiàn)各自的數(shù)據(jù)處理。這種分類方式具有多通道并行處理數(shù)據(jù)的特點，傳輸處理快，高效快捷，節(jié)省更多的時間。

2 數(shù)字化高校系統(tǒng)機(jī)構(gòu)推導(dǎo)

設(shè)輸入一個信號s（n），信道數(shù)為K，則可以從其結(jié)構(gòu)中得到第k路的輸出信號為yk（m）={[s（n）*ejωkn]}，第k路信道的調(diào)制頻率為ωk={k-（2K-1）/4}*2π/K（其中k=0，1…K-1）

3寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)

3.1 目前的寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)現(xiàn)狀

目前唯一種能夠滿足人們需求的接收機(jī)只有可編程門陣列（FPGA）和數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的數(shù)字信道化接收機(jī)，這種接收機(jī)具有瞬間寬帶、動態(tài)范圍較大，同時還可以處理多個信號，還能夠截獲捕捉到監(jiān)視范圍內(nèi)所有的的可監(jiān)視信號，因此，寬帶接收機(jī)廣泛應(yīng)用數(shù)字信道化技術(shù)。

但是，伴隨著大量高性能芯片的出現(xiàn)以及數(shù)字器件的高速發(fā)展，應(yīng)用數(shù)字信道化的接收機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)發(fā)展的瓶頸，信道化接收處理數(shù)據(jù)的時間、對每個信道的分辨率有限等也使信道化接收機(jī)的測試精度大大限制。

3.2 基于多相快速傅里葉變換的新型數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)

為了解決數(shù)字信道化快速發(fā)展瓶頸，一種新的結(jié)構(gòu)被提出，基于多相快速傅里葉變換的新型數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)，它能夠進(jìn)行實時并行濾波對信號進(jìn)行檢測，并能夠使數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)更加簡單、高效，并且具有很強(qiáng)的實用性，其結(jié)構(gòu)運用了流水線工作模式、插值法以及進(jìn)行多次測量然后取其平均值等方法是信號的測試精度及其頻率精度到了大大的保證。

3.3 數(shù)字信道化接收機(jī)模擬設(shè)計

我們運用 FPGA和DSP器件來設(shè)計一個瞬間帶寬（采樣率fs）如640MHz的寬帶數(shù)字雷達(dá)偵察接收機(jī)的樣機(jī)。模擬出一個基于多相快速傅里葉變換的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)的算法的接收機(jī)對信號接受處理的框圖，為了使數(shù)據(jù)率降低，采用模擬正交下變頻結(jié)構(gòu)運用于前端射頻部分，零中頻信號輸出I/Q兩路，采用每秒的8位模數(shù)的2個最高采樣率為640萬樣本數(shù)轉(zhuǎn)換器件在A/D部分。為了使時域分辨率得到提高，系統(tǒng)按流水線方式工作選取并行處理的4塊多相快速傅里葉變換的新型數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)模塊。每一幀數(shù)據(jù)長度N=128，每一塊多相快速傅里葉變換的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)模塊分成8個路段（p=8），每個路段選取一個16點（q=16）的快速傅里葉變換的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)器件；每一塊多相快速傅里葉變換的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)模塊的每兩幀數(shù)據(jù)間有重疊點數(shù)據(jù)64個，而不同的多相快速傅里葉變換的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)模塊則是按照流水線的方式進(jìn)行工作的，其有16個點的流水深度，其意思是只有16個點不重復(fù)數(shù)據(jù)在相鄰數(shù)據(jù)幀間。系統(tǒng)的時間分辨率T=16ts=16/640MHz=25ns，頻率分辨率仍為f=fs/N=5MHz，由于多塊多相快速傅里葉變換的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)模塊并行工作，留給FPGA模塊中的的信號處理時間為留給每一塊多相快速傅里葉變換的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)模塊的處理時間，即TR=64ts=64/640MHz=100ns，F(xiàn)PGA模塊的數(shù)據(jù)輸出率為每一塊多相快速傅里葉變換的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)模塊的每一路段數(shù)據(jù)輸出率。

對于全系統(tǒng)的關(guān)鍵是FPGA內(nèi)部各功能模塊的設(shè)計，當(dāng)A/D工作時，F(xiàn)PGA中有高達(dá)640MB/s的數(shù)據(jù)流輸入，此時必須有與此相匹配各功能模塊的處理速度，尤其是要求有不低于處理速度輸入的速度輸入到多相快速傅里葉變換的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)模塊中，才能夠使實時處理得到實現(xiàn)。FPGA模塊主要的功能是負(fù)責(zé)檢測在頻域?qū)崟r信號是否存在，而DSP模塊的功能則是僅僅需要處理過門限的譜線進(jìn)行也就是計算時頻參數(shù)，這樣便大大降低了數(shù)據(jù)率。

系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)需要達(dá)到如下要求：640MHz瞬時帶寬；最大偏差0.5MHz插值頻率估計；25ns的時域分辨率。要求多次測量求統(tǒng)計平均（對樣本在25個以上）對于隸屬同一個輻射源脈沖序列的時頻參數(shù)，求完之后能夠大大的提高測量的精度，頻率精度提高大約有0.1MHz（這一數(shù)據(jù)也受到頻譜幅度測量精度的影響），時域精度提高大約5ns。

4 結(jié)束語

在無線通信高速發(fā)展的現(xiàn)在，數(shù)字信道化技術(shù)已經(jīng)成為其發(fā)展的最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，利用數(shù)字信道化技術(shù)將頻段分為K個獨立不同的子帶信道段，各個不同的子帶路能夠做到并行接受并處理數(shù)據(jù)。文章的研究與探討對數(shù)字信道化技術(shù)的結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出來的一種具有多相濾波的高性能的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)具有計算量小、性能高效等特點，并運用與寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)，使其具有了數(shù)字信道化接收機(jī)的許多優(yōu)點之外，還具有一些其不具有的優(yōu)點，如高靈敏度、高效的處理功能、瞬時、數(shù)據(jù)的輸出率較低等眾多優(yōu)點，并對其進(jìn)行了模擬仿真檢驗，驗證了其正確性。與此同時，該結(jié)構(gòu)運用了FPGA來實現(xiàn)運行，使多通道并行運算的優(yōu)點得到了充分的展示，同時文章在研究虛線系統(tǒng)數(shù)字信道化有一定的成果，在工程實際中也有一定的運用價值。

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作者簡介：劉曄（1970-），女，吉林省長春市人，工作單位：民航吉林空中交通管理分局，職務(wù)：工程師，研究方向：通信。