一種高效多級信道化數(shù)字接收機的設(shè)計與實現(xiàn)

聶慧鋒,翟羽佳

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

0 引 言

現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，電子偵察接收機主要用來偵收雷達(dá)信號并對其進(jìn)行分析，形成脈沖描述字(PDW)，以備快速了解戰(zhàn)場電磁環(huán)境。電子偵察接收機是電子偵察系統(tǒng)中的重要組成部分。隨著高速ADC的出現(xiàn)和數(shù)字信號處理速度的提高，數(shù)字信道化接收機得到了很快的發(fā)展。數(shù)字信道化接收機要求具有輸入帶寬寬、靈敏度高、動態(tài)范圍大、多信號并行處理和良好的頻率分辨率，可實現(xiàn)監(jiān)視帶寬內(nèi)信號的全概率截獲。Tsui James B[1]在1986年就比較詳細(xì)地闡述了信道化接收機的結(jié)構(gòu)特點和性能優(yōu)勢。Daniel R Zahirniak[2]針對數(shù)字信道化資源消耗大的特點提出一種高效硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，同時利用能量檢測和IFM的聯(lián)合判斷增加信號檢測的可信度。

數(shù)字信道化是一種非常有效的頻譜檢測方法。信道化接收方法的基本原理是將偵收到的監(jiān)視帶寬內(nèi)信號通過信道化處理，進(jìn)行頻帶劃分，將信號分解成若干個不同的子頻段，再對各個信道分別進(jìn)行處理。文獻(xiàn)[3]中研究了基于多相濾波的信道化算法，解決處理同時到達(dá)的多個信號和系統(tǒng)帶寬較寬的問題。文獻(xiàn)[4]通過無盲區(qū)的均勻信道劃分研究了一種基于兩級數(shù)字信道化的高效寬帶數(shù)字信道化接收機結(jié)構(gòu)。

隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，對于帶寬較寬的信號的偵察，采用數(shù)字信道化接收方法進(jìn)行處理。當(dāng)信道頻率分辨率要求較高時，若只對子信道進(jìn)行一次劃分，數(shù)字信道化的子信道數(shù)將會非常多，即使采用多相濾波器組的高效結(jié)構(gòu)，高效結(jié)構(gòu)中的IFFT模塊的點數(shù)將很大，實現(xiàn)時將要消耗大量的FPGA資源。為了解決以上問題，本文提出了一種多級數(shù)字信道化的實現(xiàn)方法。首先將偵收到監(jiān)視帶寬內(nèi)的信號進(jìn)行一次信道劃分，再分別對各子信道進(jìn)行信道檢測，將有信號輸出的信道進(jìn)行二次信道劃分以提高頻率分辨率，若二次劃分后的頻率分辨率不能滿足要求可繼續(xù)進(jìn)行信道劃分，直到滿足頻率分辨率要求。仿真分析說明了該方法的有效性。該方法有效解決了要求頻率高分辨率且大帶寬信號的譜分析大運算量之間的矛盾。

1 信道化模型

1.1 數(shù)字信道化接收機基本原理

1.2 數(shù)字信道化接收機高效結(jié)構(gòu)

圖1給出了數(shù)字信道化的基本結(jié)構(gòu)，按照帶通濾波器組的實現(xiàn)方法來實現(xiàn)信道化接收效率非常低，且需要消耗大量的計算資源，所以需要尋找一種高效的實現(xiàn)方法，文獻(xiàn)[6]中推導(dǎo)了基于DFT多相濾波器組的信道化高效結(jié)構(gòu)，由圖1可得第K個信道的輸出為

yk(m)=[x(n)e-jwkn]*hlp(n)|n=md

(1)

=[xp(m)(-1)m]*gp(m)

(2)

(3)

由式(2)、(3)可得到臨界抽樣條件下奇型排列信道化接收機高效結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3 高效多級數(shù)字信道化接收機結(jié)構(gòu)

信道化接收機的高效結(jié)構(gòu)在電子戰(zhàn)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。隨著未來微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字接收機必定向著偵收帶寬寬、靈敏度高、頻率分辨率高和穩(wěn)定性好的方向發(fā)展。為了適應(yīng)未來接收機的發(fā)展，單級結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化接收機可能不能滿足性能要求，或存在運算量大的缺陷。本文提出了一種多級結(jié)構(gòu)的信道化模型。一級信道化完成后進(jìn)行信道檢測和參數(shù)估計，將有信號輸出信道的信號送入二級信道化進(jìn)行二次信道劃分。若二級信道化不能滿足頻率分辨率的要求，可以繼續(xù)進(jìn)行信道劃分，直到滿足頻率分辨率的要求。圖4是兩級高效數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行二級信道化時也可以對一級信道化輸出的不同信道劃分不同數(shù)量的信道數(shù)，實現(xiàn)監(jiān)視帶寬內(nèi)的非均勻信道的信道化處理。

2 多級信道化處理的優(yōu)缺點

現(xiàn)代電子戰(zhàn)爭中，信號密級度高，信號載頻、帶寬和脈內(nèi)調(diào)整類型多變，對接收機提出了具有寬頻率覆蓋且分辨率高、動態(tài)范圍大、靈敏度高等要求。多級信道化處理較單級信道化處理有著明顯的優(yōu)勢，尤其是在偵察帶寬較寬、頻率分辨率要求高的情況下其優(yōu)點更為凸顯。

2.1 節(jié)約計算資源

當(dāng)接收機監(jiān)視帶寬較寬時，采用一級信道化接收的方法。信道劃分時信道個數(shù)較多。多相濾波器組的原型濾波器的通帶帶寬窄，實現(xiàn)時濾波器的階數(shù)較高。高效結(jié)構(gòu)中IFFT模塊的點數(shù)多，算法復(fù)雜度高，計算資源消耗大。采用多級信道化接收方法可以先對輸入信號進(jìn)行一次信道較寬的劃分，對一級信道化后輸出信號進(jìn)行信道檢測，將有信號的信道的信號輸入下一級信道化處理。下面分別以輸入信號帶寬為1、2和4 GHz，采樣率分別為2.36、4.72、9.44 GHz，頻率分辨率為9.21875 MHz為例分析單級信道化結(jié)構(gòu)和兩級信道化結(jié)構(gòu)的性能。分析數(shù)據(jù)見表1、表2所示。

從表1、表2可以看出，采用兩級信道化結(jié)構(gòu)大大降低了IFFT模塊的設(shè)計難度。用兩個低點數(shù)的IFFT即可實現(xiàn)相同頻率分辨率信道化處理。原型濾波器的階數(shù)也大大降低。采用兩級信道化處理所消耗的乘法器個數(shù)比單級信道化處理要少得多，節(jié)約了計算資源。

表1 一級信道化資源消耗情況

表2 兩級信道化資源消耗情況

2.2 實現(xiàn)非均勻信道劃分

信道化濾波是寬帶數(shù)字接收機的關(guān)鍵技術(shù)。基于均勻信道化濾波的技術(shù)已經(jīng)在電子偵察領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用。但是，隨著電子戰(zhàn)電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜，雷達(dá)信號越來越密集，高效非均勻信道化濾波器技術(shù)顯得更為迫切。

傳統(tǒng)的數(shù)字下變頻(DDC)法可以實現(xiàn)非均勻信道化[7]。但是，由于各子信道濾波器需要獨立設(shè)計，當(dāng)子信道數(shù)較大時，不僅要消耗巨大的硬件資源，程序復(fù)雜度也變高[8]。采用多級信道化結(jié)構(gòu)，將使非均勻信道化濾波變得簡單。對一級信道化輸出信號進(jìn)行二次信道劃分時，可以根據(jù)指標(biāo)要求，在信號密集度高的頻段劃分子信道個數(shù)多，信號密級度低的頻段劃分信道數(shù)少，通過信道檢測來判斷下一級信道化的輸入。

2.3 多級信道化的缺點

根據(jù)信道化的基本原理可知，當(dāng)輸入信號為實信號時信道化的信噪比增益可表示為

(1)

式中K為信道數(shù)。當(dāng)信道的頻率分辨率相同時，采用多級信道化進(jìn)行處理。信道劃分時，第一級信道化的信道數(shù)比單級信道化處理時的信道數(shù)要少，所以信噪比增益將降低，損失接收機的靈敏度。

3 仿真分析

本部分通過仿真分析，對本文提出的多級信道化方法進(jìn)行驗證。選擇兩級信道化進(jìn)行仿真，兩級信道化為串聯(lián)的關(guān)系，一級信道化輸入為實信號。由于實信號的頻譜是對稱的，所以信道輸出一半是獨立的，二級信道的輸入是一級信道的輸出。輸入信號為復(fù)信號，所有輸出信道都是獨立的。仿真參數(shù)見表3所示。

表3 仿真參數(shù)設(shè)置

3.1 兩級信道化原型濾波器的設(shè)計

本文采用線性相位FIR型低通濾波器。一級信道化輸入信號的采樣率為2.36 GHz，采用448階的原型濾波器生成包括64個濾波器的濾波器組。一級信道化原型濾波器的設(shè)計參數(shù)如下：Fp=18.4375 MHz，F(xiàn)s=36.875 MHz，δp=0.01 dB，δs=60 dB,其幅度頻率曲線如圖5所示。二級信道化輸入帶寬為73.75 MHz，采用64階的原型濾波器生成包括8個濾波器的濾波器組。二級信道化原型濾波器的設(shè)計參數(shù)如下：Fp=4.609375 MHz，F(xiàn)s=9.21875 MHz，δp=0.01 dB，δs=60 dB, 其幅度頻率曲線如圖6所示。

3.2 兩級信道化仿真功能分析

選擇兩級信道化結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能仿真分析。信道化在FPGA中算法實現(xiàn)時主要包括抽取、多相濾波和IFFT模塊。抽取是按照信道劃分方式對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重排。多相濾波是對劃分的子信道進(jìn)行濾波處理。IFFT模塊對K個子信道中同一時刻的K個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT運算。

仿真時選取1 692 MHz單點頻信號作為輸入信號。 該信號偏離中心頻率78 MHz。為了克服相鄰信道過渡帶形成的盲區(qū)，本文采用50%交疊的濾波器結(jié)構(gòu)，由一級信道的劃分可知，信號將位于信道19中。一級信道化后信號輸出的頻譜圖如圖7所示。圖中列舉了17～32信道的頻譜輸出。

二級信道化的輸入為復(fù)數(shù)，同樣采用50%交疊的濾波器結(jié)構(gòu)。二級信道化輸出的1～8信道的中心頻率相對于一級信道的中心頻率分別為0、-9.21875、-18.4375、-27.65625、-36.875、27.65625、18.4375、9.21875 MHz。為了方便觀察，按照中心頻率依次加大，將第5～1信道、第8～6信道分別映射為第1～8信道。一級信道輸出的子帶寬為36.875 MHz，二級信道輸出的子帶寬為9.21875 MHz，可知信號將位于二級信道的第4信道輸出，偏離二級信道化第4信道0.35 MHz。圖8給出了二級信道化信號輸出的頻譜仿真圖。

4 結(jié)束語

本文闡述了一種多級信道化接收的高效結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法。該方法能夠適應(yīng)不同帶寬信號的輸入，并能提供多種頻率分辨率，更有利于對信號密集度高的信號進(jìn)行分析，尤其是在偵收信號帶寬較寬的情況下能夠減小設(shè)計難度，降低算法復(fù)雜度。本文以兩級信道化結(jié)構(gòu)為例，通過仿真驗證了該方法的有效性，在應(yīng)用中更易于實現(xiàn)。