寬帶數(shù)字接收機(jī)的信道化設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]本文詳細(xì)分析了復(fù)信號(hào)多相濾波器的無(wú)盲區(qū)改進(jìn)算法，并根據(jù)推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型完成了其FPGA的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)根據(jù)信道數(shù)和抽取因子之間的倍數(shù)關(guān)系，解決了延遲和抽取功能的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，并使用乒乓RAM實(shí)現(xiàn)了復(fù)信號(hào)多相濾波器的多通道流水線輸出。
0 引言
在現(xiàn)代電子戰(zhàn)環(huán)境中，信號(hào)一般都具有密集化、復(fù)雜化的特點(diǎn)，而且占用的頻譜越來(lái)越寬，從而對(duì)寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)準(zhǔn)確接收信號(hào)提出了更高的要求。一般的多相濾波器在監(jiān)視整個(gè)頻段時(shí)，由于相鄰信道間往往會(huì)存在盲區(qū)，有可能丟失信號(hào)。而改進(jìn)后的無(wú)盲區(qū)多相濾波器的信道數(shù)與抽取倍數(shù)不再相等。一般的旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)方法實(shí)現(xiàn)延遲和抽取只適用于信道數(shù)與抽取倍數(shù)相等的情況，而無(wú)法適應(yīng)改進(jìn)后的算法。但是，信道數(shù)和抽取因子之間往往存在倍數(shù)關(guān)系。本文正是利用這一關(guān)系解決了延遲與抽取的問(wèn)題，并完成了整個(gè)復(fù)多相濾波器的FPGA設(shè)計(jì)。
1 復(fù)信號(hào)多相濾波器無(wú)盲區(qū)算法分析
復(fù)信號(hào)多相濾波器的作用是用D個(gè)信道將-fs／2～fs／2頻段均勻劃分，然后用輸入信號(hào)S(n)以復(fù)本振信號(hào)，再將特定頻段的信號(hào)搬移到基帶，并通過(guò)低通濾波器得到位于該信道的信號(hào)，然后進(jìn)行抽取，以降低數(shù)據(jù)速率。無(wú)盲區(qū)的信道劃分如圖1所示。由于其相鄰信道有50％的重疊，因此，相鄰信道間不存在盲區(qū)，故能對(duì)信號(hào)進(jìn)行全概率捕獲。
為了防止頻譜混疊，其抽取倍數(shù)應(yīng)為D／2。這樣，多相濾波器的第k路輸出推導(dǎo)如下(D’=D／2時(shí))：
由式(2)可知，該算法是對(duì)多相濾波器的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行D／2倍的抽取，各多相分量是由原低通濾波器的系數(shù)先進(jìn)行D抽取再做兩倍內(nèi)插得到的。根據(jù)式(2)可以得到如圖2所示的數(shù)學(xué)模型和FPGA設(shè)計(jì)。
2 FPGA設(shè)計(jì)
2.1延遲和抽取
以下選用具體的例子來(lái)闡述復(fù)多相濾波器的FPGA設(shè)計(jì)方法。對(duì)于8信道的多相濾波器，其抽取因子為4的情況，經(jīng)過(guò)延遲單元進(jìn)入各抽取器的順序如表1所列。
觀察表1可知，進(jìn)入每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)都是4倍抽取。而且4信道比8信道延遲一個(gè)數(shù)據(jù)，3信道比7信道延遲一個(gè)數(shù)據(jù)，依此類推。這樣，就可以將信道分為兩部分，即1、2、3、4信道是一部分，5、6、7、8信道是另一部分。
由于每個(gè)子信道的濾波系數(shù)為12個(gè)，即每個(gè)抽取器必須同時(shí)輸出12個(gè)數(shù)據(jù)與一個(gè)子信道的12個(gè)濾波系數(shù)進(jìn)行乘加運(yùn)算。采用可定制模塊shift_tap，能夠滿足這樣的延遲和抽取要求，它的輸出即為抽取器的輸出。若將shift_tap中的抽取因子設(shè)為4，一次同時(shí)輸出13個(gè)數(shù)據(jù)，那么，第一次輸出的13個(gè)數(shù)據(jù)為x(0)、x(4)、x(8)、……、x(56)，這樣可將1-12送入8信道，2-13送入4信道進(jìn)行乘加運(yùn)算；而第二次輸出的13個(gè)數(shù)據(jù)為x(1)、x(5)、x(9)……、x(57)，其中1-12送入7信道，2-13送人3信道，依此類推……這樣，每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍將得到兩個(gè)信道的延遲和抽取輸出，因而需要4次這樣的操作才能完成一次所有信道的延遲和抽取。然后再重復(fù)執(zhí)行以上操作。
2.2 濾波器的多相分量
設(shè)計(jì)多相分量時(shí)，首先可根據(jù)原低通濾波器的頻率響應(yīng)確定所需的濾波器類型和階數(shù)，以求出沖擊響應(yīng)h(n)；然后再根據(jù)式hp(m)=h(mD+p)，D=8，p=0，1，…D-1來(lái)確定多相分量。
若采樣頻率fs為64 MHz，并把64 MHz帶寬均勻劃分為8路子信道，則每路通帶的帶寬為8MHz。圖3所示是原型低通濾波器的頻率響應(yīng)圖。
MATLAB中的firpmord函數(shù)，一般采用的是最佳逼近最大最小準(zhǔn)則算法，該算法可以求出原型低通濾波器的階數(shù)，而firpm函數(shù)可以求出原型低通濾波器的系數(shù)。即：
a=firpmord([4 8]，[1 0]，[0.001 0.001]，64)；(3)
h=firpm(a，[0 4／32 8／32 1]，[1 1 0 0])； (4)
(3)式中， [4 8]表示通帶截止頻率為4MHz，阻帶截止頻率為8 MHz； [1 0]表示通帶幅度為1，阻帶幅度為0； [0.001 0.001]表示通帶、阻帶波動(dòng)均為0.001；64表示采樣頻率為64MHz。
而在(4)式中，[04／32 8／32 1]分別為對(duì)應(yīng)于實(shí)際頻率0、4、8、32(MH)的歸一化頻率；[1 1 0 0]為上述頻率點(diǎn)上的幅度值。
求出原低通濾波器h(n)后，就可以求出多相濾波器的多相分量。圖2中的多相分量是對(duì)h(n)進(jìn)行8倍抽取，再做兩倍內(nèi)插得到的。用MATLAB語(yǔ)句可方便地得到各多相分量的系數(shù)，每個(gè)多相分量有6個(gè)非零系數(shù)，兩倍內(nèi)插后為12個(gè)系數(shù)。其MATLAB語(yǔ)句如下：
hp=zeros(8,2*fix(length(h)／8))；
for i=1：8
hp (i，1：2：end)=h(i：8：(fix(lengh (h)／8)-1)*8+i)；
end
一個(gè)多相分量的濾波運(yùn)算可用三個(gè)乘加單元完成，每個(gè)乘加單元有四個(gè)乘法器，這樣就可以完成12個(gè)系數(shù)的乘加。多相分量的濾波系數(shù)一般事先都將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制補(bǔ)碼存放在ROM中。
由上述分析可知，每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍可完成兩個(gè)信道的延遲和抽取(采用流水線操作)，每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍需要進(jìn)行兩個(gè)多相分量的乘加運(yùn)算，即需要同時(shí)得到12個(gè)非零系數(shù)，這可用12個(gè)單口ROM實(shí)現(xiàn)。其中6個(gè)ROM存放1～4信道的系數(shù)。另6個(gè)ROM存放5～8通道的系數(shù)。其存儲(chǔ)格式如表2和表3所列。
這樣，每當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，就可以同時(shí)輸出兩個(gè)子信道的12個(gè)非零系數(shù)。通?？梢栽O(shè)計(jì)一個(gè)模4減法計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)ROM地址的產(chǎn)生。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。因?yàn)槭紫扔?jì)算的是4信道和8信道，所以，計(jì)數(shù)器的初始值為3，采用減一計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到0后再進(jìn)行循環(huán)。
2.3 時(shí)序的設(shè)計(jì)
由于信號(hào)s(n)的輸入速率為64 MHz。故在64 MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，每一個(gè)節(jié)拍計(jì)算兩個(gè)子信道，8個(gè)信道的計(jì)算需要用4個(gè)節(jié)拍來(lái)完成，并得到8個(gè)復(fù)數(shù)。這8個(gè)復(fù)數(shù)必須同時(shí)進(jìn)入FFT模塊，所以，可在FFT之前設(shè)計(jì)一組乒乓RAM來(lái)接收這8個(gè)復(fù)數(shù)。其中一個(gè)RAM以64 MHz的速率存放前面的計(jì)算結(jié)果，每個(gè)節(jié)拍接收兩個(gè)復(fù)數(shù)，4個(gè)節(jié)拍接收完8個(gè)復(fù)數(shù)后開(kāi)始FFT運(yùn)算，同時(shí)換成另一個(gè)RAM接收前面的計(jì)算結(jié)果。等到8個(gè)復(fù)數(shù)都存放好之后，再開(kāi)始FFT運(yùn)算，此時(shí)又再次換成第一個(gè)RAM接收前面的計(jì)算結(jié)果，并依次循環(huán)。根據(jù)這樣的時(shí)序設(shè)計(jì)，F(xiàn)FT模塊的時(shí)鐘應(yīng)為16 MHz。FFT運(yùn)算由IP核完成。經(jīng)FFT運(yùn)算后同時(shí)可得到8個(gè)復(fù)數(shù)形式的結(jié)果，由于復(fù)數(shù)分成實(shí)虛部的表示形式，且實(shí)虛部都用32位二進(jìn)制數(shù)表示，因此，8個(gè)復(fù)數(shù)需要16個(gè)32位的二進(jìn)制數(shù)表示，也就是芯片上需要16×32=512個(gè)引腳，這對(duì)于任何芯片都是不可能辦到的。為此，應(yīng)在FFT模塊的輸出端也設(shè)計(jì)一個(gè)乒乓RAM。其中一個(gè)RAM先將8個(gè)FFT運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)，然后以64 MHz的時(shí)鐘頻率每個(gè)節(jié)拍向外輸出兩個(gè)復(fù)數(shù)(即4個(gè)32為二進(jìn)制數(shù))，直到4個(gè)節(jié)拍全部輸出完畢(即8個(gè)復(fù)數(shù)全部輸出的頻率為16 MHz)，同時(shí)另一個(gè)RAM以16MHz的時(shí)鐘頻率接收FFT的運(yùn)算結(jié)果。然后將兩個(gè)RAM的作用交換，再以此循環(huán)。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文詳細(xì)分析了復(fù)信號(hào)多相濾波器的無(wú)盲區(qū)改進(jìn)算法，并根據(jù)推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型完成了其FPGA的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)根據(jù)信道數(shù)和抽取因子之間的倍數(shù)關(guān)系，解決了延遲和抽取功能的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，并使用乒乓RAM實(shí)現(xiàn)了復(fù)信號(hào)多相濾波器的多通道流水線輸出。
在現(xiàn)代電子戰(zhàn)環(huán)境中，信號(hào)一般都具有密集化、復(fù)雜化的特點(diǎn)，而且占用的頻譜越來(lái)越寬，從而對(duì)寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)準(zhǔn)確接收信號(hào)提出了更高的要求。一般的多相濾波器在監(jiān)視整個(gè)頻段時(shí)，由于相鄰信道間往往會(huì)存在盲區(qū)，有可能丟失信號(hào)。而改進(jìn)后的無(wú)盲區(qū)多相濾波器的信道數(shù)與抽取倍數(shù)不再相等。一般的旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)方法實(shí)現(xiàn)延遲和抽取只適用于信道數(shù)與抽取倍數(shù)相等的情況，而無(wú)法適應(yīng)改進(jìn)后的算法。但是，信道數(shù)和抽取因子之間往往存在倍數(shù)關(guān)系。本文正是利用這一關(guān)系解決了延遲與抽取的問(wèn)題，并完成了整個(gè)復(fù)多相濾波器的FPGA設(shè)計(jì)。
1 復(fù)信號(hào)多相濾波器無(wú)盲區(qū)算法分析
復(fù)信號(hào)多相濾波器的作用是用D個(gè)信道將-fs／2～fs／2頻段均勻劃分，然后用輸入信號(hào)S(n)以復(fù)本振信號(hào)，再將特定頻段的信號(hào)搬移到基帶，并通過(guò)低通濾波器得到位于該信道的信號(hào)，然后進(jìn)行抽取，以降低數(shù)據(jù)速率。無(wú)盲區(qū)的信道劃分如圖1所示。由于其相鄰信道有50％的重疊，因此，相鄰信道間不存在盲區(qū)，故能對(duì)信號(hào)進(jìn)行全概率捕獲。
為了防止頻譜混疊，其抽取倍數(shù)應(yīng)為D／2。這樣，多相濾波器的第k路輸出推導(dǎo)如下(D’=D／2時(shí))：
由式(2)可知，該算法是對(duì)多相濾波器的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行D／2倍的抽取，各多相分量是由原低通濾波器的系數(shù)先進(jìn)行D抽取再做兩倍內(nèi)插得到的。根據(jù)式(2)可以得到如圖2所示的數(shù)學(xué)模型和FPGA設(shè)計(jì)。
2 FPGA設(shè)計(jì)
2.1延遲和抽取
以下選用具體的例子來(lái)闡述復(fù)多相濾波器的FPGA設(shè)計(jì)方法。對(duì)于8信道的多相濾波器，其抽取因子為4的情況，經(jīng)過(guò)延遲單元進(jìn)入各抽取器的順序如表1所列。
觀察表1可知，進(jìn)入每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)都是4倍抽取。而且4信道比8信道延遲一個(gè)數(shù)據(jù)，3信道比7信道延遲一個(gè)數(shù)據(jù)，依此類推。這樣，就可以將信道分為兩部分，即1、2、3、4信道是一部分，5、6、7、8信道是另一部分。
由于每個(gè)子信道的濾波系數(shù)為12個(gè)，即每個(gè)抽取器必須同時(shí)輸出12個(gè)數(shù)據(jù)與一個(gè)子信道的12個(gè)濾波系數(shù)進(jìn)行乘加運(yùn)算。采用可定制模塊shift_tap，能夠滿足這樣的延遲和抽取要求，它的輸出即為抽取器的輸出。若將shift_tap中的抽取因子設(shè)為4，一次同時(shí)輸出13個(gè)數(shù)據(jù)，那么，第一次輸出的13個(gè)數(shù)據(jù)為x(0)、x(4)、x(8)、……、x(56)，這樣可將1-12送入8信道，2-13送入4信道進(jìn)行乘加運(yùn)算；而第二次輸出的13個(gè)數(shù)據(jù)為x(1)、x(5)、x(9)……、x(57)，其中1-12送入7信道，2-13送人3信道，依此類推……這樣，每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍將得到兩個(gè)信道的延遲和抽取輸出，因而需要4次這樣的操作才能完成一次所有信道的延遲和抽取。然后再重復(fù)執(zhí)行以上操作。
2.2 濾波器的多相分量
設(shè)計(jì)多相分量時(shí)，首先可根據(jù)原低通濾波器的頻率響應(yīng)確定所需的濾波器類型和階數(shù)，以求出沖擊響應(yīng)h(n)；然后再根據(jù)式hp(m)=h(mD+p)，D=8，p=0，1，…D-1來(lái)確定多相分量。
若采樣頻率fs為64 MHz，并把64 MHz帶寬均勻劃分為8路子信道，則每路通帶的帶寬為8MHz。圖3所示是原型低通濾波器的頻率響應(yīng)圖。
MATLAB中的firpmord函數(shù)，一般采用的是最佳逼近最大最小準(zhǔn)則算法，該算法可以求出原型低通濾波器的階數(shù)，而firpm函數(shù)可以求出原型低通濾波器的系數(shù)。即：
a=firpmord([4 8]，[1 0]，[0.001 0.001]，64)；(3)
h=firpm(a，[0 4／32 8／32 1]，[1 1 0 0])； (4)
(3)式中， [4 8]表示通帶截止頻率為4MHz，阻帶截止頻率為8 MHz； [1 0]表示通帶幅度為1，阻帶幅度為0； [0.001 0.001]表示通帶、阻帶波動(dòng)均為0.001；64表示采樣頻率為64MHz。
而在(4)式中，[04／32 8／32 1]分別為對(duì)應(yīng)于實(shí)際頻率0、4、8、32(MH)的歸一化頻率；[1 1 0 0]為上述頻率點(diǎn)上的幅度值。
求出原低通濾波器h(n)后，就可以求出多相濾波器的多相分量。圖2中的多相分量是對(duì)h(n)進(jìn)行8倍抽取，再做兩倍內(nèi)插得到的。用MATLAB語(yǔ)句可方便地得到各多相分量的系數(shù)，每個(gè)多相分量有6個(gè)非零系數(shù)，兩倍內(nèi)插后為12個(gè)系數(shù)。其MATLAB語(yǔ)句如下：
hp=zeros(8,2*fix(length(h)／8))；
for i=1：8
hp (i，1：2：end)=h(i：8：(fix(lengh (h)／8)-1)*8+i)；
end
一個(gè)多相分量的濾波運(yùn)算可用三個(gè)乘加單元完成，每個(gè)乘加單元有四個(gè)乘法器，這樣就可以完成12個(gè)系數(shù)的乘加。多相分量的濾波系數(shù)一般事先都將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制補(bǔ)碼存放在ROM中。
由上述分析可知，每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍可完成兩個(gè)信道的延遲和抽取(采用流水線操作)，每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍需要進(jìn)行兩個(gè)多相分量的乘加運(yùn)算，即需要同時(shí)得到12個(gè)非零系數(shù)，這可用12個(gè)單口ROM實(shí)現(xiàn)。其中6個(gè)ROM存放1～4信道的系數(shù)。另6個(gè)ROM存放5～8通道的系數(shù)。其存儲(chǔ)格式如表2和表3所列。
這樣，每當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，就可以同時(shí)輸出兩個(gè)子信道的12個(gè)非零系數(shù)。通?？梢栽O(shè)計(jì)一個(gè)模4減法計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)ROM地址的產(chǎn)生。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。因?yàn)槭紫扔?jì)算的是4信道和8信道，所以，計(jì)數(shù)器的初始值為3，采用減一計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到0后再進(jìn)行循環(huán)。
2.3 時(shí)序的設(shè)計(jì)
由于信號(hào)s(n)的輸入速率為64 MHz。故在64 MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，每一個(gè)節(jié)拍計(jì)算兩個(gè)子信道，8個(gè)信道的計(jì)算需要用4個(gè)節(jié)拍來(lái)完成，并得到8個(gè)復(fù)數(shù)。這8個(gè)復(fù)數(shù)必須同時(shí)進(jìn)入FFT模塊，所以，可在FFT之前設(shè)計(jì)一組乒乓RAM來(lái)接收這8個(gè)復(fù)數(shù)。其中一個(gè)RAM以64 MHz的速率存放前面的計(jì)算結(jié)果，每個(gè)節(jié)拍接收兩個(gè)復(fù)數(shù)，4個(gè)節(jié)拍接收完8個(gè)復(fù)數(shù)后開(kāi)始FFT運(yùn)算，同時(shí)換成另一個(gè)RAM接收前面的計(jì)算結(jié)果。等到8個(gè)復(fù)數(shù)都存放好之后，再開(kāi)始FFT運(yùn)算，此時(shí)又再次換成第一個(gè)RAM接收前面的計(jì)算結(jié)果，并依次循環(huán)。根據(jù)這樣的時(shí)序設(shè)計(jì)，F(xiàn)FT模塊的時(shí)鐘應(yīng)為16 MHz。FFT運(yùn)算由IP核完成。經(jīng)FFT運(yùn)算后同時(shí)可得到8個(gè)復(fù)數(shù)形式的結(jié)果，由于復(fù)數(shù)分成實(shí)虛部的表示形式，且實(shí)虛部都用32位二進(jìn)制數(shù)表示，因此，8個(gè)復(fù)數(shù)需要16個(gè)32位的二進(jìn)制數(shù)表示，也就是芯片上需要16×32=512個(gè)引腳，這對(duì)于任何芯片都是不可能辦到的。為此，應(yīng)在FFT模塊的輸出端也設(shè)計(jì)一個(gè)乒乓RAM。其中一個(gè)RAM先將8個(gè)FFT運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)，然后以64 MHz的時(shí)鐘頻率每個(gè)節(jié)拍向外輸出兩個(gè)復(fù)數(shù)(即4個(gè)32為二進(jìn)制數(shù))，直到4個(gè)節(jié)拍全部輸出完畢(即8個(gè)復(fù)數(shù)全部輸出的頻率為16 MHz)，同時(shí)另一個(gè)RAM以16MHz的時(shí)鐘頻率接收FFT的運(yùn)算結(jié)果。然后將兩個(gè)RAM的作用交換，再以此循環(huán)。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文詳細(xì)分析了復(fù)信號(hào)多相濾波器的無(wú)盲區(qū)改進(jìn)算法，并根據(jù)推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型完成了其FPGA的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)根據(jù)信道數(shù)和抽取因子之間的倍數(shù)關(guān)系，解決了延遲和抽取功能的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，并使用乒乓RAM實(shí)現(xiàn)了復(fù)信號(hào)多相濾波器的多通道流水線輸出。
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