基于多相濾波的數(shù)字接收機的FPGA實現(xiàn)

摘要：給出了一種基于多相濾波的數(shù)字信道化接收機的實現(xiàn)方法，系統(tǒng)的處理帶寬為875 MHz，解決了高速ADC與FPGA處理速度之間的矛盾。為了克服信道化接收機的接收盲區(qū)，采用信道重疊的方法，連續(xù)覆蓋瞬時帶寬。在信道化處理后接測頻模塊，可以消除虛假信號的輸出和提高測頻精度。整個接收機在單片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)，能夠檢測同時到達(dá)的兩個信號，并實時輸出脈沖描述字(PDW)，經(jīng)FPGA時序仿真結(jié)果驗證了算法模型的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信道化接收機；多相濾波；參數(shù)估計；FPGA

0 引言
    信道化接收機是在并行多通道接收機基礎(chǔ)上提出的全概率頻分信道化接收機，它克服了多部接收機并行工作、多通道下變頻等方案具有的設(shè)備復(fù)雜，各通道性能不一致和可靠性差的缺點。數(shù)字信道化接收機具備大的瞬時帶寬、較高的靈敏度、大的動態(tài)范圍，能夠檢測和處理同時到達(dá)的信號、準(zhǔn)確的參數(shù)測量能力和一定的信號識別能力。直接信道化接收機的運算量大且輸出速率與采樣速率相同，實現(xiàn)困難，后續(xù)處理的壓力很大，高速ADC與慢速信號處理器(FPGA，DSP)是一個“瓶頸”；基于多相濾波的信道化接收機抽取在濾波之前，運算量小，且輸出速率低，便于FPGA實現(xiàn)，這使得在一片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)數(shù)字信道化成為可能。本文利用信道頻率重疊的方法連續(xù)覆蓋整個瞬時帶寬，然后利用Rife算法測頻，根據(jù)信道重疊的特點，消除虛假信號。系統(tǒng)帶寬為875 MHz(62．5～937．5 MHz)，可以處理兩個同時到達(dá)的信號，并實時給出PDW。

1 寬帶數(shù)字接收機的結(jié)構(gòu)
1．1 數(shù)字信道化原理
    信道劃分的基本思想是把信號按頻率均勻地分成D個子頻段(即信道)，每個信道的中心頻率為ωk，然后分別移到零中頻，再通過低通濾波器濾出。由于子信道的帶寬遠(yuǎn)小于系統(tǒng)瞬時帶寬，因此可以采用抽取的方法來降低信號的輸出速率，降低后續(xù)處理的壓力。圖1中，hLP(n)為低通濾波器；M↓表示對經(jīng)過低通濾波器的信號M倍抽取。對于實信號而言，在偵察接收機中，各信道輸出經(jīng)過M=D倍抽取后，會產(chǎn)生頻譜混疊，如圖2所示。各個信道的中心頻率為 ，覆蓋整個頻域范圍。但是這種接收機存在信道的虛假輸出。由圖2中可以看出，當(dāng)輸入信號位于某一信道時，靠近這一信道的相鄰信道會產(chǎn)生虛假輸出。圖2中實線表示實信道，虛線表示鏡像信道。在信道化接收機的輸出端接瞬時測頻模塊，可以消除虛假信號，同時還能提高頻率精度。推導(dǎo)計算出混疊部分頻率的點數(shù)，在固定的某一信道，將重疊部分的點只取一次，刪除多余的點數(shù)，即消除虛假信號，得到如圖3所示的等效濾波器組。

1．2 實信號無盲區(qū)信道化接收機數(shù)學(xué)模型
    由圖1可得第k路信號的輸出為：

    這樣得到實信號數(shù)字信道化的多相濾波實現(xiàn)模型如圖4所示。

1．3 算法仿真
    仿真時，設(shè)信號的采樣頻率為2 GHz，信道帶寬為62．5 MHz，共16個信道，輸入信噪比為0dB。輸入信號樣本為1 920點(每個信道120點)，信號的起始點為112 ns，脈沖寬度為600 ns。在62．5～937．5 MHz間對起始點、脈寬和頻率進行測量，頻率步長為250 kHz，參數(shù)的均方根誤差如圖5～圖7所示。

2 寬帶數(shù)字接收機的FPGA硬件實現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)模塊實現(xiàn)
    設(shè)計在Xilinx公司的XC4VSX55單片F(xiàn)PGA上實現(xiàn)，包括串并轉(zhuǎn)換模塊、多相濾波模塊、信號檢測模塊、數(shù)據(jù)選擇模塊、瞬時測頻模塊以及PDW形成模塊，如圖8所示。
    (1)串／并轉(zhuǎn)換模塊主要功能是降低數(shù)據(jù)速率，進行并行處理，原始采樣速率為2 000 MSPS，分成D=16路并行數(shù)據(jù)，每路數(shù)據(jù)速率變?yōu)?25 MSPS。
    (2)多相濾波模塊的功能是實現(xiàn)高效的多相濾波結(jié)構(gòu)。它由兩級乘法器、有限沖擊響應(yīng)濾波器(FIR)和16點并行FFT組成。其中，第一級乘法系數(shù)隨著數(shù)據(jù)的先后次序，并按1，1，-1，-1的順序變化來改變相應(yīng)數(shù)據(jù)的符號。FIR濾波器采用全并行結(jié)構(gòu)設(shè)計，原型低通濾波器的性能見表1。將原型濾波器分成16路，每相濾波器16階。第二級乘法器為一復(fù)數(shù)乘法。16點全并行FFT，采用流水線結(jié)構(gòu)，可以在一個時鐘節(jié)拍內(nèi)完成FFT運算的功能。

 
    (3)信號檢測模塊的功能是對某一信道是否有信號進行判斷。多相濾波出來的信號為復(fù)數(shù)，可以對其取模，利用幅度進行門限檢測，同時可以測量到達(dá)時間和脈沖寬度。由于濾波器的暫態(tài)特性，脈沖信號通過濾波器組會產(chǎn)生“兔耳效應(yīng)”，為了消除兔耳效應(yīng)以及噪聲的影響，在每個信道門限檢測的后面加了一個最小脈寬檢測電路，把兔耳效應(yīng)和噪聲引起的窄脈沖剔除掉，如圖9所示。

    (4)數(shù)據(jù)選擇模塊功能是將有信號信道的數(shù)據(jù)選出來，為后面的測頻做準(zhǔn)備。不必在每個信道后面都接一個測頻模塊以減少后面的測頻模塊，節(jié)約芯片資源。
    (5)瞬時測頻模塊功能是運用Rife算法估計檢測到信號的瞬時頻率，并消除鏡像信號的影響。根據(jù)門限檢測的到達(dá)時間，選取N點數(shù)據(jù)做FFT，左右各刪除N／4點，只取中間的N／2。對這N／2點做Rife插值，若最高譜線大于某固定值時，可以判斷該信道存在真實信號，否則為虛假信號。
    (6)脈沖描述字形成模塊是將上述截獲的脈沖信號的到達(dá)時間、脈沖寬度和瞬時頻率的參數(shù)編碼信息用PDW的形式輸出。
2．2 仿真驗證
    經(jīng)過在ISE中編譯、綜合、布局布線得到FPGA資源使用報告如表2所示；數(shù)字信道化接收機實現(xiàn)參數(shù)如表3所示。

3 結(jié)語
    將理論算法和FPGA實現(xiàn)結(jié)合起來，分析了數(shù)字信道化的原理，提出了一種基于多相濾波的信道化接收機與Rife瞬時測頻相結(jié)合的方法。這種方法實現(xiàn)了大帶寬的全概率接收，可以消除虛假信號，同時提高測頻精度。整個接收機在單片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)，采用并行和流水線操作，可實現(xiàn)實時檢測，生成脈沖描述字(PDW)。在信道化接收機的數(shù)字化、軟件化和小型化發(fā)展方面具有重要的現(xiàn)實意義。