寬帶數(shù)字信道化EDA設(shè)計

引言

隨著抗干擾通信體制的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)全概率信號截獲的接收機是非常需要的，而其關(guān)鍵是實時處理。由于寬帶信號接收系統(tǒng)的采樣速率很高，很難直接進行實時處理，采用多相濾波結(jié)構(gòu)后，信道化濾波器被分解成多個支路，每個支路的數(shù)據(jù)經(jīng)過抽取后可以降低數(shù)據(jù)率，便于實現(xiàn)并行處理。

對于這種復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計，傳統(tǒng)的設(shè)計方法貫徹自頂向下的設(shè)計理念不夠徹底，不同設(shè)計階段彼此獨立，頂層系統(tǒng)設(shè)計缺陷、算法劣區(qū)不能在前期體現(xiàn)、不具備設(shè)計工具協(xié)同多層次開發(fā)的能力，給后期設(shè)計帶來很大的阻力。Matlab、simulink及System Generator為今后的設(shè)備開發(fā)提供了一條自頂向下多層次緊密結(jié)合的新思路。

1、數(shù)字信道化原理

實現(xiàn)數(shù)字信道化的直接方法是設(shè)計多個單獨的濾波器，每個濾波器具有特定的中心頻率和帶寬。從理論上來說，每個濾波器都可以獨立設(shè)計，它們可具有不同的帶寬或濾波器特性。這種方法的一個缺點是濾波器組工作時運算是很復(fù)雜的。

對濾波器組的另一種實現(xiàn)形式就是所謂的低通型實現(xiàn)，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)與模擬信道化相似。圖1中，Hlp(n)為原型低通濾波器，加權(quán)系數(shù)的作用是把第k個子頻帶(信道)移至基帶(零中頻)。整個工作過程如下:采樣器將寬帶信號采集后形成高速的數(shù)字信號，經(jīng)過不同的復(fù)本振下變頻到零中頻，然后經(jīng)過一個帶寬為信道寬度的低通濾波器。

由于數(shù)字信道化接收機的抽取器位于濾波器之后，故當(dāng)抽取率D很大或濾波器的階數(shù)比較高時，圖1所示的信道化結(jié)構(gòu)效率將非常低，利用多相濾波的概念將可以得到上述結(jié)構(gòu)的高效實現(xiàn)。

2、數(shù)字信道化設(shè)計

數(shù)字信道化的實現(xiàn)方式有2種方式:基于離散傅里葉(DFT)結(jié)構(gòu)和基于數(shù)字下變頻(DDC)結(jié)構(gòu)。

不論是基于DDC的還是DFT，都需要采用多相濾波加DFT的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，與基于DFT的數(shù)字信道化不同，基于DDC的信道化結(jié)構(gòu)中保留了原型中的數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)，各子信道為零中頻，便于信號的參數(shù)提取。

2.1復(fù)信號數(shù)字信道化實現(xiàn)

基于多相濾波器結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化方法由圖1所示的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)而來，所有運算在抽取以后進行，因此大大降低了后面數(shù)字信號處理的實現(xiàn)難度。

對于復(fù)信號，均勻信道常見的劃分方式有2種:偶型劃分和奇型劃分。在偶型劃分中第k個帶通濾波器中心頻率為

在奇型劃分中第k個帶通濾波器中心頻率為: 假設(shè)HLP(n)為N階低通FIR濾波器的沖激響應(yīng)，經(jīng)過推導(dǎo)，其第k個信道的輸出為:

2.2實信號數(shù)字信道化實現(xiàn)

上面的數(shù)字模型是針對輸人信號(x)n為復(fù)信號時的結(jié)果，但工程中接收到的實際信號大多是實信號，針對實信號的特點，可采取圖2所示的信道劃分方法。這種劃分方法只取信道的正邊帶或負(fù)邊帶，不損失信息。在這種劃分方式下，第無個信道的頻移因子可表示為:

根據(jù)實信號的信道劃分方法，可得到第k個信道的輸出為:

2.3非嚴(yán)格抽樣數(shù)字信道化設(shè)計

前面的仿真模型都是假設(shè)數(shù)字濾波器是理想的，即濾波器不存在過渡帶。然而，由于實際濾波器過渡帶的存在，不同信道劃分方法，或產(chǎn)生盲區(qū)，或產(chǎn)生虛假信號。為了解決這個問題，設(shè)計濾波器時令其過渡帶寬度不大于通帶寬度，并且相鄰信道的頻譜按50%重疊，使各信道的通帶拼接后覆蓋整個監(jiān)視頻帶，同時降低接收機的抽取倍數(shù)。采用這種劃分方式，接收機不存在接收盲區(qū)，但相鄰信道50%重疊會使一個輸人信號同時落在2個相鄰信道上，而產(chǎn)生虛假信號。解決方法是采用非嚴(yán)格抽樣數(shù)字信號化設(shè)計。

采用非嚴(yán)格抽樣數(shù)字化設(shè)計，第k個信道輸出為:

以實信號為例，根據(jù)上述表達(dá)式，在Matlab軟件的Simulink工具箱下，搭建如圖3所示的8個子信道的全數(shù)字信道化模型。

2.4信號判決

單信道窄帶接收機的設(shè)計和有多個窄帶信道寬帶接收機的設(shè)計，二者有明顯的區(qū)別。在窄帶接收機中，通過改變本地振蕩器的頻率可以把信道調(diào)諧到濾波器的中心，一旦信號移到濾波器中心，瞬態(tài)響應(yīng)的影響將會最小化。在寬帶信道化接收機中，本振的頻率和濾波器的頻率都是固定的，信號可能落到濾波器的中央，也可能位于2個信道之間。此時，需進行信號判決，這也是數(shù)字信道化設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。

當(dāng)信道中存在信號時，可根據(jù)信號的幅度及相位信息進行綜合判斷。當(dāng)信號同時處于2個信道時，相位值會存在2:模糊間題，這時可增大輸出數(shù)據(jù)速率以消除相位模糊問題。

根據(jù)信號的幅度信息，同時結(jié)合相位信息特征，對于單/多信號的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)，可在Matlab軟件的simuhnk工具箱下，搭建全數(shù)字信道判決模型，消除2∏模糊問題。

利用ismuhkn工具搭建的信號判決模塊，其流程簡單易懂，便于對該方法的理解。

2.5頻率測量

經(jīng)過信號判決模塊后，可知該信道內(nèi)有無信號存在，如果子信道內(nèi)存在信號，可通過相位差法獲得信號的頻率。

考慮到一階相位差法測頻精度低和不利用平均處理的缺點，采用高階差分法估計頻率。高階差分之前，應(yīng)對相位做解卷繞運算首先進行粗測頻，粗測結(jié)果大于四分之一采樣頻率時，對相位做“折疊”處理，即將負(fù)頻率部分翻轉(zhuǎn)成正頻率。之所以選擇四分之一采樣頻率是因為，較低頻率不會發(fā)生相位的正負(fù)翻轉(zhuǎn)，同時選擇四分之一采樣頻率作為分界線能夠適應(yīng)較低的信噪比。

仿真發(fā)現(xiàn)，差分階次越高，測量精度越高。一階差分會引起中間測量結(jié)果的抵消，為了盡可能地利用有限的相位數(shù)據(jù)，并盡可能提高差分階次，如果測量得到N個相位數(shù)據(jù)，則做N/2階的差分運算。仿真發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)頻率測量精度達(dá)到10-4數(shù)量級。

3、硬件實現(xiàn)

通過上述的設(shè)計仿真，很好地解決了系統(tǒng)設(shè)計中的多層次開發(fā)問題，能夠在統(tǒng)籌總體設(shè)計的同時兼顧算法和真實復(fù)雜信號狀態(tài)的系統(tǒng)性能分析，大大加深了設(shè)計的深度和廣度，充分地進行了全數(shù)字仿真。但需求不僅于此，由于系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)，其實現(xiàn)平臺為超大規(guī)模數(shù)字集成電路處理陣列。目前，如Motorola、TI、xilinx、Altera等大的硬件生產(chǎn)商均提供面向Mailab的硬件開發(fā)平臺，在高速數(shù)字信道化接收機中，應(yīng)用Xihnx的FPGA，故而使用simulink設(shè)計工具System Generator進行針對以上仿真的后續(xù)設(shè)計，使得simuhnk的仿真平臺可以進行面向底層硬件開發(fā)的設(shè)計分析，進行半實物仿真，將EDA開發(fā)的水平和分析推人一個新的層次。設(shè)計流程主要有3步:

①原理模型設(shè)定:主要完成系統(tǒng)中硬件實現(xiàn)DSP功能模塊的建立，在本設(shè)計中已經(jīng)通過前面Simulink的設(shè)計仿真模型，得到了數(shù)字信道化接收機的原理模型;

②搭建設(shè)計模型:主要完成原理模型的遷移，使用xilinx的設(shè)計1具System Generator在simulink下搭建硬件可實現(xiàn)的模型設(shè)計。通過使用該設(shè)計工具可以實現(xiàn)理論模型向硬件設(shè)計的轉(zhuǎn)移，繼而進行硬件設(shè)計仿真和半實物仿真。以32信道為例，設(shè)計中需要32點的全并行蝶形運算FFT結(jié)構(gòu)，通常使用的F打IP核不能滿足實時N點更新的需求，設(shè)計了多模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)FFT算法;

③仿真驗證:利用Mattab中的Link for Modelsim模塊可以實現(xiàn)硬件設(shè)計的RTL級仿真，輕松驗證硬件設(shè)計的正確性，考量算法轉(zhuǎn)化中的指標(biāo)、量化誤差性能等，而且Simulink還支持硬件設(shè)計的半實物仿真功能，可以將硬件設(shè)計加載到最終的硬件平臺上。在本文設(shè)計中，最終通過JTAG電纜將simulink中的仿真模塊用實物替代，實現(xiàn)半實物仿真。

4、結(jié)束語

本文利用Matlab、System Generator等工具實現(xiàn)了數(shù)字信道化仿真，解決了信號判決及頻率測量模糊問題，并用通用硬件平臺驗證了仿真的正確性，對于工程系統(tǒng)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。