寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：為解決現(xiàn)代電子戰(zhàn)對(duì)接收機(jī)處理帶寬寬、靈敏度高及實(shí)時(shí)性處理的要求，提出一種數(shù)字信道化接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法。在推導(dǎo)高效信道化接收機(jī)模型的基礎(chǔ)上，采用多相濾波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信道化接收機(jī)。該接收機(jī)利用超高速A／D對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣，然后由高性能FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、多相濾波、CORDIC算法等信道化實(shí)時(shí)處理。為了提高實(shí)時(shí)性，采用并行IFFT實(shí)現(xiàn)。該信道化接收機(jī)不僅能穩(wěn)定輸出載頻及相位信息，還能處理三路同時(shí)到達(dá)的不同信號(hào)。實(shí)際的性能測(cè)試結(jié)果表明該接收機(jī)的功能正確并達(dá)到預(yù)定指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：接收機(jī)；數(shù)字信道化；多相濾波；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

現(xiàn)代電磁信號(hào)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜密集，要求電子戰(zhàn)接收機(jī)必須具有很寬的處理帶寬、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、多信號(hào)并行處理和大量信息實(shí)時(shí)處理的能力。而數(shù)字信道化接收機(jī)不僅可以較好地滿足上述要求，還可實(shí)現(xiàn)監(jiān)視信道內(nèi)信號(hào)的全概率截獲。
數(shù)字信道化過(guò)程是寬帶數(shù)字接收機(jī)的核心，目前廣泛采用基于多相濾波的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)先用高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到的高速數(shù)據(jù)流經(jīng)抽取降低數(shù)據(jù)速率后進(jìn)入多相濾波器組，該濾波器組是由一個(gè)原型濾波器調(diào)制到多個(gè)支路。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)中豐富的乘法器、鎖存器及數(shù)字信號(hào)處理算法IP核等資源，可以非常靈活地實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字信道化接收處理算法。本文采用基于多相濾波器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種高效高速的寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)，并在Altera公司的EP3SE110F1152C4上綜合實(shí)現(xiàn)，輸出載頻、相位信息。

1 信道化接收機(jī)的基礎(chǔ)理論
1．1 信道劃分
為建立實(shí)信號(hào)多信道接收機(jī)的數(shù)學(xué)模型，首先，對(duì)實(shí)信號(hào)的數(shù)字譜作如下信道劃分：

式(1)中，ωk為第k信道的歸一化中心角頻率；K為劃分信道數(shù)。圖1給出對(duì)應(yīng)k=8時(shí)，實(shí)信道的頻譜分配情況。需要指出的是由于實(shí)信號(hào)的頻譜是對(duì)稱的，所以只有4個(gè)獨(dú)立的信道。

采用上述方法進(jìn)行信道劃分有些頻點(diǎn)無(wú)法識(shí)別，為確保整個(gè)覆蓋帶寬內(nèi)無(wú)盲區(qū)，信道的劃分選擇相鄰信道50％交疊，即擴(kuò)大每個(gè)信道的處理帶寬，如圖2所示。

1. 2 多相濾波器組結(jié)構(gòu)
本文采用高速高效數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)完成信道化接收，其數(shù)學(xué)模型如圖3所示。
圖3中K為系統(tǒng)劃分的信道數(shù)，M為每個(gè)信道的抽取倍數(shù)且K=FM。H(n)為原型低通濾波器的單位沖擊響應(yīng)，K個(gè)帶通濾波器都是通過(guò)該原型濾波器調(diào)制生成的，即均勻?yàn)V波器組的多相濾波分量。
第k個(gè)信道輸出為：

即為圖3的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的信道化過(guò)程是在1／M的信號(hào)輸入速率下進(jìn)行的，可以降低整個(gè)過(guò)程的運(yùn)算量，使系統(tǒng)的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)速率大大降低，實(shí)時(shí)處理能力得到提高。
要實(shí)現(xiàn)480～960 MHz的16信道劃分，所以選取K=16。選擇無(wú)盲區(qū)相鄰信道50％交疊的信道化分形式，F(xiàn)應(yīng)該為2。根據(jù)上述原理M=8，信號(hào)需進(jìn)行8倍抽取。