1、 第1章緒論本課題研究背景及意義 現(xiàn)代電子戰(zhàn)信號(hào)環(huán)境，都朝著密集化、復(fù)雜化、占用電磁頻譜越來越寬的方向開展。隨著持續(xù)時(shí)間短的“突發(fā)信號(hào)、跳頻信號(hào)、自適應(yīng)信號(hào)等截獲率低的信號(hào)出現(xiàn)，電子戰(zhàn)場(chǎng)上面臨著日益嚴(yán)峻的電磁環(huán)境，表現(xiàn)為要截獲的信號(hào)形式多樣、頻率范圍寬和測(cè)頻精度高。因此，對(duì)接收機(jī)的要求是處理的頻帶要盡可能寬、動(dòng)態(tài)范圍要盡可能大，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的全概率截獲，并同時(shí)具有實(shí)時(shí)處理多信號(hào)的能力。 理想信道化接收機(jī)要求必須在全頻段內(nèi)已接近100%的截獲率精確地檢測(cè)各種信號(hào)，包括檢測(cè)多個(gè)同時(shí)到達(dá)的信號(hào)以及極弱的信號(hào)，并能到達(dá)同時(shí)處理。本文所討論的數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)接收機(jī)兼?zhèn)淞死硐胄诺阑邮諜C(jī)的一些要求。數(shù)

2、字信道化接收機(jī)對(duì)接收到的寬帶信號(hào)完成頻域均勻信道化和抽取工作，最終輸出假設(shè)干個(gè)低速率的子頻帶信號(hào)。它采用多信道并行處理的方式增加單臺(tái)接收機(jī)的處理容量，利用高效的多相濾波器組和離散傅里葉變換完成數(shù)字接收功能，降低了接收機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了實(shí)時(shí)處理能力和全帶寬全概率截獲能力。 同時(shí)，隨著器件工藝水平的提高，可供選擇的具有高采樣率、大輸入動(dòng)態(tài)范圍、寬輸入輸出頻帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC以及用來完成基帶信號(hào)處理的高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA使寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)的開展已成為必然趨勢(shì)。軟件無線電的由來和數(shù)字接收機(jī)的開展歷程 無線電通信在現(xiàn)代社會(huì)中占有舉足輕重的地位，它滲透到人類生活的

3、各個(gè)方面，無論在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。近二十年來，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、VLSI技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速開展，無線電通信經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信、從固定通信到移動(dòng)通信的飛躍。原先以硬件為主的無線電通信體系結(jié)構(gòu)，越來越難以適應(yīng)日新月異的通信開展局面，于是軟件無線電Software Radio)應(yīng)運(yùn)而生，并受到愈來愈廣泛的重視。1992年，在美國國家遠(yuǎn)程會(huì)議上首次提出了軟件無線電的概念。其中心思想是：構(gòu)造一個(gè)開放的、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的通用硬件平臺(tái)，使寬帶A/D和D/A盡可能靠近天線，以便研制出高度靈活和開放的新一代無線電通信系統(tǒng)；由于軟件無線電各種功能是軟件實(shí)現(xiàn)的，因而它是一

4、種以軟件為主的嶄新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)。數(shù)字接收機(jī)的開展大致分為三個(gè)階段：第一階段是基于基帶數(shù)字化處理的方法，單信號(hào)的頻率和相位等精確信息喪失，仍需與其他模擬接收機(jī)同時(shí)協(xié)調(diào)工作。第二階段，隨著ADC和DSP的飛速開展，數(shù)字化接收機(jī)在80年代進(jìn)入了中頻數(shù)字處理階段。第三階段的開展方向，總的來說是結(jié)合新出現(xiàn)的高速數(shù)字信號(hào)處理器件，使用更多成熟的數(shù)字信號(hào)處理方法。1.3基于軟件無線電思想的信道化數(shù)字接收機(jī)的研究意義 在無線電短波應(yīng)用中,大量使用的是常規(guī)窄帶接收機(jī)及附帶的信號(hào)分析設(shè)備。對(duì)于接收特殊信號(hào)，如跳頻、“突發(fā)等信號(hào)，寬帶接收機(jī)那么是更有效的接收設(shè)備。通常的軟件無線電接收機(jī)雖然具有廣泛的波形，信

5、號(hào)帶寬適應(yīng)性、軟件擴(kuò)展性強(qiáng)，但是同時(shí)處理信號(hào)的能力弱，同一時(shí)刻只能處理一個(gè)信號(hào)，對(duì)多個(gè)信號(hào)的處理只能采用流水作業(yè)的方法分時(shí)處理，這對(duì)電磁環(huán)境越來越復(fù)雜的信息化環(huán)境是不適應(yīng)的。隨著抗干擾通信體制的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全概率信號(hào)截獲的接收機(jī)是非常需要的，尤其是在電子偵察中。 目前，對(duì)于多個(gè)信號(hào)的同時(shí)接收一般采用模擬濾波器組信道化接收體制，或者采用多部數(shù)字接收機(jī)并行工作的方案。但是這兩種實(shí)現(xiàn)路徑都具有設(shè)備組成復(fù)雜、本錢高、可擴(kuò)展性差等弊端，無法適應(yīng)不斷變化的新需求。而基于軟件無線電思想的多通道寬帶數(shù)字接收機(jī)簡稱信道化數(shù)字接收機(jī)，采用多通道并行處理的方式增加單臺(tái)接收機(jī)的處理容量，能夠降低接收機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜程度

6、，提高實(shí)時(shí)處理能力，特別是提高全寬帶全概率截獲能力。因此，對(duì)它的研究具有非常重大的意義。 本文就是在這樣的課題背景下，研究基于軟件無線電思想的信道化數(shù)字接收機(jī)的相關(guān)理論，包括高效結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)、仿真及實(shí)現(xiàn)。1.4本文的主要工作和章節(jié)安排 本文主要研究了數(shù)字信道化接收機(jī)的相關(guān)技術(shù)，包括數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)和數(shù)學(xué)建模、MATLAB仿真以及FPGA實(shí)現(xiàn)。本人主要研究的工作如下： 1給出一種信道化高效結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)的方法，由此可以得到多種信道化接收機(jī)模型，并對(duì)不同算法對(duì)應(yīng)下的高效結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析。 2對(duì)其中一種實(shí)信號(hào)的信道化高效結(jié)構(gòu)進(jìn)行MATLAB仿真和FPGA實(shí)現(xiàn)，給出了驗(yàn)證結(jié)果和報(bào)告，并分析了資源

7、占用情況。 根據(jù)上述工作，本文內(nèi)容安排如下： 第2章，詳細(xì)闡述了軟件無線電的理論根底：信號(hào)采樣理論、多速率信號(hào)處理和高效數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法等。 第3章，具體推導(dǎo)和建立基于多相濾波器組的信道化數(shù)字接收機(jī)的多種數(shù)學(xué)模型，并對(duì)這些模型進(jìn)行分析比擬。 第4、5章，研究高效結(jié)構(gòu)的信道化數(shù)字接收機(jī)的MATLAB仿真和FPGA實(shí)現(xiàn)。第2章軟件無線電理論根底 簡單來說，軟件無線電是以開放性、通用性、可擴(kuò)展的最簡單硬件為平臺(tái)，通過加載各種應(yīng)用軟件來適應(yīng)不同用戶、不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求，實(shí)現(xiàn)各種無線電功能。從學(xué)科關(guān)聯(lián)上看，軟件無線電是一種以現(xiàn)代通信理論為根底，以數(shù)字信號(hào)處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的無線通信新

8、的體系結(jié)構(gòu)?；谲浖o線電思想的數(shù)字接收機(jī)除了具有數(shù)字接收機(jī)數(shù)字化、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)外，還具有軟件無線電靈活性、適應(yīng)性和開放性的特點(diǎn)。2.1信號(hào)采樣根本理論 軟件無線電首先面臨的問題就是如何對(duì)工作頻帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，也就是如何對(duì)所感興趣的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的問題。低通采樣理論-Nyquist采樣定理(b)所示。 采樣前信號(hào)頻譜 采樣后信號(hào)頻譜 圖2.1 采樣前后信號(hào)的頻譜 Nyquist采樣定理：設(shè)有一個(gè)頻率帶限信號(hào)，其頻帶限制在內(nèi)，如果以不小于的采樣率對(duì)進(jìn)行等間隔采樣，得到時(shí)間離散的采樣信號(hào)其中稱之為采樣間隔，那么原信號(hào)將被所得到的采樣值唯一確定。帶通信號(hào)采樣理論 Nyquist采樣定理只討

9、論了其頻譜分布在上的基帶信號(hào)的采樣問題，如果信號(hào)的頻譜分布在某一有限的頻帶進(jìn)行采樣是需要進(jìn)一步考慮的問題。當(dāng)然，根據(jù)Nyquist采樣定理仍然可以按的采樣速率進(jìn)行采樣。但是很快就會(huì)想到，當(dāng)時(shí)，也就是當(dāng)信號(hào)的最高頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬時(shí)，如果仍然按采樣率來采樣的話，那么其采樣頻率會(huì)很高，以致很難實(shí)現(xiàn)，或者后處理的速度也滿足不了要求。由于帶通信號(hào)本身的帶寬不一定很寬，那么我們自然會(huì)想到能不能采用比Nyquist采樣率低的速率來采樣，甚至以兩倍帶寬的采樣率來采樣？這就是帶通采樣理論要答復(fù)的問題。 單個(gè)典型帶通信號(hào)的頻譜 多個(gè)帶通信號(hào)的頻譜 圖2.2 帶通信號(hào)的頻譜 帶通采樣定理：設(shè)一個(gè)頻率帶限信號(hào)對(duì)應(yīng)

10、的頻譜為，如圖2.2所示，其頻帶限制在內(nèi)，如果其采樣速率滿足式： 2.1)式中，取能滿足的最大正整數(shù)0,1,2，那么用進(jìn)行等間隔采樣所得到的信號(hào)采樣值能準(zhǔn)確地確定原信號(hào)。式2.1用帶通信號(hào)的中心頻率和頻帶寬度也可用式2.2表示： 2.2式中，取能滿足為頻帶寬度的最大正整數(shù)。顯然，當(dāng)、時(shí)，取，式2.2就是Nyquist采樣定理，即滿足。 由式2.2可見，當(dāng)頻帶寬度一定時(shí)，為了能有最低采樣率即兩倍頻帶寬度的采樣率對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行采樣，帶通信號(hào)的中心頻率必須滿足： 2.3或 2.4也即信號(hào)的最高或最低頻率是帶寬的整數(shù)倍，如圖2.2所示圖中只畫出了正頻率局部，負(fù)頻率局部是對(duì)稱的。滿足式2.3，且采樣率為

11、兩倍帶寬的采樣稱之為整帶采樣。值得指出的是，上述帶通采樣定理適用的前提條件是：只允許在其中的一個(gè)頻帶上存在信號(hào)，不允許在不同的頻帶上同時(shí)存在信號(hào)，否那么將會(huì)引起信號(hào)混疊。圖2.2所示信號(hào)帶通采樣后的頻譜如圖2.3所示。 圖2.3 、時(shí)帶通信號(hào)采樣后的頻譜A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器符號(hào)如下圖，其作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過程大致可以分為采樣、量化、編碼三步。采樣的作用是將時(shí)間連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散信號(hào)；量化就是對(duì)信號(hào)連續(xù)變化的幅度進(jìn)行分級(jí)處理；用二進(jìn)制數(shù)來表示量化電平值就稱為編碼，編碼的方式很多：有單極性二進(jìn)制碼、二進(jìn)制偏移碼、2的補(bǔ)碼、1的補(bǔ)碼等，其中2的補(bǔ)碼運(yùn)用很廣泛。A/D

12、圖2.4 A/D轉(zhuǎn)換器符號(hào) A/D轉(zhuǎn)換是數(shù)字化處理的前端，其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，不同的A/D轉(zhuǎn)換器有不同的特點(diǎn)和性能，衡量A/D轉(zhuǎn)換性能的主要指標(biāo)有：采樣率、有效位數(shù)ENOB、信噪比SNR、無雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR、孔徑誤差、非線性誤差等。2.2多率信號(hào)處理帶通采樣定理的應(yīng)用大大降低了射頻采樣速率，為后面的實(shí)時(shí)處理奠定了根底。但是從對(duì)軟件無線電的要求來看，帶通采樣的帶寬應(yīng)該越寬越好，這樣對(duì)不同帶寬的信號(hào)會(huì)有更好的適應(yīng)性，而且當(dāng)對(duì)一個(gè)頻率很高的射頻信號(hào)采樣時(shí)，如果采樣率取得太低，對(duì)提高采樣量化的信噪比是不利的。所以，在可能的情況下，帶通采樣速率應(yīng)該盡可能地選得高一些，使瞬時(shí)帶寬盡可能地寬。

13、但是，隨著采樣速率提高帶來的另外一個(gè)問題就是采樣后的數(shù)據(jù)流速率很高，導(dǎo)致后續(xù)的信號(hào)處理速度跟不上，所以有必要對(duì)A/D后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行降速處理。多率信號(hào)處理技術(shù)為這種降速處理的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)，是數(shù)字接收機(jī)的理論根底。低通信號(hào)的整數(shù)倍抽取所謂整數(shù)倍抽取是把原始采樣序列每個(gè)數(shù)據(jù)抽取一個(gè)，形成一個(gè)新序列，即： 2.5式中，為正整數(shù)，抽取過程如圖2.5所示，抽取器符號(hào)表示那么如圖2.6所示。 圖2.5 時(shí)整數(shù)倍抽取 D 圖2.6 抽取器的符號(hào)表示抽取后的采樣率的降低等同于對(duì)數(shù)字信號(hào)再采樣，設(shè)采樣序列的傅里葉變換,那么抽取序列的傅里葉變換： 2.6由式2.6可見，抽取序列的頻譜為抽取前原始序列之頻譜經(jīng)倍

14、展寬和頻移后的個(gè)頻譜的疊加和。很顯然如果序列的采樣率為，那么其無模糊帶寬為。當(dāng)以倍抽取率對(duì)進(jìn)行抽取后得到的抽取序列之采樣率為，其無模糊帶寬，當(dāng)含有大于的頻率分量時(shí)，就必然產(chǎn)生頻譜混疊，導(dǎo)致無法從中恢復(fù)中小于的頻率分量信號(hào)。因此，為了防止采樣率降低后的周期性頻譜疊加可能引起的混疊，在抽取前必須經(jīng)過一個(gè)低通濾波器濾波器帶寬。抽取濾波器和采樣率降低器合稱抽取器如圖2.7所示，抽取器可以大大降低后續(xù)處理對(duì)速度的要求，提高了信號(hào)的頻域分辨率。 D 圖2.7 完整的抽取器方框圖數(shù)字帶通信號(hào)的抽取 在前面的討論中實(shí)際上我們都是假定要抽取的信號(hào)是靠近零頻附近的低通信號(hào)，即感興趣的頻率范圍為，這樣在抽取前就可以

15、先用一個(gè)截止頻率為的低通濾波器進(jìn)行濾波，然后再進(jìn)行抽取。而實(shí)際當(dāng)中要抽取的信號(hào)往往是帶通信號(hào)。 為了方便起見，把數(shù)字帶通信號(hào)的頻譜重新畫于圖2.8，現(xiàn)在要抽取的信號(hào)是圖中位于區(qū)間的帶通信號(hào)。所謂“整帶抽取是指帶通信號(hào)滿足式2.7關(guān)系時(shí)的抽?。?圖2.8 數(shù)字帶通信號(hào)譜 圖2.9 “整帶抽取 2.7式中，為正整數(shù)，為帶通信號(hào)的中心頻率，為經(jīng)過倍抽取后的取樣率，其值為 2.8代入式(2.7)可得： 2.9)即為 或 (2.10)式中，為信號(hào)帶寬。由上述推導(dǎo)可知，即當(dāng)帶通信號(hào)的最高和最低頻率是信號(hào)帶寬的整數(shù)倍時(shí)稱其抽取為“整帶抽取，這時(shí)抽取倍數(shù)應(yīng)滿足： 2.11也就是說當(dāng)在整個(gè)數(shù)字頻帶內(nèi)共有寬度為的

16、個(gè)子帶時(shí)如圖2.9所示，就可進(jìn)行整帶抽取，只要抽取前先用一個(gè)帶寬為的帶通濾波器對(duì)感興趣的子帶進(jìn)行濾波即可，該濾波器的特性如下： 1 = 2.12 0 其他多相濾波抽取 前面我們?cè)敿?xì)介紹了抽取這個(gè)重要概念，并給出了實(shí)現(xiàn)抽取的結(jié)構(gòu)模型，如圖2.7所示。這種結(jié)構(gòu)模型的抗混疊數(shù)字濾波是在高取樣率的條件下進(jìn)行的，無疑大大提高了對(duì)運(yùn)算速度的要求，對(duì)實(shí)時(shí)處理是極其不利的。設(shè)是FIR濾波器的沖激響應(yīng)，長度為，且。由圖2.7可知，抽取過程的時(shí)域關(guān)系可以表示為： 2.13令，那么： 2.14定義：，,那么有 2.15 因此，抽取操作可以分解為級(jí)并行濾波之和，其中每級(jí)濾波器是對(duì)進(jìn)行倍抽取而實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而也具有類似的解

17、釋。圖2.10表示了式(2.15)的多相濾波的實(shí)現(xiàn)。 D Z-1 D Z-1 D 圖2.10 多相抽取器的結(jié)構(gòu) 2.3軟件無線電中高效數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法從前面的討論我們已經(jīng)知道，實(shí)現(xiàn)抽取的關(guān)鍵問題是如何實(shí)現(xiàn)抽取前的濾波。對(duì)于基帶抽取，濾波器為低通數(shù)字濾波器；對(duì)帶通信號(hào)的“整帶抽取，為帶通數(shù)字濾波器。無論哪種抽取，都需要設(shè)計(jì)一個(gè)滿足抽取要求的數(shù)字濾波器，該濾波器性能的好壞將直接影響取樣率變換的效果及其實(shí)時(shí)處理能力。輸入為、輸出為、沖激響應(yīng)為的數(shù)字濾波器可用圖2.11表示，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下： 2.16用離散卷積符號(hào)“*可簡單表示為： 2.17 圖2.11 數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器可以用兩種形式

18、來實(shí)現(xiàn)，即有限沖激響應(yīng)濾波器FIR和無限沖激響應(yīng)濾波器IIR。所謂的有限沖激響應(yīng)濾波器FIR是指沖激響應(yīng)函數(shù)為有限個(gè)值得數(shù)字濾波器，即滿足： ， 或 2.18式中，、為有限值；或者說FIR沖激響應(yīng)函數(shù)只在有限范圍內(nèi)不為零，實(shí)際中通常取、，所以對(duì)FIR濾波器有： 2.19 FIR數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)可表示為： 2.20 更一般地，數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)可表示為： 2.21 所謂濾波器設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是在給定或者的某些特征參數(shù)的條件下，求沖激響應(yīng)。由于FIR濾波器相對(duì)于IIR濾波器有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，如線性相位、穩(wěn)定性等，而且FIR濾波器的設(shè)計(jì)相對(duì)成熟、方法更多，所以這里重點(diǎn)討論FIR濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)

19、。FIR濾波器的窗函數(shù)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)FIR濾波器最簡單的方法就是用一個(gè)的窗函數(shù)去截取一個(gè)理想濾波器的沖激函數(shù)，從而得到一個(gè)實(shí)際可用的FIR濾波器的沖激函數(shù)： 2.22其中窗函數(shù)可以有各種形式，如矩形窗、漢寧窗、漢明窗、窗以及窗等。它們都有自己的顯示表達(dá)式，例如窗表達(dá)式為： 2.23其中，為零階貝賽爾函數(shù)；為可調(diào)參數(shù)，取決于濾波器的帶內(nèi)波動(dòng)。 采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的好處是簡單、直觀、便于理解。比方在前面介紹的幾種窗函數(shù)都有顯示表達(dá)式，很容易求出窗函數(shù)的個(gè)值n=0,1,2,-1),用這個(gè)數(shù)據(jù)與理想沖激函數(shù)相乘即可得到實(shí)際濾波器的沖激函數(shù)。 數(shù)字濾波器窗函數(shù)的設(shè)計(jì)法的另一大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)出來的濾波器特

20、性比擬好理解，比方對(duì)于一個(gè)低通濾波器我們可以用如下一組參數(shù)來描述，如圖2.12所示。 通帶波動(dòng) 阻帶衰減 通帶截止頻率對(duì)歸一化 阻帶截止頻率對(duì)歸一化 過渡帶寬度 圖2.12 濾波器參數(shù)的定義 對(duì)于某些類型的窗函數(shù)，給定、等濾波器的參數(shù)就可確定所需窗函數(shù)的長度濾波器的階數(shù)。比方對(duì)窗，由式2.23)給出： 2.24式中，為實(shí)際模擬帶寬，為采樣頻率。根據(jù)階數(shù)，由窗函數(shù)計(jì)算式2.23就可以求出窗函數(shù)，式中由式2.25決定： 其中, (2.25) 窗函數(shù)雖然比擬簡單、直觀、也比擬容易理解，但由它設(shè)計(jì)出來的濾波器，往往不是最正確的，或者說與其他設(shè)計(jì)方法相比擬，用窗函數(shù)設(shè)計(jì)出來的數(shù)字濾波器的階數(shù)雖然是比擬小

21、的，但濾波器特性并不是最正確的。下面我們討論最正確濾波器的設(shè)計(jì)。最正確濾波器設(shè)計(jì)所謂的“最正確是指濾波器的頻率響應(yīng)在所感興趣的范圍內(nèi)與理想濾波器的頻率響應(yīng)之間的最大逼近誤差最小，即所謂的“最大最小準(zhǔn)那么意義上或切比雪夫意義上的最正確化。濾波器的逼近問題可用式2.26和式2.27表示： ， 2.26 ， 2.27 設(shè)需要設(shè)計(jì)的濾波器特性如圖2.13所示，采樣頻率，通帶截止頻率，阻帶截止頻率，通帶帶內(nèi)波動(dòng)，阻帶帶內(nèi)衰減。那么根據(jù)remezord的定義,把=1.2 1.8，=1 0，=0.001 0.0001，代入下式： num=,= remezord(,) 2.28式中， 為截止頻率矢量；為與對(duì)應(yīng)

22、的幅度矢量；允許的頻帶波動(dòng)；為采樣頻率，即可求出濾波器的階數(shù)。再把得到的濾波器階數(shù)矢量num=,帶入濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)： h(n)=remez(num)=remez(,) 2.29 圖2.13 MATLAB濾波器設(shè)計(jì)舉例式中，為濾波器階數(shù)；為歸一化截止頻率矢量；為與對(duì)應(yīng)的歸一化幅度矢量；為幅度加權(quán)矢量，即可求得濾波器系數(shù)或。 2.4本章小結(jié)本章主要介紹了完成信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)采樣理論、降低采樣率的多率信號(hào)處理、及高效數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法等數(shù)字接收機(jī)的根底內(nèi)容，這些內(nèi)容對(duì)信道中信號(hào)傳輸處理的實(shí)質(zhì)有比擬深入的理解和清晰的認(rèn)識(shí)。第3章信道化接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)數(shù)字接收機(jī)模型無論是單通道接收機(jī)還是用幾個(gè)單通道接

23、收機(jī)并聯(lián)組成的多通道接收機(jī)都屬于引導(dǎo)式數(shù)字接收機(jī)，這些接收機(jī)存在的主要問題是，必須首先確知哪個(gè)信道上有信號(hào)。在非合作接收條件下，就需要用測(cè)頻或搜索設(shè)備對(duì)整個(gè)頻帶進(jìn)行搜索，以確定信號(hào)出現(xiàn)在那個(gè)信道上，從而將單通道或多通道接收機(jī)的數(shù)字本振調(diào)諧到對(duì)應(yīng)的信道上。這種接收機(jī)用于信號(hào)未知的電子戰(zhàn)偵察中，會(huì)存在以下問題：1無法進(jìn)行全概率信號(hào)截獲，尤其是對(duì)信號(hào)持續(xù)時(shí)間短的“突發(fā)信號(hào)、跳頻信號(hào)、自適應(yīng)信號(hào)等，截獲的概率將更低。很明顯，如果用作搜索的設(shè)備速度不夠快，就會(huì)喪失信號(hào)而產(chǎn)生漏警。2測(cè)頻精度對(duì)信號(hào)的接收有很大的影響，造成帶內(nèi)信息損失，信噪比惡化，甚至導(dǎo)致信號(hào)完全喪失。然而信號(hào)偵察面對(duì)非合作信號(hào)，測(cè)頻精度不

24、可防止受外界因素影響，無法保證絕對(duì)準(zhǔn)確。隨著抗干擾通信體制的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全概率信號(hào)的截獲的接收機(jī)是非常需要的。信道化接收機(jī)就是這樣一種可以解決上述問題，實(shí)現(xiàn)全概率截獲的接收機(jī)。信道化接收機(jī)的根本原理是用多個(gè)帶通濾波器接收信號(hào)，各濾波器通帶分別接收監(jiān)視帶內(nèi)相應(yīng)頻率分量。該方法不需要目標(biāo)信號(hào)的中頻信息，具有并行處理能力。 早期信道化接收機(jī)均采用模擬的方法，模擬信道化接收機(jī)信道不均衡性無法克服，并且系統(tǒng)復(fù)雜程度隨著信道數(shù)增大，體積巨大，本錢較高。近幾年，隨著VLSI和DSP技術(shù)的飛速開展，數(shù)字信道化技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在基于軟件無線電思想的信道化數(shù)字接收機(jī)中，信道化由數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，可以有

25、效地解決信道不均衡的問題，能最大程度地簡化接收設(shè)備。3.1軟件無線電中數(shù)字接收機(jī)的典型模型 軟件無線電數(shù)字接收機(jī)的設(shè)計(jì)思想是：將寬帶A/D和D/A變換器盡可能靠近天線，即把A/D和D/A從基帶移到中頻甚至射頻，把接收到的模擬信號(hào)盡早數(shù)字化；然后用實(shí)時(shí)高速FPGA/DSP做A/D后的一系列處理，使無線電系統(tǒng)的各種功能通過軟件進(jìn)行定義。然而，由于受器件水平的制約，直接對(duì)射頻采樣處理還有一定難度，在保存軟件無線電通用、靈活、開放的特點(diǎn)的前提下，目前普遍采用了中頻數(shù)字化方案，圖3.1顯示了軟件無線電中一個(gè)典型的數(shù)字接收機(jī)模型。 智能天線信號(hào)后端處理信道化和抽樣率轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換射頻前 端 中頻 輸出 圖

26、3.1 軟件無線電中數(shù)字接收機(jī)模型 軟件無線電主要由三大局部組成，即用于射頻信號(hào)變換、位于模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換之前的射頻處理含天線前端，高速模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及位于A/D之后、D/A之前的數(shù)字信號(hào)處理器件等。接收機(jī)以智能天線為起點(diǎn)，并在信號(hào)的中頻下進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。采樣后的數(shù)字信號(hào)需要數(shù)字濾波和樣本速率轉(zhuǎn)換。處理過程利用數(shù)字信號(hào)處理器DSP、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA或?qū)Ｓ眉呻娐稟SIC，這些都是用軟件來實(shí)現(xiàn)的。接收機(jī)輸出信號(hào)需要進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)識(shí)別和調(diào)制解調(diào)，由于數(shù)字信號(hào)的可存儲(chǔ)性使信號(hào)處理可以非實(shí)時(shí)進(jìn)行。3.2信道劃分算法不同的頻帶劃分方式?jīng)Q定不同的信道化高效結(jié)構(gòu)，故首先對(duì)信號(hào)的頻帶劃分方式進(jìn)行介紹。

27、復(fù)信號(hào)頻帶均勻信道劃分形式均勻信道常見的堆積排列形式有兩類，分別是偶型排列和奇型排列。 偶形排列 奇型排列 圖3.2 復(fù)信號(hào)的信道排列形式圖3.2是復(fù)輸入信號(hào)的信道劃分方式，此時(shí)信道間隔是是信道個(gè)數(shù)，信道的中心頻率=0,1，-1取值表示如下： 在偶型排列中，第個(gè)信道中心頻率為： (3.1) 在奇型排列中，第個(gè)信道中心頻率為： (3.2)實(shí)信號(hào)頻帶均勻信道劃分形式由于實(shí)際信號(hào)都是實(shí)信號(hào)，本文主要對(duì)實(shí)信號(hào)的頻帶劃分進(jìn)行研究。實(shí)輸入信號(hào)的頻譜具有對(duì)稱特性，因此對(duì)其頻帶劃分比擬特殊，一般有以下幾種方式： 1將實(shí)信號(hào)看作特殊的復(fù)信號(hào)，仍采用圖3.2的信道劃分方式。但此時(shí)，=0,1，即只需對(duì)個(gè)信道進(jìn)行下變

28、頻處理。 2只對(duì)上的頻譜進(jìn)行信道劃分，是信道個(gè)數(shù)。采用與圖3.2相類似的信道排列形式，但此時(shí)信道間隔是。 相應(yīng)的偶型排列中心頻率： 3.3 相應(yīng)的奇型排列中心頻率： 3.4 3按圖3.3對(duì)信道重新劃分，虛線頻帶為對(duì)應(yīng)的鏡像，此時(shí)的第個(gè)信道中心頻率為： 對(duì)應(yīng)于圖3.3 3.5 對(duì)應(yīng)于圖3.3 3.6 實(shí)信號(hào)信道劃分1 實(shí)信號(hào)信道劃分2 圖3.3 實(shí)信號(hào)信道的排列形式()3.3數(shù)字濾波器組與信道化的根本概念 所謂的濾波器組是指具有一個(gè)共同輸入信號(hào)，假設(shè)干個(gè)輸出端的一組濾波器，如圖3.4所示，圖中=0,1，為第個(gè)信道濾波器的沖激響應(yīng)。數(shù)字濾波器組的原理是圖3-4結(jié)構(gòu)中個(gè)濾波器把寬帶的輸入信號(hào)均勻分成

29、假設(shè)干個(gè)個(gè)子頻帶信號(hào)輸出，這種濾波器就叫信道化濾波器。 圖3.4 數(shù)字濾波器組假設(shè)這個(gè)濾波器組的第個(gè)通道的沖激響應(yīng)函數(shù)與第0通道濾波器的沖激響應(yīng)有如下關(guān)系： 3.7)式中=0,1,那么稱這個(gè)濾波器組為均勻?yàn)V波器組，即這個(gè)濾波器組均勻的把寬帶信號(hào)劃分成了個(gè)窄帶信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信道的劃分。其中第0通道的濾波器為低通濾波器，其余通道的濾波器是把它搬移到位置上進(jìn)行帶通濾波以實(shí)現(xiàn)信道劃分的，故信道化是以第0通道濾波器的帶寬進(jìn)行信道劃分的，這里稱這個(gè)低通濾波器為原型低通濾波器。 數(shù)字信道化是將寬帶數(shù)字信號(hào)送入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中完成頻域均勻信道化和抽取操作，最終輸出假設(shè)干個(gè)低速率的子頻帶信號(hào)。每個(gè)子頻帶都可以

30、單獨(dú)處理，因此允許在每個(gè)通道中應(yīng)用低速計(jì)算機(jī)技術(shù)，解決了寬帶信號(hào)接收情況下高速A/D和后端信號(hào)處理的瓶頸問題。 該網(wǎng)絡(luò)的功能可等效為一個(gè)帶抽取器的均勻數(shù)字濾波器組。設(shè)濾波器個(gè)數(shù)即信道個(gè)數(shù)為，抽取因子，兩者滿足的關(guān)系。濾波器組信道化接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3.4所示，其中，= 0,1，是各信道的中心頻率，其值取決于信號(hào)頻帶劃分方式。 信道劃分的根本思想是把信號(hào)按頻率均勻分成假設(shè)干段，然后分別移到零中頻，再通過多個(gè)低通濾波器濾出，其結(jié)構(gòu)如圖3.5、3.6所示。 D D D 圖3.5 復(fù)信號(hào)濾波器組的低通實(shí)現(xiàn) 2D 2D 2D 圖3.6 實(shí)信號(hào)濾波器組的低通實(shí)現(xiàn)圖3.5中，每個(gè)低通濾波器的帶寬均為， 故對(duì)其進(jìn)

31、行倍抽取不會(huì)影響帶寬內(nèi)的信號(hào)頻譜。圖3.6中，每個(gè)低通濾波器的帶寬均為，且經(jīng)過復(fù)本振和低通濾波器組的信號(hào)已為復(fù)信號(hào)，故對(duì)低通濾波器后的信號(hào)可以進(jìn)行倍抽取。 該算法把整個(gè)采樣頻帶劃分成假設(shè)干個(gè)并行輸出，使信號(hào)無論何時(shí)何地(信道)出現(xiàn)，均能加以截獲。多相濾波器的使用，使運(yùn)算量降至原來的(為劃分的信道數(shù))，這極大的提高了信道化接收機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力。而且信號(hào)的倍抽取在濾波器之前，使信號(hào)的采樣率降低，濾波器的實(shí)現(xiàn)更容易。另外，可以采用快速算法來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算速度可以大大加快。3.4信道化數(shù)字接收機(jī)的高效結(jié)構(gòu)圖3.4所示的濾波器組信道化接收機(jī)實(shí)現(xiàn)起來比擬困難，尤其是當(dāng)信道數(shù)多,值很大時(shí)，圖中的低通濾波器所需的

32、階數(shù)會(huì)變得非常大。而且每個(gè)信道配一個(gè)這樣的濾波器，實(shí)現(xiàn)效率非常低，所以需要一種高效的信道化實(shí)現(xiàn)方法。信道化高效結(jié)構(gòu)的推導(dǎo) 在以前的大量文獻(xiàn)中只推導(dǎo)了以下兩種情況下的信道化接收機(jī)高效結(jié)構(gòu)：1臨界抽樣條件下信號(hào)頻帶按圖3.2進(jìn)行信道劃分；2抽取因子條件下信號(hào)頻帶按圖3.3的形式劃分信道。實(shí)際上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的不同，常常需要其他不同的頻帶劃分方式,而不同的頻帶劃分方式?jīng)Q定了我們需要不同的信道化高效結(jié)構(gòu)。 本文給出一種具有普遍性的方法來推導(dǎo)這種基于多相濾波組的信道化高效結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：只要相鄰信道間隔為，無論是否滿足臨界抽樣條件，也無論信道采用怎樣形式進(jìn)行堆積排列，都可以方便的得到數(shù)字信道化接收

33、機(jī)的高效結(jié)構(gòu)。具體推導(dǎo)過程如下：設(shè)圖3.5中的為階低通FIR低通濾波器，可得到第個(gè)信道的輸出為： = = 3.8令：，=0,1，那么有 = 3.9)定義：，是分相多支經(jīng)倍內(nèi)插的結(jié)果，可得： ，=0,1， = = 3.10其中，將帶入式3.10，就可以得到數(shù)字信道化接收機(jī)的高效結(jié)構(gòu)。復(fù)信號(hào)信道化接收機(jī)的高效結(jié)構(gòu)復(fù)信號(hào)的信道化原始結(jié)構(gòu)如圖3.5所示，當(dāng)即臨界抽取且濾波器堆積排列為奇型時(shí)，有，那么根據(jù)上一小節(jié)高效結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)可知： 3.11 = = 3.12由上兩式可得到臨界抽樣條件下信道奇型排列時(shí)的信道化接收機(jī)高效結(jié)構(gòu)如圖3.7所示，圖3.7中。該高效結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)低通濾波器相比具有如下特點(diǎn)：抽取操作轉(zhuǎn)

34、移到濾波之前，降低了濾波過程的運(yùn)算量；濾波器,=0,1,，為原型低通濾波器的多相分量，階數(shù)減小到原來的；可以用快速算法來實(shí)現(xiàn)?？梢娫谠摻Y(jié)構(gòu)中，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。D點(diǎn)復(fù) 數(shù)DFT D z-1 D z-1 D z-1 圖3.7 復(fù)信號(hào)、奇型劃分、臨界抽取信道化高效結(jié)構(gòu) 實(shí)信號(hào)信道化接收機(jī)的高效結(jié)構(gòu)在實(shí)際當(dāng)中，輸入信號(hào)往往是實(shí)信號(hào)。實(shí)信號(hào)的處理方法主要有以下五種：1把實(shí)信號(hào)當(dāng)作復(fù)信號(hào)的特殊情況來對(duì)待，那么可以采用復(fù)信號(hào)情況下的高效結(jié)構(gòu)，但由于實(shí)信號(hào)正負(fù)頻譜的對(duì)稱性，使有一半信道是冗余的，浪費(fèi)了一半的處理量。2先把實(shí)信號(hào)通過多相濾波正交處理將其變換為復(fù)信號(hào)，再利用復(fù)

35、信號(hào)的高效結(jié)構(gòu)圖3.7完成信道化接收。由于經(jīng)正交化處理后的復(fù)信號(hào)其采樣率降低了一倍，這種方法具有較好的實(shí)用性。 復(fù)信號(hào)的信道化高效結(jié)構(gòu) 2 Z-1 2 圖3.8 實(shí)信號(hào)、正交變換信道化高效結(jié)構(gòu)3實(shí)信號(hào)的信道化原始結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，當(dāng)即臨界抽取且按圖3.3(b)的信道劃分方式，有，那么由圖3.6可得第個(gè)信道的輸出為： = = = = = 3.13令：，其中，把帶入可得： 那么有： 3.14把帶入3.13得： = = 3.15式中，跟復(fù)信號(hào)的情況一樣，表示離散傅里葉變換，可用快速實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上述推導(dǎo)，我們可得到實(shí)信號(hào)多相濾波的信道化接收機(jī)結(jié)構(gòu)模型如圖3.9所示。該模型與圖3.5信道化模型相比，從計(jì)

36、算效率上看要高效得多。需要指出的是，無論是圖3-7的復(fù)信道化接收機(jī)還是圖3.9的實(shí)信道化接收機(jī)最終輸出的個(gè)信道化信號(hào)=0,1，都是正交的復(fù)時(shí)域信號(hào)，后接個(gè)正交解調(diào)器或檢測(cè)器就可實(shí)現(xiàn)對(duì)每路輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)解調(diào)或信號(hào)檢測(cè)。也就是說圖3.7和圖3.9信道化接收機(jī)并不包含解調(diào)或信號(hào)檢測(cè)功能但包含信道的正交分解，它們只起別離信號(hào)的信道濾波作用，其他各種處理還需要借助后續(xù)軟件實(shí)現(xiàn)。 2DFT D z-1 2 D z-1 2 D z-1 圖3.9 實(shí)信號(hào)、奇型劃分、臨界抽取信道化高效結(jié)構(gòu)各種高效結(jié)構(gòu)的應(yīng)用分析 信道化的高效結(jié)構(gòu)有很多種，需要根據(jù)具體的應(yīng)用背景選擇適宜的結(jié)構(gòu)。 偶型頻帶劃分的高效結(jié)構(gòu)比奇型頻帶

37、劃分的高效結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低，易于硬件實(shí)現(xiàn)，常用于實(shí)現(xiàn)通信基站寬帶接收機(jī)。但在信號(hào)未知的電子戰(zhàn)偵察接收機(jī)中，實(shí)輸入信號(hào)的情況下偶型頻帶劃分的信道0會(huì)輸出實(shí)信號(hào)而非復(fù)信號(hào)，不利用于后端基帶處理如信號(hào)的參數(shù)估計(jì)，故這種情況常采用奇型頻帶劃分的高效結(jié)構(gòu)。復(fù)信號(hào)的高效結(jié)構(gòu)比實(shí)信號(hào)的高效結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低，但實(shí)際運(yùn)用中多采用實(shí)信號(hào)的信道化模型，復(fù)信號(hào)的信道化模型一般用在算法分析中。3.5本章小結(jié)本章主要討論了信道化數(shù)字接收機(jī)的高效結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，并分析了高效結(jié)構(gòu)的運(yùn)算復(fù)雜度。在高效結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)上，本文采用一種具有普遍性的推導(dǎo)方法，由此得到不同的信號(hào)頻帶劃分方式下的多種高效結(jié)構(gòu)。第4章數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)的M

38、ATLAB仿真 本章主要是對(duì)數(shù)字信道化接收機(jī)的高效結(jié)構(gòu)進(jìn)行MATLAB仿真，以證明第三章所述高效結(jié)構(gòu)的正確性和可實(shí)現(xiàn)性。 數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就在于具有多信號(hào)同時(shí)處理和全概率信號(hào)截獲的能力。采用數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的接收機(jī)，可以最大程度運(yùn)用各種優(yōu)化方法，有效簡化接收設(shè)備。本文采用圖3.9的高效結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)8信道并行處理接收機(jī)。4.1MATLAB的仿真條件輸入信號(hào)的選取本設(shè)計(jì)采用的輸入信號(hào)為8個(gè)實(shí)信號(hào)的疊加，具體的設(shè)置情況如表4.1所示。采樣頻率=960Mz；樣本點(diǎn)數(shù)8000；D8；信道帶寬 B=60MHz；阻帶衰減。 表4.1 8個(gè)同時(shí)到達(dá)信號(hào)的時(shí)域特征MHz 信道編號(hào) 信號(hào)類型 中心

39、頻率 帶寬 0 正弦波 453 0 1 正弦波 331 0 2 LFM 210 20 3 正弦波 32 0 4 正弦波 92 0 5 LFM 150 20 6 正弦波 271 0 7 正弦波 393 0原型低通濾波器的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中，信道寬度為，要求原型濾波器的阻帶截止頻率為即30MHz以防止抽取引起頻譜混疊。用MATLAB中firpmord的函數(shù)可以求出采用最正確逼近最大最小準(zhǔn)那么算法所需的原型濾波器階數(shù)N，并根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)firpm函數(shù)就可以求出濾波器的頻率響應(yīng)或沖激響應(yīng)。 = firpmord = firpmord(30 60,1 0,0.001 0.001,960) = firpm

40、其中，30 60表示通帶截止頻率為30，阻帶截止頻率為60； 0.001 0.001表示通帶波動(dòng)，阻帶衰減。所求得的原型濾波器階數(shù)N=111，濾波器的時(shí)域和頻域特性如圖4.1所示。 原型濾波器的脈沖響應(yīng) 原型濾波器的頻率響應(yīng) 原型濾波器零極點(diǎn)圖 圖4.1顯示濾波器有111個(gè)極點(diǎn)，故知該濾波器的階數(shù)為111,具體數(shù)值如圖4.1所示。 原型濾波器沖激響應(yīng)的數(shù)值 圖4.1 所設(shè)計(jì)原型濾波器的特征4.2Simulink的各仿真模塊簡介 本課題驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)的正確與否，選用的是通過MATLAB中的Simulink建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真。數(shù)學(xué)模型主要包括如下模塊：輸入信號(hào)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊

41、、延遲模塊、抽取模塊、數(shù)字濾波模塊、混頻模塊、DFTFFT變換模塊等。A/D轉(zhuǎn)換模塊在節(jié)我們已經(jīng)討論了A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的作用就是通過采樣、量化等步驟將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便后續(xù)信號(hào)的處理。1、A/D轉(zhuǎn)換模塊 圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊在這里簡單的選取一個(gè)正弦信號(hào)和一個(gè)線性調(diào)頻LFM信號(hào)作為輸入，來觀察A/D轉(zhuǎn)換前后信號(hào)的變化。另外在這里重點(diǎn)引出Mux和Demux兩種模塊。Mux模塊的根本思想就是將多路信號(hào)集成一束，這一束信號(hào)在模型中傳遞和處理中都看做是一個(gè)整體Mux實(shí)際上代表多路信號(hào)。與Mux Block配套的是Demux Block，它將各路信號(hào)相互別離以便能對(duì)各信

42、號(hào)進(jìn)行單獨(dú)處理。在后面做FFT變換時(shí)要重點(diǎn)用到，從而實(shí)現(xiàn)并行的FFT變換。2、A/D轉(zhuǎn)換前后波形在圖4,3中紅色代表正弦輸入信號(hào)，藍(lán)色代表線性調(diào)頻LFM輸入信號(hào)，由圖可知A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的采樣處理，產(chǎn)生系統(tǒng)能處理的數(shù)字信號(hào)。 A/D采樣前波形 A/D采樣后波形 圖4.3 A/D采樣前后信號(hào)波形輸入信號(hào)的模塊及其特征1、輸入信號(hào)特征顯示模塊輸入信號(hào)模塊如下圖4.4所示。 圖4.4 輸入疊加信號(hào)模塊 為了便于觀察所選取的輸入信號(hào)為正弦信號(hào)和線性調(diào)頻LFM兩大類信號(hào)，這里用這兩大類的8個(gè)在頻率上具有典型代表的信號(hào)的混合疊加作為信號(hào)輸入，具體的參數(shù)見表格4.1所示。這里選用Add模塊來完成多個(gè)

43、輸入信號(hào)的混合疊加，也可以選擇Sum模塊，但是不能采用Mux模塊，注意Add模塊與Mux模塊的區(qū)別。 正弦信號(hào)模塊內(nèi)含有抽樣的設(shè)置，通過設(shè)置抽樣時(shí)間即可完成抽樣操作，故不需要再額外加A/D轉(zhuǎn)換器；而線性調(diào)頻信號(hào)模塊輸出為模擬信號(hào)，因此需要對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)。 前面以及這里用到了Scope模塊，Scope模塊是用來顯示信號(hào)的波形。而這里又用到了Spectrum Scope模塊，其主要是用來分析信號(hào)的頻譜，在FFT后要重點(diǎn)用到Spectrum Scope模塊，完成最終輸出信號(hào)頻譜的分析。 圖4.5 Spectrum Scope模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 進(jìn)行頻譜分析有多種方法，這里用Spec

44、trum Scope模塊進(jìn)行譜分析，使用Spectrum Scope模塊應(yīng)該注意幾點(diǎn)：不能用連續(xù)信號(hào)源；不能用普通觀察窗；必須勾上設(shè)置中的Buffer input，Buffer size 越大越精細(xì)，具體參考圖4.5。2、輸入信號(hào)特征 輸入疊加信號(hào)波形 輸入疊加信號(hào)頻譜 圖4.6 輸入疊加信號(hào)的特征正弦信號(hào)的頻譜為其頻率點(diǎn)上的脈沖，該設(shè)計(jì)所選用線性調(diào)頻信號(hào)的帶寬取為20MHz。由圖可見，實(shí)際信號(hào)的頻譜與理論頻譜根本上吻合。信號(hào)抽取模塊降低抽樣率以去掉過多數(shù)據(jù)的過程稱為信號(hào)的抽取。抽取的相關(guān)知識(shí)在和作過詳細(xì)討論。1、信號(hào)抽取模塊實(shí)信號(hào)濾波器組的低通實(shí)現(xiàn)中輸入信號(hào)是直接通過濾波器，這樣計(jì)算量非常大

45、，對(duì)后續(xù)信號(hào)的處理極其困難，而且還需8個(gè)同樣的濾波器。而信道化的高效結(jié)構(gòu)抽取后再濾波數(shù)據(jù)，可以大大降低運(yùn)算量。高效結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是將輸入信號(hào)所含的信息分到假設(shè)干信道，這里劃分為8個(gè)信道，采用零界抽取即抽取等于信道數(shù)目。信號(hào)抽取模塊如圖4.7所示。 圖4.7 信號(hào)抽取模塊2、抽取后信號(hào)特征 抽取后信號(hào)的波形 抽取后信號(hào)的頻譜 圖4.8 抽取后信號(hào)的特征濾波器組模塊1、直接用參數(shù)設(shè)計(jì)濾波器一般情況下，濾波器可以通過直接在對(duì)話框中設(shè)置濾波器的屬性，如通阻帶截止頻率、通阻帶衰減、采樣頻率來設(shè)計(jì)所需濾波器。下面給出實(shí)際信號(hào)濾波驗(yàn)證模塊。 圖4.9 所設(shè)計(jì)濾波器是否滿足要求驗(yàn)證模塊 圖4.10 濾波器輸出信

46、號(hào)頻譜 濾波器通帶截止頻率30MHz，阻帶截止頻率60MHz；輸入信號(hào)分別為10MHz、40MHz、150MHz、200MHz、300MHz、400MHz。由圖4.6可見，輸出只有兩個(gè)信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)要求。2、從MATLABworkspace中導(dǎo)入濾波器濾波器設(shè)計(jì)是數(shù)學(xué)模型中的核心模塊，該設(shè)計(jì)所需的8個(gè)濾波器是對(duì)原型濾波器的抽取，由于這樣特殊要求，這里采用MATLAB語言來設(shè)計(jì)原型濾波器，進(jìn)而將相應(yīng)濾波器系數(shù)分別導(dǎo)入8個(gè)濾波器。 圖4.11 抽取濾波仿真模塊 信道0濾波前信號(hào)波形 信道0濾波前信號(hào)波形 圖4.12 信道0濾波前信號(hào)波形高效信道化濾波器組的8個(gè)濾波器是對(duì)原型濾波器的延遲抽取，具體實(shí)

47、現(xiàn)過程如下：首先設(shè)計(jì)該原型濾波器，主要是由firpmord和firpm函數(shù)來確定，firpmord函數(shù)確定濾波器的階數(shù)N，然后再由firp函數(shù)確定濾波器的沖激響應(yīng)。再由函數(shù)reshape將數(shù)值組成的一維向量重塑成行數(shù)為8的矩陣，如圖4.13所示，其中行=1,2，8代表第個(gè)信道的濾波器的沖激響應(yīng)系數(shù)。最后用fvtool函數(shù)來顯示所設(shè)計(jì)的濾波器可視化界面,再選用Digital Filter Design模塊，對(duì)8個(gè)信道的濾波器進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而建立起程序與模塊間的聯(lián)系，從而完成個(gè)信道濾波器的設(shè)計(jì)。 圖4.13 原型濾波器系數(shù)的重塑矩陣B混頻模塊由第三章高效結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)公式可知，各信道在濾波之前要與進(jìn)行混

48、頻處理。因?yàn)樵诨祛l中，與原信號(hào)進(jìn)行混頻的震蕩信號(hào)也是與時(shí)間有關(guān)的信號(hào)，所以比擬難處理，而這里由于的特殊性，即是一個(gè)周期序列1,i,-1,-i，應(yīng)選用了Repeating Sequence Stair模塊。其次，一定要注意Repeating Sequence Stair模塊抽樣時(shí)間的設(shè)定，由于Repeating Sequence Stair模塊位于抽取之后，所以其采用頻率減少到原來的1/8。在后面2倍抽取之后也要注意類似的問題。1、混頻模塊 圖4.14 與重復(fù)序列混頻模塊 2、混頻前后頻譜 混頻前頻譜 混頻后頻譜 圖4.15 混頻前后頻譜FFT變換模塊由第三章高效結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)公式可知最后的輸出是對(duì)

49、同一時(shí)刻8個(gè)信道的信號(hào)進(jìn)行DFT變換，而DFT變換可以采用FFT來快速實(shí)現(xiàn)。 顯示FFT后的輸出信號(hào)波形這里由Scope模塊顯示波形，SpectrumScope模塊顯示頻譜，顯示的波形或頻譜都是一維的。FFT模塊是用來計(jì)算MN或長為M的輸入的輸入矩陣的快速傅里葉變換FFT，這里M必須是2的整數(shù)次冪，輸出結(jié)果總是復(fù)數(shù)值。 顯示FFT后的輸出信號(hào)頻譜 圖4.16 顯示FFT后的輸出信號(hào)特征基于上面的考慮，在FFT模塊前需要添加Mux模塊將多個(gè)輸入信號(hào)并行輸入，而在FFT模塊后還需要添加Complex To Real-Image模塊，將輸出以實(shí)部或虛部的形式顯示出來。4.3仿真的結(jié)果及其分析Simu

50、link的總體數(shù)學(xué)模型第三章推導(dǎo)了數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，這里采用圖3.9所示的實(shí)信號(hào)信道化高效結(jié)構(gòu)，仿真模型主要包括如下模塊：輸入信號(hào)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、延遲抽取模塊、混頻濾波模塊、DFTFFT變換模塊以及波形頻譜顯示模塊等。輸入信號(hào)模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊主要是產(chǎn)生不同頻率的數(shù)字信號(hào)，便于對(duì)最終輸出結(jié)果觀察判斷；延遲抽取模塊完成對(duì)數(shù)字信號(hào)的抽取，將輸入信號(hào)的所含的全部信息分配到各個(gè)信道分別處理，降低后續(xù)對(duì)處理速度的要求；混頻濾波主要是濾除每個(gè)信道的冗余信息，保存各自相應(yīng)頻帶內(nèi)的信息；FFT完成對(duì)8個(gè)信道同一時(shí)刻到達(dá)的數(shù)值進(jìn)行8點(diǎn)快速傅里葉變換；波形、頻譜顯示模塊用來顯示最終輸出信號(hào)的波

51、形和頻譜，以便于與輸入進(jìn)行比照。最后得到的Simulink總體數(shù)學(xué)模型如圖4.17所示。 前半局部信道化高效結(jié)構(gòu)總體仿真模型 后半局部信道化高效結(jié)構(gòu)總體仿真模型 圖4.17 信道化高效結(jié)構(gòu)總體仿真模型最終輸出信號(hào)特征 實(shí)信號(hào)的8路信道化輸出波形從上面的圖中可以觀察出：ch0和ch7是頻率為3MHz正弦信號(hào)，ch1和ch6是頻率為1MHz正弦信號(hào)，ch3和ch4是頻率為2MHz正弦信號(hào)，ch2和ch5是線性調(diào)頻信號(hào)。 實(shí)信號(hào)的8路信道化輸出信號(hào)頻譜 圖4.18 實(shí)信號(hào)的8路信道化輸出信號(hào)特征為了方便觀察系統(tǒng)性能，在上圖中同時(shí)畫出了8個(gè)信道(從上到下依次為的實(shí)際輸出信號(hào)頻譜。channel0、ch

52、annel1、channel3、channel4、channel6及channel7的頻譜是兩個(gè)都接近脈沖的值，而channel2和channel5是帶寬約為20MHz的頻譜。輸出結(jié)果的分析本設(shè)計(jì)實(shí)信號(hào)濾波器組信道頻帶劃分采用圖3.3排列方式。由于實(shí)信號(hào)的頻譜具有共軛對(duì)稱的特性，可以將負(fù)半軸的頻帶對(duì)稱到實(shí)半軸，為了便于比擬，這里畫出了該設(shè)計(jì)信道的頻帶劃分，如圖4.19所示。 4 3 5 2 6 1 7 0 圖4.19 實(shí)信號(hào)濾波器組信道的頻帶劃分 對(duì)照?qǐng)D4.19的信道劃分結(jié)構(gòu)，不同頻率的輸入信號(hào)經(jīng)混頻，最后輸出落到相應(yīng)的信道，可見該高效結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果是與實(shí)際信道劃分結(jié)構(gòu)根本吻合。由此，驗(yàn)證了信

53、道化高效結(jié)構(gòu)的正確性。4.4MATLAB仿真遇到的問題及解決方法設(shè)計(jì)Simulink總體模型遇到的瓶頸問題一：如何將多個(gè)信號(hào)混合成一束加到輸入端，實(shí)現(xiàn)這一功能需要哪個(gè)模塊？ 該問題的實(shí)質(zhì)關(guān)鍵是對(duì)多個(gè)信號(hào)在信道上傳輸?shù)睦斫?，多個(gè)信號(hào)在信道上傳輸時(shí)，它們之間相互影響而不是各自獨(dú)立地傳輸。 圖4.20 用Mux模塊并行輸入時(shí)輸入信號(hào)頻譜 開始對(duì)這一問題理解停留在理論上，事先又在書上看到Mux可以完成多個(gè)并行輸入應(yīng)選用了Mux來完成信號(hào)疊加，但是結(jié)果未出現(xiàn)理論預(yù)期現(xiàn)象。中間各環(huán)節(jié)波形如圖4.21所示，最后輸出的信號(hào)波形如圖4.22所示，結(jié)果都顯示信號(hào)并沒有別離到各個(gè)信道，而是每個(gè)信道都是混合在一起。

54、圖4.21 用Mux模塊并行輸入時(shí)中間各環(huán)節(jié)的波形 為了探究原因又單獨(dú)仿真了輸入信號(hào)的頻譜，如圖4.20所示，圖中顯示8個(gè)信號(hào)是獨(dú)立存在的，注意與圖4.6的區(qū)別。這主要是對(duì)Mux模塊認(rèn)識(shí)不深造成的，Mux模塊是將多個(gè)信號(hào)集為一束，而實(shí)際上多個(gè)信號(hào)是獨(dú)立在信道中傳輸?shù)?。后來改為Add模塊或Sum模塊,來疊加多個(gè)輸入信號(hào)，產(chǎn)生預(yù)期效果。 圖4.22 用Mux模塊并行輸入時(shí)輸出信號(hào)的波形問題二：如何設(shè)計(jì)由原型濾波器經(jīng)抽取而得到的8個(gè)信道數(shù)字濾波器？一般的可以直接在濾波器設(shè)計(jì)模塊中設(shè)置濾波器的相關(guān)參數(shù)得到，如通阻帶截止頻率、通帶波動(dòng)和阻帶衰減等。這里由于8個(gè)濾波器是對(duì)原濾波器沖激響應(yīng)抽取得到，所以可以

55、采用MATLAB語言編寫原型濾波器的程序，然后將原濾波器沖激響應(yīng)的相應(yīng)系數(shù)導(dǎo)入8個(gè)濾波器，這一點(diǎn)正是基于函數(shù)fvtool與Digital Filter Design模塊之間的鏈接。問題三：如何實(shí)現(xiàn)8個(gè)并行輸入的8點(diǎn)FFT變換？這個(gè)問題之所以棘手主要是模塊庫中FFT模塊只有一個(gè)輸入端即串行FFT模塊，而這里要實(shí)現(xiàn)并行FFT變換。最后想到了用Mux模塊來實(shí)現(xiàn)8點(diǎn)同時(shí)到達(dá)輸入信號(hào)的FFT變換。仿真過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤與修正在仿真的過程中會(huì)出現(xiàn)多種細(xì)節(jié)方面的錯(cuò)誤，這里簡單列舉兩個(gè)常見錯(cuò)誤。錯(cuò)誤一：Buffer輸入需滿足條件的提示，如圖4.23。 圖4.23 錯(cuò)誤提示一原因分析：Spectrum Scope

56、模塊顯示頻譜的輸入必須是離散的，這里主要是由于兩次抽取后，后續(xù)采樣率發(fā)生變化，需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。Repeating Sequence Stair模塊采樣率為原采樣率1/8，F(xiàn)FT前得混頻為原采樣率的1/16。錯(cuò)誤二:Buffer內(nèi)置參數(shù)的設(shè)置，提示如圖4.24。 圖4.24 錯(cuò)誤提示二Buffer的內(nèi)置參數(shù)要合理地設(shè)置，輸出頻譜才能到達(dá)理想的效果，否那么甚至沒有頻譜出現(xiàn)。Buffer size表示緩存長度，Buffer overlap表示緩存交疊，Buffer size越大越精細(xì)，Buffer size要大于Buffer overlap。圖4.24是Buffer size等于Buffer o

57、verlap時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤提示信息。4.5本章小結(jié) 本章主要是用MATLAB對(duì)第三章所推導(dǎo)的信道化高效結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的信道化高效結(jié)構(gòu)的正確性。第5章數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)的FPGA的實(shí)現(xiàn) 在第三章那么我們經(jīng)過推導(dǎo)得到了圖3.9所示的信道化高效結(jié)構(gòu)，且在第四章用MATLAB驗(yàn)證了該信道化高效結(jié)構(gòu)的正確性，這里將對(duì)8信道并行處理數(shù)字接收機(jī)進(jìn)行FPGA仿真，以證明其可實(shí)現(xiàn)性。5.1FPGA的設(shè)計(jì)原那么可編程邏輯設(shè)計(jì)有許多內(nèi)在規(guī)律可循，在此不可能面面俱到，這里只總結(jié)了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要考慮的四個(gè)根本原那么，下面分別介紹。1、面積和速度的平衡與互換原那么該原那么貫穿于整個(gè)FPGA程序設(shè)計(jì)。

58、我們將一個(gè)設(shè)計(jì)所消耗FPGA邏輯資源數(shù)量稱為“面積Area，通?？梢杂盟牡挠|發(fā)器FF和查找表LUT來衡量，或者用設(shè)計(jì)所占的等價(jià)邏輯門來衡量。“速度Speed是指設(shè)計(jì)在芯片上穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所能夠到達(dá)的最高頻率，這個(gè)頻率由設(shè)計(jì)的時(shí)序狀況決定，與設(shè)計(jì)滿足的時(shí)鐘周期、Clock Setup Time、Clock Hold Time和延時(shí)等眾多時(shí)序特征量密切相關(guān)。面積和速度是一對(duì)對(duì)立統(tǒng)一的矛盾體?？茖W(xué)的設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)該是在滿足設(shè)計(jì)時(shí)序要求包括對(duì)設(shè)計(jì)最高頻率的要求的前提下，占用最小的芯片面積，或者在所規(guī)定的面積下，使設(shè)計(jì)的時(shí)序余量更大，頻率更高。當(dāng)兩者沖突時(shí)，采用速度優(yōu)先的準(zhǔn)那么。從理論上講，一個(gè)設(shè)計(jì)如果時(shí)序

59、余量較大，那么就能通過功能模塊復(fù)用減少整個(gè)設(shè)計(jì)消耗的芯片面積，這就是用速度的優(yōu)勢(shì)換面積的節(jié)約；反之，如果一個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)序要求很高，那么可以通過將數(shù)據(jù)流并串轉(zhuǎn)換，并行復(fù)制多個(gè)操作模塊，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)采用“串并轉(zhuǎn)換的思想進(jìn)行處理，在芯片輸出模塊處再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行“并串轉(zhuǎn)換，這就是用面積復(fù)制換取速度的提高。2、硬件原那么 硬件原那么主要是針對(duì)HDL代碼編寫而言。以Verilog為例，Verilog是采用C語言形式的硬件的抽象，它的最終實(shí)現(xiàn)結(jié)果是芯片內(nèi)部的實(shí)際電路。所以評(píng)判一段HDL代碼的優(yōu)劣的最終標(biāo)準(zhǔn)是其描述并實(shí)現(xiàn)的硬件電路的性能，包括面積和速度兩個(gè)方面。硬件原那么的另外一個(gè)重要理解是“并行和“串行的概率。硬

60、件系統(tǒng)比軟件系統(tǒng)速度快的一個(gè)重要原因就是，硬件系統(tǒng)中各個(gè)單元的運(yùn)算是獨(dú)立的，信號(hào)流是并行的。所以，應(yīng)該充分理解硬件系統(tǒng)的并行處理特點(diǎn)，合理安排數(shù)據(jù)流的時(shí)序，提高整個(gè)設(shè)計(jì)的效率。3、系統(tǒng)原那么系統(tǒng)原那么要求設(shè)計(jì)對(duì)宏觀全局合理安排，比方模塊復(fù)用、約束、速度和面積等等問題，根據(jù)設(shè)計(jì)類型與資源評(píng)估合理地完成器件選型，然后充分發(fā)揮所選器件的各個(gè)局部的最大性能，對(duì)器件整體上有個(gè)優(yōu)化的組合與配置方案。這里有一點(diǎn)必須指出，善用芯片內(nèi)部的PLL或者DLL資源完成時(shí)鐘的分頻、倍頻、移相等操作不僅簡化了設(shè)計(jì)，并且能有效地提高系統(tǒng)的精度和工作穩(wěn)定性。另外，對(duì)設(shè)計(jì)整體意義上的模塊復(fù)用應(yīng)該在系統(tǒng)功能定義后就初步考慮，并對(duì)