（信号与信息处理专业论文）信道化数字接收机技术的研究.pdf

摘要 摘要 软件无线电的基本恩想是将宽带a d 及d a 尽可能靠近天线，将冤线电台的 各秘功能在一个开放性、模块证的通_ l 硬件平台土尽可能多的矮软彳串来实现。基 于软件无线电思想的信道化数字接收机是一种即可用程通信领域也可用在军事领 域的电子设备，具有大带宽、数字化、软件化、大动态范围、全概率接收、多信 号同时处理等优点。 本文主要硒究了铸道证数字接收枫瓣高效结构，讨论了具体实现方案并进行 了仿真验证。首先介绍了数字接收机的基本理论：采样技术、多速率信号处理和数 字下变频。在此基础上深入研究了基于多相d f t 滤波器组的数字信道化高效结构， 推导并建立了实信号储道化数字接收机的多种数学模型。从结构有效性和运算复 杂凌对各种模型进行分糖窝魄较，著通过8 信道并毒亍处理接收枫的m a t l a i 仿真和 f p g a 实琥验证了模型的正确性和可实现健。文中重点讨论了信道化数字接收祝在 电予侦察中的应用，提出了基于数字信道化高效结构的4 信道重建系统方案和8 信道i f m 接收机方案，并通过系统仿真论证了方案的正确性。 关键诃：软件无线电；信道化数字接收机；数字下变频；多相d f t 滤波器组；信 号重建：i f m a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb a s i si d e ao fs o f t w a r er a d i o ( s r 0 1i st op l a c et h ea da n dd ac l o s eu pt 1 1 e a n t e n n aa sp o s s i b l ea sa n du s es o f t w a r et or e a l i z ea l lt h ef u n c t i o no fa n yr a d i ob a s e do n a i lo p e n i n ga n db l o c k i n gc u r r e n c yh a r d w a r ep l a t f o r m t h ec h a m a e l i z e dd i g i t a lr e c e i v e r b a s e do ns r di st h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t w h i c hc a nb eu s e di nc o m m u n i c a t i o na n d m i l i t a r ya f f a i r s ，b e c a u s eo fi t se x c e l l e n c eo nw i d eb a n df r e q u e n c yc o v e r a g e ，d i g i t a l p r o c e s s i n g ，s o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，h i g hd y n a m i cr a n g e ，r e c e i v i n gs i g n a l w i t ha l l p r o b a b i l i t y , s i m u l t a n e o u ss i g n a ld e t e c t i o na n ds oo n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w em a i n l ys t u d yt h ee f f i c i e n ta r c h i t e c t u r eo fc h a n n e l i z e dd i 出a l r e c e i v e r , d i s c u s st h ep a r t i c u l a rr e a l i z a t i o na p p r o a c h e s ，t h e nt e s t i f yt h e mw i t hs i m u l a t i o n a b o v ea l l ，t h eb a s i ct h e o r yo fd i g i t a lr e c e i v e r , s u c ha st h et e c t m i q u eo fs a m p l e ，m u l t i r a t e s i g n a lp r o c e s s i n g ，d i g i t a ld o w nc o n v e r t e li si n t r o d u c e d b a s e do nu p p e rs t u d yd e e p l y t h ee f f i c i e n td i g i t a lc h a n n e l i z e da r c h i t e c t u r e sb a s e dd f tp o l y p h a s ef i l t e rb a n k st o d e d u c ea n de s t a b l i s hs e v e r a lk i n d sc h a n n e l i z e dd i g i t a lr e c e i v e rm a t h e m a t i cm o d e l sf o r r e a ls i g n a l n o to n l yw ea n a l y z et h e s ea r c h i t e c t u r e s e f f i c i e n c ya n dc o m p u t i n g c o m p l e x i t y ，b u ta l s oc o m p l e t et h e8 - b a n dp a r a l l e lp r o c e s s i n gr e c e i v e r sc o m p u t e r s i m u l a t i o na n df p g ar e a l i z a t i o nt ot e s t i f yt h ea r c h i t e c t u r e sa r ec o r r e c ta n dh a r d w a r e r e a l i z a b l e t l l i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e sp r i m a r i l yt h ec h a n n e l i z e dr e c e i v e r sa p p l i c a t i o n i ne l e c t r o n i cr e c o n n a i s s a n c e ，a n dp u t sf o r w a r dap r o j e c to ft h ew i d e b a n ds i g n a l r e c o n s t r u c t i o ns y s t e mi n c l u d i n g4 - b a n de f f i c i e n tc h a n n e l i z e dr e c e i v e r sa n dap r o j e c t w h i c hi s8 - b a n de f f i c i e n td i g i t a lc h a n n e l i z e di f mr e c e i v e r ，t h e nt e s t i f i e st h e mw i t h s i m u l a t i o n k e y w o r d ：s o f t w a r er a d i o ，c h a n n e l i z e dd i g i t a lr e c e i v e r , d d c ，d f tp o l y p h a s ef i l t e r b a n k s ，s i g n a lr e c o n s t r u c t i o n ，i f m 独创性声明 本人声暖所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别烟以标注和致谢翡逑 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学成其它教育机构的学位或 j e 书丽使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贾献均已在论文中作了明 确的说馥著表示谢意。 签名：叠啦 日期： z 。口占年岁月7 日 关于论文使用授权的说暖 本学位论文 乍者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分怒容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 搦攒等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 拯越 导师签名： j 蟊麓：必护箩 第一章绪论 第一章绪论 1 1 软件无线电的由来和应用 无线电通信在现代社会中占有举足轻重的地位，它渗透到人类生活的各个方 面，无论在军事领域还是在民用领域都得到了广泛的应用。近二十年来，随着微 电子技术、计算机技术、v l s i 技术和软件技术的飞速发展，无线电通信经历了从 模拟通信到数字通信、从固定通信到移动通信的飞跃。原先以硬件为主的无线电 通信体系结构，越来越难以适应日新月异的通信发展局面，于是软件无线电 f s o f t w a r er a d i o ) 应运而生，并受到愈来愈广泛的重视。 1 9 9 2 年，j m i t o l a 在美国国家远程会议上首次提出了软件无线电的概念。其 中心思想是：构造一个开放的、标准化和模块化的通用硬件平台，使宽带d 和 d a 尽可能地靠近天线，以便研制出高度灵活和开放的新一代无线电通信系统。 由于软件无线电的各种功能是用软件实现的，因而它是一种以软件为主的崭新的 无线电通信体系结构【1 j 【2 j 【= i j o 软件无线电突破了传统无线电台功能单一、可扩展性差和以硬件为核心的设 计局限，强调以开放的最简单硬件为通用平台，尽可能地用可升级、可重新配置 的应用软件来实现各种无线电功能。全新的设计思想与体系结构使其具有灵活性、 适应性和开放性等特点，被喻为无线电领域的又一次革命。所以一被提出，就迅 速成为无线电通信技术领域的一个研究热点，引起了广泛的关注和浓厚的研究兴 趣，取得了引人注目的进展。2 0 世纪9 0 年代中，欧美发达国家即开始了对软件无 线电系统的研发工作，我国也已将其列入国家8 6 3 高科技发展计划。目前软件无线 电技术广泛应用于移动通信和军事领域，越来越多的研发结构投入了大量的人力、 物力积极开展这方面的技术研究，从而使得其得到快速发展。 通信领域软件无线电的成功应用为电子侦察系统的发展提供了一种理想的模 式一软件化电子侦察接收机。所谓软件化电子侦察接收机是指基于软件无线电原 理，用可编程器件对目标信号进行数字接收、分析识别、特征提取和参数测量， 通过更改运行于可编程器上的软件，对侦察信号能够进行进一步分析处理的电子 战侦察分析接收机。虽然软件无线电的概念最早是从通信领域产生并迅速发展起 电子科技大学硕士学位论文 来，但是软件无线电这种新概念，新思想及其逐步形成的新理论、新技术在电子 战中也有广阔的应用前景4 1 5 1l 1 1 。 1 2 数字接收机的发展历程 信号失真是长期困扰模拟信号处理的难题，如本振频率漂移、相位噪声、混 频产生虚假信号、放大时产生谐波以及互调、机内噪声等问题。而采用数字技术 可以简单有效地解决这些问题，因为在数字化之后，本振、混频、放大、滤波都 仅仅是数字运算而已。 数字接收机是将输入信号直接进行a d 变换、数字下变频( d d c ) 、数据存 储，再进行数字信号处理的接收机。与模拟接收机相比，它具有三个优点：一、 不存在模拟电路中的温度飘移、增益变化或直流电平漂移等现象，具有很好的稳 定性，因而不需要采用过多的校正技术。二、结果能够长期保存，信息损失小， 因此能够多次处理数字化的数据，并从中提取所需要的信息。三、后续数字信号 处理的算法灵活多样，有非常好的测量效果。 数字接收机的发展大致分为三个阶段1 4 j 【5 j ： 第一阶段是基于基带数字化处理的方法，单信号的频率和相位等精细信息丢 失，仍需与其他模拟接收机同时协调工作。 第二阶段，随着a d c 和d s p 的飞速发展，数字化接收在8 0 年代进入了中 频数字处理阶段。在外差式接收机输出中频结果上进行a d 变换，使信号的幅度、 相位等精细信息都被记录储存，便于现代信号处理方法的使用。中频数字化接收 机，采用中频采样后d d c 结构，如图1 1 所示。接收信号经射频前端放大后与本 振混频产生中频信号，对中频信号经a i d 变换，并进行数字正交下变频处理，最 终输出数字基带信号。 ? ；叠。一j 。i 。j r _j5 。：_ i ，；一： 蠢誊薹。毒黼藕耍垂殛皿醯 虹堑垂 剖：o：曩叠叠囊。番誉 一- 篡誓? j l 甥净瓤亟鎏孽_ i ；： 回； 黪囊囊曩e ：群再；囊翟j l 囊 一、“- i 曩警：? 圳薯：纠n _ ；童。i ，一j 。莹 j ：_ ：_ ，：7 ，_ 。t 图l - l中频数字化接收机结构 第一章绪论 这种接收机模型存在以下问题：( 1 ) 属于单通道接收机，不具备多信号同时处 理能力。( 2 ) 同模拟超外差接收机一样需要用一个搜索或监视接收机的专用设备对 整个频段进行搜索监视，以确定在哪个信道上出现了信号。很明显，如果用作搜 索或监视的接收机搜索程度不足够快，就会遗漏或丢失信号从而产生漏警。这种 现象就是所谓的无法进行全概率信号截获。 第三阶段的发展方向，总的说来是结合新出现的高速数字信号处理器件，使 用更多成熟的数字信号处理方法，在高速f p g a ，d s p 器件上实现多速率信号处 理，带通信号处理等方法。千兆赫兹a d 变换器的问世，上千m i p s 的d s p 不 断出现，以及通信业中软件无线电系统的成功应用，宽带、数字化、实时信号处 理已经成为电子业界的热点。美国海军实验室的实验系统将瞬时监视带宽提高到 5 0 0 m h z ，采用模拟正交双通道采样，经快速存储后由高速专用i f f t 芯片处理， 在频域内提取信号参数。由于器件原因，该接收机采集处理方式是按照门限开时 窗处理，不能实现实时全概率接收。具有1 g h z 瞬时带宽的宽带数字接收机是目前 研究的热点，以此为基础可以开发出具有更宽瞬时带宽的数字接收机。 1 3 基于软件无线电思想的信道化数字接收机的研究意义 在无线电短波应用中，大量使用的是常规窄带接收机及附带的信号分析设备。 对于接收特殊信号，如跳频、突发等信号，宽带接收机则是更有效的接收设备。通 常的软件无线电接收机虽然具有广泛的波形，信号带宽适应性、软件扩展性强， 但是，同时处理多信号能力弱，同一时刻只能处理一个信号，对多信号的处理只 能采用流水作业的办法分时处理，这对电磁环境越来越复杂的信息化环境是不适 应的。随着抗干扰通信体制的广泛应用，实现全概率信号截获的接收机是非常需 要的，尤其在电子战侦察中。 目前，对于多个信号的同时接收一般都采用模拟滤波器组信道化接收体制， 或者采用多部数字接收机并行工作的方案。但这两种实现途径都具有设备组成复 杂、成本高、可扩展性差等弊端，无法适应不断变化的新需求。而基于软件无线 电思想的多通道宽带数字接收机( 简称信道化数字接收机) ，采用多信道并行处 理的方式增加单台接收机的处理容量，能够降低接收机系统复杂度、提高实时处 理能力、特别提高全宽带全概率截获能力。因此，对它的研究具有非常重大的意 义。 电子科技大学硕士学位论文 本文就是在这样的课题背景下，研究基于软 串无线电愚想的信遂纯数字接牧 机的相关理论，包括信道化高效结构的推鼯、仿真及f p g a 实现，重点芙淀信道 化数字接收机在电子战侦察中的运用，讨论了多信号并行处理、子带信号的准确 重建和信邋化瞬时测频( 1 f m ) 接收枫的设计，黉进一步讨论了接收机后蛹信号处 理的工幸搴，如信号检测、赘，珏提取。 1 4f p g a 在软件无线电设计中的应用 较馋无线龟静硬 孛实现存着众多的选辑。一般来讲，鸯3 耱途径：用予逶用蠢 的的高速可编程数字信号处理器( p r o g r a m m a b l ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , p d s p ) ； 用于特定蔚的莳a s i c ( a p p l i c m i o ns p e c i f i c h t e g r a t e d c i r c u i t ) 芯片：可以由用户编 程的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 芯片。 表1 - 1 三荦串按术方案眈较 舞现方案 功耗硅片面积 费用现场可升级开发工具 高遮d s p非常商中等商撮强多 a s i c中等大高无 多 f p g a低小中等很强多 由表1 - 1 可知，与a s i c 设计比较，f p g a 具有更大的灵活性。其实a s i c 设计是 通过在f p g a 中的模型来测量，当接近要求时再转到a s i c 中测量，这种测艨需要 反复进行。如果设计系统意接使用可重构的f p g a ，不但增加了设计的灵活性还大 大减少了磷发时闻。 目前髓着d s p 技术发展，p d s p 芯片的速瘦不甑提离，蒸硅片面积逐渐缩小， 且其功耗也在降低。尽管如此，对于多个高速信号的处理对d s p 的要求仍然难以 达到。这是由于d s p 程序魑串行执行的，所以即使采用多d s p 并行结构进行负荷 分担，其遽发瞧不会很大稷度鲍提高，并会大大提高系统成本。 f p g a 的出现是超大瓣摸集成电路按术帮计算撬辘助设计技术发展静共同结 果。由于f p g a 是由系列的逻辑阵列块、可配置连线和可配鬣i o 单元组成，因 而其各逻辑阵列块相对独立，能实现各功能块同时工作，而电路设计的并行操作 期滚本线处理能够进一步撬离计算速度。另外随着技术豹发展，f p g a 的配爨性能 也褥到了敬藩。目前f p g a 器件哥支持动态鬣置，即对f p g a 某一部分邀幸亍配置 时，不影响其它部分的正常工作。在实际设计中，可通过使用h d l 语言来进行 f p g a 开发，这里h d l 语言是对行为级和r t l 级进行描述，然后通过e d a 综合 第一章绪论 工其自动转换到门级，产生网褒，再利用e d a 展端设计工具进行程髑布线，参数 提取，焉仿真等步骤，最终究成下载调试。芷因凌f p g a 具有这么多的优点，襞 以被广泛使用于软件无线电体系中雕7 j 【8 l 旧。为了能够使接收梳实现高速实时处理， 以及功能可扩展，本文中信道化数字接收机设计方案采用了f p g a 芯片来实现。 1 5 本文的主要工作和耄节安排 本文研究了信道弛数字接收极的相关技术，包括接投辊数学建模、计算瓿仿 真和f p g a 实现、在电子战侦察中的运用及其后端信号处理方法。文中不仅从理 论上对多种数字信道化接收机结构进行运算量分析，从硬件可实现性角度讨论了 这些结构的优缺点，还将其应用到不同的接收机设计方案中，通过仿真验证了方 案敢正确槛和可雩亍性。 本人主要礤究工作如下： 1 、给出一种信道化高效结构推导方法，由此可以得到多种信道化接收机模型。 2 、对多种接收机模型的运算量进行比较。 3 、对两种实信号的高教倍道化结构进行m a t l a b 仿真和f p g a 实现。 4 、瓣究基于子频繁信譬壤确重建技术的信遂化接收祝的设计。 5 、撬出一秘基于高效豹僖道纯i f m 接收捉实现方案，并进行傍真验证。 根据上述工作，本文内容安排如下： 第二章，介绍了软件无线电中典型的数字接收机模型，阐述了数字接收机的 重要理论：采样理论和多速率数字信号处理，并详细论述了核心技术d d c ( 数字 下变频) 的实现方法。 第三章，撵导帮建立了蒸子多穗d f t 滤波嚣缀豹信道纯数字接浚规的多静数 学模型，并对这些模型避行了运算量分析和应用分析。 第四章，研究信道化数字接收机高效结构的m a t l a b 仿真和f p g a 实现， 并详细讨论了基于子带信号熏建算法的信道化数字接收机的模型建立、方案设计、 仿寞验诞秘f p g a 实现。 第五耄，提爨并仿真骏话了一种商效的数字稼道亿疆m 接收撬方案。 电子科技大学硕士学位论文 第二章数字接收机的相关理论 软件无线电是一种基于高速、高精度a d c 器件、高速f p g a d s p 芯片，以软 件为核心的崭新的体系结构。基于软件无线电思想的数字接收机除了具有数字接 收机数字化、稳定好的优点外，还具有软件无线电灵活性、适应性和开放性等特 点。 2 1 软件无线电中数字接收机的典型模型 软件无线电数字接收机的设计思想是：将宽带a d 和d a 变换器尽可能靠近 天线，即把a d 和d a 从基带移到中频甚至射频，把接收到的模拟信号尽早数字 化；然后用实时高速f p g a d s p 做a d 后的一系列处理，使无线电系统的各种功 能通过软件进行定义。然而，由于受器件水平的制约，直接对射频采样处理还有 一定难度。在保留软件无线电通用、灵活、开放的特点的前提下，目前普遍采用 了中频数字化方案，图2 1 显示了软件无线电中一个典型的数字接收机模型【2 】。 智能 天线 灵活的 射频 前端 通道化和 抽样速率 转换 图2 - i 软件无线电中数字接收机模型 信号后 端处理 接收机以智能天线为起点，并在信号的中频进行模数转换。采样后的数字信 号需要数字滤波和样本速率转换，将生成调制波形的数字硬件连接到a d c 。处理过 程利用数字信号处理器( d s p ) 、现场可编程门阵列( f p g a ) 或专用集成电路( a s i c ) ， 这些都是用软件来实现的。接收机输出信号需要进一步进行参数识别和调制解调， 由于数字信号的可存储性使信号处理可以非实时进行。 第二章数字接收机的相关理论 2 2 采样定理 软件无线电首先面i 晦的问题就是如何对工作频带内的信号进行数字化。 2 2 1n y q u ；s t 采样定理 对模拟信号进行采样后，所得数字信号的频谱为原信号频谱的周期延拓。如 果原信号x ( f ) 为频率分布限制在( o ，厶) 内的信号，其频谱如图2 - 2 ( a ) 所示，则采样 后数字信号的频谱变成为图2 2 ( b ) 所示。 ( 图中。= 2 万厶) 图2 - 2 采样前后的信号频谱 n y q u i s t 采样定理：设有一个频率带限信号x ( f ) ，其频带限制在( o ，厶) 内，如 果以不小于工= 2 厶的采样速率对x ( ，) 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号 x ( n ) = 工( n i ) ( 其中i = 1 工称之为采样间隔) ，则原信号x ( ，) 将被所得到的采样 值x ( n 1 唯一地确定。 2 2 2 带通采样定理 n y q u i s t 采样定理只讨论了其频谱分布在( 0 ，厶) 上的信号采样问题。如果对频 率分布在频带( ，厶) 的带通信号进行采样，虽然同样可以根据n y q u i s t 采样定理 按上2 厶的采样速率来进行采样，但这样高的采样率会很不经济，而且对后端处 理会带来很大压力。 带通采样定理：设一个频率带限信号x ( f ) ，其频带限制在( 五，厶) 内，如果其 采样速率f 满足： ，2 ( ，l + 厶) “ ( 2 n + 1 ) ( 2 1 ) 式中，”取能满足工2 ( 厶一五) 的最大正整数，则用z 进行等间隔采样所得 到的信号采样值x ( n t , ) 能准确地确定原信号x ( f ) 。 式( 2 1 ) 中用带通信号的中心频率工和频带宽度b 也可表示为： 电子科技大学硕士学位论文 丘2 器浯。， 式中，石= 五专矗，”取能满足工2 b ( b 为频带宽度) 的最大正整数。显 然，当五= 厶2 、b = 厶时，取h = 0 ，式( 2 2 ) 就是n y q u i s t 采样定理，即满 i f ：- z = 2 f 。 母2 3 带通采样前后的信号频谱 值得指出的是，上述带通采样定理适用的前提条件是：只允许在其中的一个 频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在，否则将会引起频谱混叠。 2 3 数字接收机的理论基础多速率数字信号处理 目前的中频数字接收机，采用带通采样定理，大大降低了所需的采样速率。 但是从对软件无线电的要求来看，带通采样的带宽应该越宽越好，这样对不同信 号会有更好的适应性，并且采样速率取太低，对提高采样量化的信噪比是不利的。 所以在可能的情况下，带通采样速率应尽可能选得高一些，使瞬时带宽尽可能宽。 但是随着采样速率得提高带来的另外一个问题就是采样后的数据流速率很 高，导致后续的信号处理速度跟不上，所以有必要对a d d 后的数据流进行降速处 理。多速率信号处理技术为这种降速处理的使用提供了理论依据，是数字接收机 的理论基础川【2 】【9 【1 0 】。 2 3 1 抽取 整数倍抽取是指把原始采样序列x ( n ) 每隔d 一1 个数据取一个，形成一个采样 率为j - = 工d 的抽取后序列x o ( m ) ，即： b ( m ) = x ( m d ) ( 2 3 ) 采样率降低等同于对数字信号x ( n ) 重新采样，抽取序列x d ( m ) 的傅氏变换： 第二章数字接收机的相关理论 引) 5 去荟z e j ( r o - 2 , 。 n ) d d 1 1 一 ( 2 4 ) 即抽取序列的频谱为原序列频谱经频移和d 倍展宽后的d 个频谱的叠加和。 原来的奈奎斯特间隔( 一丘2 ，正2 ) 变换到( 一，2 ，：2 ) ，若x ( n ) 的频谱己被 限制在( 一2 ，2 ) ，则采样率降低不会引起混叠发生。因此为了避免采样率降 低后的周期性频谱可能引起的混叠，在抽取前x ( ”) 必须经过一个低通滤波器( 滤 波器带宽石d ) 。抽取滤波器与采样率降低器合称抽取器，如图2 4 所示。抽取 器可以大大降低对后处理速度的要求，提高了信号的频域分辨率。 舻，怔互卜乎 图2 - 4 抽取器的结构 2 3 2 内插 整数倍内插就是指在两个原始抽样点之间插入i - 1 个零值 x ( n ) ，则内插后序列x ，( 卅) 为： 。，( ，。) ：jx ( 予) ，( m ：o ，2 ，) l0 ，o t h e r s 若设原始序列为 ( 2 5 ) 内插后输出速率提高i l 倍，= 工i ，内插序列x ，( 埘) 的傅氏变换： x ，( e ”) = x ( e j “1 ) ( 2 - 6 ) 即内插后的信号频谱为原始序列谱经i 倍压缩后得到的谱。为了从x ，( e j 。) 中 恢复原始谱，必须对内插后的信号进行低通滤波( 滤波器带宽为玎i ) 。完整的 内插器，如图2 - 5 所示，可以大大提高了信号的时域分辨率，并且如果使用同样 带宽的带通滤波器代替低通滤波器还能用来提高输出信号的频率。 缈，盯p 午砷w ， 2 3 3 多相滤波结构 图2 - 5 内插器的结构 电子科技大学硕士学位论文 上述内插器和抽取器中，其抗混叠数字滤波均在高采样率条件下进行，这无 疑大大提高了对运算速度的要求，对实时处理是极为不利的。利用多相滤波结构 可以将滤波转移到低采样率一端进行，是软件无线电研究中最有用的理论工具。 2 3 3 1 多相抽取 设h 。( 疗) 是f i r 滤波器，长度为n ，r n = p d 。由图2 - 4 可知，抽取过程的 时域关系可以表示为： 一1 y ( 删) = h 。( t ) x ( m d 一，) ( 2 7 ) i = 0 d l ，一l 令，= i d + k ，则：y ( 卅) = h z e ( i d + k ) x ( ( m f ) d 一女) ( 2 8 ) 定义：p i ( f ) = 向 ( i d + k ) ，x k ( f ) = x ( i d k ) ，贝0 有： d lp ld 一】 y ( ) = p i ( f ) 坼( 埘一f ) = p i ( m ) + ( 州) ( 2 9 ) 女= 0 f ；0k 。0 因此，抽取操作可以分解为d 级并行滤波之和，其中滤波器仇( m ) 是以因子d 对 + k ) 进行抽取而实现的，进而( m ) 也具有类似的解释。图2 6 ( a ) 表示了式 ( 2 - 9 ) 的实现，并且可以等效为图2 6 ( b ) 的转换器结构。 电圈匾占 叫五卜如 图2 - 6c a ) 多相抽取器的般结构 图2 - 6 ( b ) 多相抽取器的转换器结构 2 3 3 2 多相内插 设h l p ( n ) 是f i r 滤波器，长度为n ，且n = p ，。由图2 5 可知，内插过程可 以表示为： n - | y ( m ) = h 。q ) x ，沏一，) ( 2 1 0 ) i = 0 第二章数字接收机的相关理论 ，一lp l 令，= i i + k ，则有：y ( ) = h ( i i + k ) x ( m i l 一) ( 2 1 1 ) k = 0 i = 0 根据式( 2 _ 5 ) 有( m - i i - k ) = k 。埘三嘉尼 因此仅考虑非零项的变量k ，且定义p k ( f ) = l p ( 玎+ k ) ，则有： _ y ( m ) = p 。( o x ( n f ) = z p t ( ，z ) + x ( 一) ( 2 1 2 ) 采用图2 7 ( a ) 所示的结构能够实现( 2 1 2 ) 式，并很容易证明这与图2 - 7 ( b ) 是等价的。 互卜卧 图2 7 ( a ) 多相内插器的一般结构 图2 - 7 ( b ) 多相内插器的转换器结构 2 4 数字接收机的核心技术数字下变频( d d 0 ) 由于数字信号处理器( d s p ) 的处理速度有限，往往难以对a d 采样得到的 高速率数字信号直接进行各种类别的实时处理。为了解决这一矛盾，需要采用数 字下变频( d d c ) 技术，将采样得到的高速率信号变成低速率基带信号，以便进 行下一步的信号处理。数字下变频技术在软件无线电和各类数字化接收机中得到 了广泛应用。 2 4 1 数字混频正交变换 数字混频正交变换是数字下变频经常使用的实现方法，它包括数字混频正交 变换、数字滤波及抽取等。其中数字混频正交变换部分完成频谱搬移到基带工作， 电子科技大学硕士学位论文 抽取可以降低数据率，而数字滤波则用来解决信号抽取后可能发生的混叠问题。 基于数字混频正交变换的数字接收机结构框图如图2 - 8 所示： 8 ( 咋”) d d c r 珥霉堕卜母 n h 】 刊堡些鎏h ! 竺卜 s i n ( w 。n ) n c o | 霄 图2 - 8 基于正交下变频的数字接收机结构 该方法的优点在于：由于两个正交本振序列的形成和相乘都是数字运算的结 果，所以其正交性是完全可以保证的，只要确保运算精度即可。 该方法的缺点在于：对a d 采样的要求比较高，需要在高频进行采样数字化 当采样速率很高时，后续的数字低通滤波会成为瓶颈，特别是当滤波器阶数很高 时；抽取在低通滤波后进行，这意味着有很多经过下变频和低通滤波后的数据没 有被利用，大量运算结果被浪费，运算效率低。 2 4 2 基于多相结构的高效宽带数字下变频 上节中的典型正交下变频方法不适合宽带数字接收的情况。由图2 8 可知下变 频器的工作速率需与a d c 输出速率一致。实现宽带接收需要高采样率a d c ，输 出高数据速率数据。而现有乘法器最高工作速率不超过2 0 0 m h z ，故混频器不能 达到速度要求。 文献【1 l 】提出了一种基于多相结构的高效宽带数字下变频结构，解决了下变频 器工作速率与a i d 输出速率的一致性问题。其基本思路是，将目标监视带如图 2 - 9 划分，每一个子带内对应的下变频序列由于周期与抽取比相等，可以将混频运 算移至抽取后进行。 设对监视信号进行单路采样，采样率为工，监视带宽f 2 ，子带带宽为b 。 子带总数为d 。图中虚线部分为信号频谱，k 代表子带数。预先通过测频对信号所 在子带进行确定，即确定k 的取值，然后通过图2 1 0 的结构对信号进行下变频。 第= = 奄数字接收机的相关理论 图2 ，l o 中，混频系数略，哝，( 孵：e 印一kn ，舻o ，1 d 1 ) ，( 表示图2 9 中的第k 个信道) ，表示混频序列的一个完整周期。 图2 - 9 无重叠信道划分 餐2 o 多撰滤波数字下变频结构 2 4 3 基于多相滤波的数字蘸交变换 设输入信号为：x ( t ) = a ( t ) c o s 2 n f d + 妒( f ) 】 按以下采样频率五对其进行采样： 五= ( 2 4 肼1 + o1 ) ( 辨= 。，l 如) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 褥到豹棒蓐歹为： x ( 辨) = 癌( 国- c 。s 【2 刀粤n + 妒( 胛) 】 ：d ( 。) ，c 。s 【2 万! ! ! 罢；旦”+ 妒( ) 】 ( 2 1 5 ) 嘞( ”) c 。s ( 塑岩翮) 一x 蹿s i n ( 掣鳓 式孛，苫8 ，( h ) = a ( n ) c o s o ( n )x 船( n ) = a ( n ) s i n 烈拎) ，可褥： 电子科技大学硕士学位论文 x ( 2 n ) = x b i ( 2 n ) e o s ( 2 m + 1 ) 册】一x b i ( 2 n ) ( 一1 ) ” x ( 2 h + 1 ) = - - x b q ( 2 n + 1 ) c 。s 【2 m ：- + 一1 牙( 2 月+ 1 ) = x b q ( 2 n ) ( 一1 ) 一 令： 石0 ( n ) = x ( 2 n ) = x ( 2 n ) ( 一1 ) ” ( 2 1 6 ) x ；o ( n ) = x b o ( 2 n + 1 ) = x ( 2 n + 1 ) ( 一1 ) ” ( 2 1 7 ) 即x 0 ( n ) 和x 如( n ) 两个序列分别是同相分量z 。( n ) 和正交分量- x o ( n ) 的2 倍抽 取序列，其实现过程如图2 1 1 所示。 f 一1 1 ” 图2 11 正交变换的多相滤波实现 其中滤波器日，( p 。) ，h o _ ( e 7 。) 用于校正x 0 ( h ) 和x 匆( n ) 的时域延迟，且滤波器 的频率响应应满足： 鬻i ”，且i h o _ ( 枇” ( 2 _ 1 8 ) 延时校正滤波器可以采用以下4 个滤波器中的其中一对( h i 。h q ，或日，：h o _ 2 ) 来实现： 上( 8 ”) = 1 h n ( e ”) = e o h 0 2 ( g 。) = g 。4 h 1 2 ( p 。) = e 。4 ( 2 1 9 ) 实际上，上述4 个滤波器就是内插因子j = 4 时多相滤波内插器的分支滤波器 p t ( 胆) ( k - o ，1 ，2 ，3 ) ，表示为： p i ( n ) = h p ( n l + k ) ( 2 - 2 0 ) 式中， = 0 , 1 ，2 ，( n ，) 一1 ；k = 0 , 1 ，2 ，一1 ：i = 4 该方法特点是通过改变采样频率f 来选择所需接收的信号，并通过多相滤波 得到正交的基带信号。优点在于：基带信号的速率减半，有助于减轻后续抽取滤 第二章数字接收机的相关理论 波嚣静计算受掘；省去了两个正交本振；后续豹数字低遥滤波器阶数较低，实现 起来很简单。缺点是：对采样震荡器要求比较高，必须根据信号的中心频率严格 按n ( 2 1 4 ) 式对信号进行带通采样，采样频率的选择缺乏灵活性。 2 4 4 并行多通道数字接收机 上述下变频接收孛几模型同对只能接收一令信号，蕊无法阍辩接收多令傣号， 即不具备同时多信号处理能力，所以称其为单通道接收机模型。 并行多通道数字接收机是通过多个并联的单通道接收枫来实现的，如圈2 1 2 骈示。图中共有个遂道，可分剐对a d 采样带宽肉的个信号( 由个本振频 率帆，决定) 进行接收处理。这种并行多通道结构组成原理简单，易于理 解，实现也容易。 圈2 ，1 2 并 亍多通道软件无线电接收机模型 电子科技大学硕士学位论文 第三章信道化数字接收机建模 第二章中讨论的数字接收机模型无论是单通道接收还是用几个单通道接收机 并联组成的多通道接收机都属于引导式数字接收机。这些接收机存在的主要问题 是，必须首先确知哪个信道上有信号。在非合作接收条件下，就需要用测频或搜 索设备对整个频带进行搜索，以确定信号出现在那个信道上，从而将单通道或多 通道接收机的数字本振调谐到对应的信道上。 这种接收机用于信号未知的电子战侦察中，会存在以下问题： 1 、无法进行全概率信号截获，尤其是对信号持续时间短的”突发”通信信号、 跳频通信信号、自适应通信信号等，截获的概率将更低。很明显，如果用作搜索 的设备速度不够快，就会丢失信号而产生漏警。 2 、测频精度对信号的接收有很大的影响，造成带内信息损失，信噪比恶化， 甚至导致信号完全丢失。然而信号侦察面对非合作信号，测频精度不可避免受外 界因素影响，无法保证绝对准确。 随着抗干扰通信体制的广泛应用，实现全概率信号的截获的接收机是非常需 要的。信道化接收机就是这样一种可以解决上述问题，实现全概率信号截获的接 收机。信道化接收机的基本原理是用多个带通滤波器接收信号，各滤波器通带分 别接收监视带内相应频率分量。该方法不需要目标信号的中频信息，具有并行处 理能力。 早期信道化接收机均采用模拟方法，模拟信道化接收机信道不均衡性无法克 服，并且系统复杂程度随着信道数增大，体积巨大，成本较高。近几年，随着v l s i 和d s p 技术的飞速发展，数字信道化技术得到了越来越广泛的应用。在基于软件 无线电思想的信道化数字接收机中，信道化由数字电路来实现，可以有效地解决 信道不均衡的问题，能最大程度地简化接收设备。 3 1频域信道化数字接收机的数字模型 3 1 1 滤波器组信道化接收机结构 数字信道化是将宽带数字信号送入一个网络，在网络中完成频域均匀信道化 和抽取操作，最终输出若干个低速率的子频带信号。每个频带都可以单独处理， 第三章信道化数字接收机建模 因此允许在每个通道中应用低速计算机技术，解决了宽带信号接收情况下高速a d 和后端信号处理的瓶颈问题。 该网络的功能可等效为一个带抽取器的均匀数字滤波器组。设滤波器个数( 即 信道个数) 为疋抽取因子d ，两者满足k = f d ( f 0 ) 的关系。滤波器组信 道化接收机结构如图3 1 所示。其中钆，k = 0 ，1 ，k 一1 ，是各信道的中心频率，其 值取决于信号频带划分方式。 图3 1滤波器组信道化接收机结构 3 1 2 滤波器组频带划分 不同的频带划分方式决定不同的信道化高效结构，故首先对信号的频带划分 方式进行介绍。 盥弱二圉皿勰二圉垂， = 0 q屿咏- l 2 7 t o 他一1 2 7 【。 ( a ) 偶型排列( b ) 奇型排列 图3 - 2 复信号的信道排列形式( o ，2 n - 】) 图3 2 是复输入信号的信道划分方式，此时信道问隔是2 石k 数) ，信道k 的中心频率c o k ( k = o ，1 ，k 1 ) 取值表示如下： 在偶型排列中，第k 个信道中心频率为：0 9 。= 2 a k k 在奇型排列中，第k 个信道中心频率为：c o k = 2 n k k + 石k ( k 是信道个 ( 3 i ) ( 3 - 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 3 1 - 2 2 实信号频带均匀信道划分形式 实输入信号的频谱具有对称特性，因此对其频带划分比较特殊，一般有以下 几种方式： l 、将实信号看作特殊的复信号，仍采用图3 2 的信道划分方式。但此时嘶， k = 0 ，1 ，( 世一1 ) 2 ，即只需要对k 2 个信道进行下变频处理。 2 、只对国e 【o ，石】上的频谱进行信道划分，k 是信道个数。采用与图3 2 相类 似的信道排列形式，但此时信道间隔是z k 。 相应的偶型排列中心频率： 轨= z r k k ( 3 3 ) 相应的奇型排列中心频率： 钆= 疵k + 石2 k ( 3 - 4 ) k = 0 ，1 ，k 一1 3 、按图3 3 对信道重新划分，虚线频带为对应的镜像，此时的q 为： q ：( k - 掣) 警一对应图3 3 ( a ) ( 3 5 ) e i h ( 矿l ( 七+ 警一对应图3 吲b ) 6 ) ( a ) 实信号信道划分1( b ) 实信号信道划分2 图3 - 3 实信号的信道排列形式( 甜 0 ，2 n - 】) 3 2 信道化数字接收机的高效结构 图3 - 1 所示的滤波器组信道化接收机实现起来比较困难，尤其是当信道数多 d 值很大时，图中的低通滤波器所需的阶数会变得非常大。而且每个信道配一个 这样的滤波器，实现效率非常低，所以需要一种高效的信道化实现方法。 3 2 1 基于多相d f t 滤波组结构的数字信道化接收机 第三章信道化数字接收机建模 3 - 2 1 1 高效结构的推导 在以前的大量文献中只推导了以下两种情况下的信道化接收机高效结构：1 、 临界抽样条件( f = 1 ，k = d ) 下信号频带按图3 - 2 ( a ) 进行信道划分f 1 4 1 【2 6 】；2 、抽 取因子d = 2 k 条件下信号频带按图3 - 3 ( a ) 的形式划