基于FPGA数字中频幅度触发功能的实现

工程技术
科技创新
２ ０ １ ５ 年４ 月 ・ ８ ９・
基 于Ｆ Ｐ Ｇ Ａ数 字 中频 幅度触 发功 能 的实 现
别、 发 力
（ 中国电子科技 集 团公 司第 四十一研 究所 ，山东青 岛 ２ ６ ６ ５ ５ ５ ）
摘 要： 无线电监 测接 收机 需要 把 Ｉ Ｑ数据传送到远程服务 器上进行 处理、分析和存档 。通过添加幅度触发功 能可以快速 定 位 突发 的信号并减 少传输 的数 据量 ，本 文讨 论 了数字 中频 幅度 触发的原理及其 实现过程 ，并成功应 用于某 网格化的无线 电监 测
器 中进 行 集 中 处 理 和 分 析 。 单级 Ｃ Ｉ Ｃ滤 波 器 的第 一 旁 瓣 电平 只 比 主 瓣 低 １ ３ ． ４ ６ ｄ Ｂ， 采 级Ｃ Ｉ Ｃ滤 波器级 联，旁瓣 衰减变 为 ６ ７ ． ３ ｄ Ｂ …。Ｃ Ｉ Ｃ滤波 器 本 文基 于软 件无 线 电中频采 样全 数字 接收 机 的理论 ，提 用 ５ 出了监测 接 收机 中实现 数字 中频幅 度触 发的 实现方 案，实 现 由三部 分组成 ：工作 在采样 频率 为 ｆ ｓ 的级联 的积 分器 ，抽 取 ２ ０ ＭＨ ｚ以内可变 分析带宽的 中频 Ｉ Ｑ数据，与预设 的检测 条件 比为 Ｒ 的抽取单元 以及工 作在采 样频率为 ｆ ／ Ｒ的梳状部分 。 进行 判定 比较 ，满足 触发 判定条件 则将 Ｉ Ｑ数据 缓存 到 Ｄ ＤＲ ３ 积 分辩分 梳状 簖玢 存储器 中，Ｃ Ｐ Ｕ读取 数据 并通过网络传送到远程服务器端 。
２数字 中频幅 度触 发功能总体方案
触 发 时 序 拽
、
数 据 存 储
璺＝ ＝ ＝ 曼回 熙： ： ． 照
刚
一
ｊ 德 Ｉ ｊ
一
图２ 多级Ｃ ｌ Ｃ 抽 取滤波器结构 图 虽然 Ｃ Ｉ Ｃ抽 取 率 高 ，但 其频 率 响应 ３ ｄ Ｂ有 效 带 宽很 窄 。 受通 带平坦度和阻带衰减度 的影响，Ｃ Ｉ Ｃ抽取滤波器 的级数 和
网络传输 压力。 ３数 字中频幅度触发实现过程 ３ ． １数字下变频 数字下变频是采样后 的数字 中频信号与数字振 荡器 （ ＮＣ Ｏ ） 产 生的正交 分量相乘 ，得到基 带 Ｉ Ｑ信 号 。当采样 频率 ｅ与本 振 频率 ￡ 。（ 等 于中频频率 ）满足式 （ １ ）时 ，ＮＣ Ｏ产 生的 Ｃ Ｏ Ｓ
抽取 因子 不宜过大 ，Ｈ Ｂ 的带 内平坦度好 ，计 算效率高 ，适 用 图１ 中频幅度触发基本结构 图 于抽 取因子 为２的幂次 方 的场 合 【 ２ 】 。Ｈ Ｂ滤波 器是 一种特殊 的 模 拟信 号经过 Ａ ／ Ｄ数 字采样 后 ，与数 控振 荡器 （ Ｎ ＣＯ ） 产 Ｆ Ｉ Ｒ滤波器 ，由于其系数几乎一 半为零，滤波时运算量减少 一 生的 Ｃ Ｏ Ｓ 分量 和 ｓ ｉ ｎ分 量 相 乘 ，信 号 被 分 解 为 同 相 分 量 Ｉ 和 正 半，被作为第 二级低通滤 波器 。Ｈ Ｂ滤波器处 理后 的信 号的抽 交分 量 Ｑ，然后通过低通滤波器滤 除高频分量 ，得到零中频信 取因子 固定为２ ，经 过 Ｎ级 Ｈ Ｂ滤波器 ，采样率 降变为 原来的 号，并根 据不同的分析带宽需求抽取 降低基 带信 号的速率。受 １ ／ ２ 倍 。通过 Ｃ Ｉ Ｃ滤波器和 ＨＢ滤波器滤波抽 取后 ，基 带信 号 限于网络传输的速度需要对数据进行缓存 ，通过 添加 触发功能 由最初的高数据率被 降到较低 的速率 。 可 以对基带 Ｉ Ｑ数据进 行筛选 。利用 Ｃ Ｏ Ｒ Ｄ Ｉ Ｃ算法计 算出正交 滤波 抽取 的最 后 一级是 Ｆ Ｉ Ｒ滤波 器 ，用 来平 坦通 带及 足 Ｉ Ｑ信 号的 幅度值 ，与预设值 进行 门限判 定，满足触 发条件 的 够地抑制 阻带 。Ｆ Ｉ Ｒ滤波器可 以设计 成过渡带小 、阻带 衰减 高 Ｉ Ｑ数 据存储 下来 ，进 而进 行相关 的分析 ，减 小数 据存储 量和 且具有很好波形 因子 的频率 响应 ，可 以以满 足监测接收机仪对
不同分析带宽滤波器 的特别要求 。在 设计 中，采用 归一化的设
计方法 ，阶数取 ３ ５ ，通带频率取 Ｏ ． ３ ９ ，阻带频率 取０ ． ６ ５ ，纹波 小于 ０ ． ０ １ ｄ Ｂ，阻带抑制大于 １ ２ ０ ｄ Ｂ。
串行 结构 的 Ｆ Ｉ Ｒ虽然 使用 资源 少 ，但 是滤波 速度 慢 ，一 次滤波 需要的时钟周 期数 由 Ｆ Ｉ Ｒ阶数 决定，在高采样 速率下 ， 串行 结构 的 Ｆ Ｉ Ｒ不能满 足滤 波要 求 。并行结 构 的 Ｆ Ｉ Ｒ滤波 器 分量 与 ｓ ｉ ｎ分 量 分 别 为 式 （ ２ ） 、（ ３ ） 。 在一个 时钟周期完成 一次滤波 ，但是要 占用大量 的乘 累加器 ， ｆ ， ＝ ４ ｆ Ｊ２ Ｎ ＋ Ｉ （ １ ） Ｆ Ｉ Ｒ滤波器 系数对称的 ，可 以采 用转置结构 ，即先将相 同系数 ｃ ｏ ｓ （ ２Ⅱ’ ｎ ｆ Ｊｆ ｓ ） ＝ ｃ ｏ ｓ ｆ Ⅱ ｒ ｇ ２ ＋ ｎ Ｎ） （ ２ ） 对应 的输入 相加 ，然后再做乘 法。 图３ 所示为减少乘法 器数量 ｓ ｉ ｎ （ ２Ⅱ ｎ ｆ ｄｆ ｓ ） ＝ ｓ ｉ ｎ ｒ Ⅱ ｎ ／ ２ ＋ ｎ Ｎ） （ ３ ） 的转置结构 Ｆ Ｉ Ｒ滤 波器。 ３ Ｃ Ｏ Ｒ ＤＩ Ｏ ｒ 。 】 当 Ｎ＝ ０ 时 ，即 ｆ ， ＝ ４ ｆ Ｌ Ｏ ， Ｃ Ｏ Ｓ 分量为 １ ， ０ ， ． １ ， ０ ，１ ， ０ ， １ ， ０ ， ３． １ … ； ｓ ｉ ｎ分 量为 ０ ，１ ，０ ，． １ ，０ ，１ ，０ ，． １ ，０ …。输 入 序 列 Ｉ Ｑ基带信号包含 了数 字 中频的很多信 息，从 Ｉ Ｑ基带信号 Ｘ１ ， ｘ２ ， Ｘ ３ ， Ｘ４ ， Ｘ５ …经 过数字混频分别转换为 Ｘ１ ， ０ ， ． Ｘ３ ， ０ ， 可 以获得信号 的瞬时幅度信 息，瞬时幅度 可以通过获取。 对 于平 方根 、反正 切这 类超 越 函数 ，在 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 中使用 常 Ｘ５ …和 ０ ，Ｘ ２ ， ０ ， ． Ｘ４ ，０ …，节省 了乘法器资源和 Ｒ ＯＭ 资源 。 规的算法 比较复杂 ，Ｃ Ｏ Ｒ ＤＩ Ｃ算法完 全 由移位和相加完成 ，很 采用 与输 入数据 同步 的时钟实现数字混频 。 容易在硬件上实现 ，可 以有 效的减小这个 算法的复杂度。在本 ３ ． ２ 抽 取 滤 波 器
灵活性差 。随着宽带网络接入的广泛普及 ，监测 系统 已经 发展 滤波器 进行 大 的抽取 ，使数 据率 速降 下来 ，再 由 Ｆ Ｉ Ｒ滤波 器 成为一个使用低成 本接收机构成的协作型网络 ，由这些接 收机 进 行 滤 波 。 本 文 采 用 Ｃ Ｉ Ｃ、ＨＢ、Ｆ Ｉ Ｒ 三 者 相 组 合 的 滤 波 器 实 共 同来监测 大片地理区域 内的无线频谱 ，然后传送到远程 服务 现基 于 ２的幂 次 方 ２ ． ６ ５ ５ ３ ６ 倍Ｇ Ａ； Ｃ Ｏ Ｒ ＤＩ Ｃ； Ｆ Ｉ Ｒ
中图分类号 ： Ｔ Ｍ５ ７ ２ ． ３
１ 引 言
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ６ ７ １ ． ５ ５ ８ ６（ ２ ０ １ ５ ）０ ９ ． ０ ０ ８ ９ ． Ｏ １
由于中频 的采样率较高 ，根据不 同分析带 宽的需求 ，将 高 传 统的无线 电监测主 要采用 高性能频谱 分析仪 ，成本高 、 速 率基带信号分别抽 取降低到合适 的速 率。先通过 Ｃ Ｉ Ｃ和 Ｈ Ｂ