射频数字接收机的信道化技术研究

Key Words RF digital r eceiver, channelized, multiphase f ilter Class Number T N 914
1 引言
数字接收机相比传统模拟接收机具有高截获 概率、高精度、高灵敏度、大动态和小体积等很多优 势, 因此在 现代雷达、通信 和电子战 中应用广 泛。 而随着数字接收机的发展和相关数字化技术的进 步, 射频数字接收机和宽带数字接收机已经成为数 字接收机的研 究热点和难点[ 1~ 7] 。理想 的射频数 字接收机原理结构[ 1] 如图 1 所示。
图 1 理想的射频数字接收机原理结构图
从天线进来的信号经过超宽带滤波器滤波和
超宽带放大后, 进入超高速超宽带 A/ D 转换器进 行采样量化, 最后送超高速 DSP 进行处理。如此 高的采样速率目前的 ADC 器件是无法实现的, 尤 其需要采用大动态、多位数时就更加困难。宽频段 使得同时进入接收通道的信号大幅度上升, 对动态 范围要求很高, 目前技术和工程实现都很难。我们 可以将整个频段划分为多个子信道, 构建射频信道 化的数字接收机, 对每一个信道分别处理就可以克 服上述困难。实现信道化通常的方法就是采用快 速傅立叶变换( FF T ) 。目前射频信道化数字接收 机主要实现方法[ 2] 有射频折叠信道化、射频直接信 道化和射频跟踪滤波等方法, 本文先对这三种方法 进行分析, 指出存在的难点, 重点对基于多项滤波 的射频信道化接收机结构进行分析, 设计实现了一 种高效多相滤波射频信道化接收机的结构。
Abstract T he RF dig ital receiv er is the tr end of dig ital receiver , a kind of realizat ion o f digital receiver is channelized met ho d. Firstly, t he mainly methods o f r ealization o f dig ita l receiv er are intro duced and the st ruct ur e o f multiphase channel ized RF dig ital receiv er is analyzed specially , finally, w e design and realize a kind o f r eal time multiphase channelized RF dig ital r eceiver, the co mputer simulatio n v erifies the cor rectness and effectiv eness of this method.
信道化技术是把需要处理的整个频带划分为 若干个子信道, 通常采用数字滤波器, 一般有限冲 击响应( FIR) 系统稳定, 便于实 现, 现设计 一种原 型低通滤波器, 通带频率为 62. 5M H z, 截至频率为 125M H z, 阶数为 160, 如图 6 所示。
图 6 一种原型低通滤波器的频率响应
3 基于高效多相滤波的射频信道化 接收机结构分析
3. 1 结构分析 一种高 效多 相滤 波的 信道 化 数字 接 收机 结
构[ 3] 如图 5 所示。
图 5 一种高效多相滤波的射频信道化结 构
基于多相滤波的射频信道化接收机直接从频 域选择信号, 避免时域重叠信号的干扰, 且灵敏度 高, 动态范围大, 并且可以大幅降低采样速率和提 高运算速率。图中采用多相滤波器组结构, 一般抽 取率 D 取值比较大, 这样可以发 挥多相结构并行 运算和降速的优势, 使分支滤波器 Ek ( z D ) 工作速 率降低为 f s/ D , 这样很大程度上降低了对硬件处 理速度的要求, 提高了实时处理能力。并且滤波器 阶数由 N 减少到每通道 N / M 个, 这样就节省了硬 件资源, 运算量大大降低, 而且减少了滤波运算的 累积误差, 提高了运算精度, 提高了信号处理的效 率。同时, 混频器在抽取和滤波之后使得数字混频 处理速度降低, FF T 算法降低了信道化处理时间, 提高了系统的高速处理能力[ 3] 。
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* 收稿日期: 2010 年 9 月 23 日, 修回日期: 2010 年 10 月 27 日 作者简介: 李辉, 男, 硕士研究生, 研究方向: 数字 接收机 相关技 术。毕大平, 男, 教授, 研究 方向: 电子 对抗 装备新 技 术。
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李 辉等: 射频数字接收机的信道化技术研究
2 射频信道化数字接收机实现方法 分析
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2. 1 射频折叠信道化方法 射频折叠信道化数字接收机是在宽带中频数
字接收机的基础上发展起来的, 其具体结构[ 2] 如图 2 所示。
总第 200 期
图 2 射频折叠信道化接收机结构框图
接收机的射频部分被滤波器划分为不同的子 信道, 假设每个信 道的宽度为 1GH z, 将每 个子信 道下变频到基带, 对基带信号可以按照宽带中频数 字接收机的处理方法处理, 这种信道化接收机的结 构简单, 带宽相同, 子信道都具有相同的基带频率, 因此采样和后续处理完全相同, 可扩展性强。可以 根据需要决定采集处理部分的数量, 在后续处理时 可以利用一个或几个采集部分对各个信道依次处 理, 或根据处理顺序和方式, 加入判决准则和程序 控制。由于射频滤波器频率响应是非理想的, 滤波 器矩形系数不为 1, 有一定的过渡带宽, 要覆盖整 个频段, 各个滤波器之间就需要适当重叠, 但是当 信号频率落入两个滤波器的重叠部分时, 在两个信 道都会产生响应, 出现频率模糊, 必须采用具有抗 混叠作用的数字滤波器, 该数字滤波器具有接近 1 的矩形系数, 经过抗混叠滤波后可以把重叠部分滤 掉, 这种滤波器可以做成多项结构, 这样就可以将 抗混叠和多相滤波数字信道化方法合二为一, 实现 过程比较实用。 2. 2 射频直接带通采样信道化方法
关键词 射频数字接收机; 信道化; 多相滤波 中图分类号 T N 914
Research on the Channelization of RF Digital Receiver
L i Hui Bi Da ping ( Electr onic Eng ineering Institut e, H efei 230037)
总第 200 期 2011 年第 2 期
舰船电子工程 Ship Electr onic Engineering
V o l. 31 No . 2 87
射频数字接收机的信道化技术研究*
李 辉 毕大平
( 电子工程学院 合肥 230037)
摘 要 射频数字接收机是数字接收机的发展趋势, 信道化技术是现阶段 实现射频 数字接收机 的方法之一, 先分 析射 频数字接收机的主要实现方法, 重点对基于多 项滤波的射频信道化接收机结构 进行分析, 并设 计实现了一 种高效多项 滤波 射频信道化接收机, 仿真验证该结构的正确性 和可行性。
将冲击响应均匀抽取分成 M 个组, 构成多相 结构, 为了能够覆盖整个频段, 提高信号截获概率, 信道重叠 50% , 其中 M = 32, 多项滤波器组的频率 响应如图 7 所示。
图 7 多项滤波器组的频率响应
3. 2 仿真分析 设射频数字接收机的采样频率为 2GH z, 接收
机带宽 1GH z, 输入信号为 4 个信号, 其中三个信号 为线 性 调 频 信 号, 载 波 频 率 分 别 为 126MH z, 700MH z 和 880MH z, 线性调频宽度均为 10MH z; 另一个信号为脉冲幅度 调制信号( PAM ) , 信号频 率 为 440MH z, 输 入 信 号 范 围 为 126M H z 至 880MH z, 信号脉冲宽度为 7. 5 s。多相滤波信道 化接收机的抽取系数 D 为 32, 原型低通滤波器的 通带频率为 62. 5M H z, 截止频率为 125M H z, 阶数 为 160, 由于信号的对称性, 我们只 需仿真验证前 16 个信道的信号情况。输入信号的时域和频谱图 如图 8 所示。
具体工作过程: 射频信号被滤波器组划分为不
图 3 射频直接带通采样信道化接收机结构框图
同的子信道, 各个子信道采用直接带通采样经数字 低通滤波后, 实现数字下变频, 其中低通滤波部分 采用多项滤波结构实现, 这样各个子信道就直接构 成基于多数字下变频, 为避免出现 频率混叠, 要保证各个滤波器的通带范围在 1GH z 以上, 由于前端模拟滤波器的非理想性, 在两个信 道相邻处不可避免的会出现采样盲区, 为此, 还需 要增加一定数目的盲区滤波器及采样处理部分, 以 保证对整个频带的覆盖。
基于射频窄带电调滤波器的数字接收机可以 通过一个中心频率可调的带通滤波器, 该滤波器具 有 1GH z 的瞬时带宽, 可以通过改变中心频率来覆 盖接收机的整个频段范围。这种接收机也需要改