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信道化数字接收机硬件实现技术研究.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《信道化数字接收机硬件实现技术研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学硕士学位论文信道化数字接收机硬件实现技术研究姓名:马亮申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:何子述摘要摘要随着现代电子技术的不符等。

电子科技大学硕士学位论文信道化数字接收机硬件实现技术研究姓名:马亮申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:何子述摘要摘要随着现代电子技术的不断发展电子侦察系统面临的电磁环境日益复杂多变宽带化、数字化、多功能、软件化已经成为电子侦察设备发展的趋势。通常的电子战侦察接收机同时多信号处理能力比较弱同~时刻只能处理一个信号而对多信号的处理只能采用流水作业的办法进行时分处理这已不能适应日益复杂的电磁环境下的信息化战场需求。数字信道化接收机可以提高实时处理能力特别是提高全概率截获能力并且可以有效地解决模拟信道化接收产生的信道不均衡的问题。本文针对电子侦察系统数字化实现对数字式信道化接收机的相关技术进行了研究:包括A/D采样的理论、数字下变频相关理论、多速率信号处理的理论、多相结构优化抽取滤波、均匀DFT滤波器组。在此基础上结合系统需求完成了系统中信道化处理模块的硬件平台的设计同时对A/D采样电路进行评估对硬件平台进行功能性的验证。另外在硬件设计过程当中深入的研究了A/D采样电路的性能指标和相关测试方法同时给出了高速PCB电路设计注意事项。最后基于FPGA对数字下变频进行了设计及实现具体包括:算法仿真、VHDL描述、FPGA仿真和实际系统测试。在设计时还充分利用了芯片厂商提供的IP模块和工具软件完成了系统的设计、仿真和测试。关键词:数字信道化接收机数字下变频多相滤波软件无线电ABSTRACTABSTRACTWiththefastdevelopmentofmodemelectronictechnology,electronicreconnaissanceequipmentisfacingthechallengesfromthemoreandmorecomplicatedelectromagneticenvironment.Thewidebandthedigitizationmultipurposethesoftwarealreadybecamethetendencywhichtheelectronicreconnaissanceequipmentdevelops.Thegeneralelectronicwarfarereconnaissancereceiver,atthesametimethemultisignalprocessingabilityisweakitonlycalldosinglesignalprocessingpertime.Toprocessmoresignalsgom/DonreceiversusepilalelineandtimesharingmethodwhichistotallyunsuitablefortheextremelycomplicatedelectromagneticenvironmentinthemodemWar.Digitalchannelizedreceiverisgoodatrealtimesignalprocessingespeciallyatimprovingabilityofwholeprobabilitycapturingaswellasresolvingtheproblemofchannels’inequilibrinmofanalogchannelizedreceiver.ConsultingrelevantreferenceandrelatedtheoriesinsoftwareradiothisthesisisworkingontechnologiesofdigitalchannelizedreceiversincludingthetheoriesonA/Dsamplingdigitaldownconverter,multivelocitysignalprocessingpolyphasefilteranduniformDFTfilterbankAccordingtotherequirementsonthesystem,thisthesisaccomplishesthedesignofthesystem’ShardwareplatformtorealizechannelizationwhileevaluatingtheA/Dsamplingcircuitandvalidatingthefunctionsofthehardwareplatform.InthedesignprocessofhardwareIstudiedindepththeA/Dsamplingcircuitperformanceindicatorsandrelatedtestmethodswhileprovidingguidelinesondesignofthehi曲一speedPCBcircuit.AtlastthisthesisrealizesdigitaldownconverterbasedonFPGAandthewholedesigningprocessincludesalgorithmsimulationVHDLdescriptionFPGAsimulationandrealsystemtest.InformationonIPcoreandEDAsoftwareofferedbythechipmanufacturesisfullyusedtocompletethesystemdesignsimulationandtest.Keywords:DigitalChannelizedReceiver,DigitalDownConverter,PolyphaseFilter,SoftwareRadioII独创性声明本人声明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加以标注和致谢的地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或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:三羞一日期:c)。年争月龋关于论文使用授权的说明本学位论文作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内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、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:当型导师签名:日期:。%年印月巧/日第一章绪论.研究背景第一章绪论由于现代电子接收设备正处于越来越恶劣的电磁环境中相互干扰严重特别是现代战场军用电子设备繁多干扰复杂对抗干扰性能提出了更高的要求所以可靠性较低、抗干扰能力和灵活性较差的模拟接收系统己变得越来越不能适应。因此从世纪年代后研究具有可靠性较高、灵活性和抗干扰能力较强的数字接收系统成为了重要的研究主题【【】。电子战侦察接收机是电子情报保障体系中的重要组成部分。其主要功能是接收复杂信号环境下的非合作信号。电子战接收机侦察接收结果的性能直接影响对抗干扰的效果。电子战接收机除了要求具有宽输入带宽、高灵敏度和分辨率、大动态范围和处理同时到达多个信号的能力之外还必须能适应现代高密集的信号环境对接收到的大量信息必须实时或准实时处理。电子战的最主要的特点是频段宽(几乎覆盖整个无线频段)待处理的信号种类多对非合作信号进行被动侦察接收。现代电子战接收机种类繁多但总的说来尚无一种接收机能满足电子侦察的所有要求。传统电子战接收机多采用模拟方法实现在接收过程中由于模拟器件的限制极易导致信号的频率和相位等精细信息丢失。目前的电子战系统往往都是在已知或者在事先假定的几种信号样式下进行工作的系统适应能力及反应时间无法满足电子侦察要求。所以研究开发工作频段宽接收适应能力强可扩展性好能够适应多种信号的侦察接收机是电子战发展的必然要求‘】【】。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~种理想的模式一软件化电子侦察接收机l。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。软件无线电的核心内容之一是宽带数字接收机。宽带数字接收机是指接收机用一个高速AD变换器覆盖现有雷达、通讯系统中的各种无线设备的所有频段并将监视带内的所有通讯信号变换至基带数字信号。宽带数字接收系电子科技大学硕士学位论文统因其性能突出而受到较多关注。现代通信技术的不断更新使电子侦察设备所面临的电磁环境日益复杂多变。在此环境下实现宽带数字电子侦察接收机的优点:是有可能采用更为灵活的信号处理方法直接从输出的数字化数据中获得更多信息并且由于数字化数据能够长期储存许多更有效的信号处理方法(如信号测向估计信号分类识别、混沌信号处理、谱估计以及神经网络等现代信号处理方法)可在已截获的数据中进行进一步分析和处理。从硬件结构上讲用一个高采样频率大输入动态范围宽输入、输出频带的ADC变换器高速数据率转换器以及用于完成基带信号处理的高速DSP构成的宽度数字接收机可以替代很多现有侦察设备。电子侦察系统为提高截获概率要求系统瞬时带宽足够宽响应时间足够快。这对ADC变换器的工作速率、动态范围数据率转换器高速DSP等器件提出极为苛刻的要求。通常电子侦察系统中接收到的往往都是非合作信号对于接收机的适应能力及反应时间要求都很高所以研究开发工作频段宽、接收适应能力强、可扩展性好、能够适应多种信号的侦察接收机是电子战发展的必然需求。研究认为宽带数字式信道化接收机最有希望满足上述电子侦察系统的要求【】。数字式信道化接收机作为宽带数字化电子战接收机的理想实用方法以前制约其发展的主要因素是其较大的体积、重量和昂贵的成本但随着器件工艺水平的提高如可供选择的模数转换器(ADC)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)以及相应的大规模专用集成电路(ASIC)工作速率的极大提高宽带数字式信道化接收机的发展已成为必然趋势。信道化接收机可以认为是目前电子对抗系统中一种非常有前途的接收机体制也是抗干扰措施中的有力助手。目前各发达国家都在信道化接收机方面投入了大量的人力物力研究提高侦察接收机的灵敏度、研制动态范围广、高截获概率的多信道接收机是~项艰巨而有意义的工作。下面将介绍现阶段数字化技术的发展状况、国睦J#l数字接收机的研究发展概况和本文的主要工作。本文立足于建立高灵敏度数字化电子侦察硬件平台着重讨论数字通信侦察接收机系统中高数据率情况下的数据率转换方法对带通采样技术数字下变频技术多速率信号处理技术进行了深入的探讨并对这些方法的FPGA硬件实现进行了讨论。.数字信道化接收机的发展状况衡量一个数字接收机的性能优劣有较多因素。而数字侦察接收机的基本要求第一章绪论有三个方面:带宽灵敏度和动态范围。一方面人们希望监视频率宽开提高截获概率减少搜索时间缩短接收机响应时间和完整保留目标信号所包含的信息。另一方面频率宽开带来很多问题如非线性虚假响应动态范围与接收灵敏度的矛盾后续处理负担过大引起数据失真甚至丢失数据等。侦察接收机希望能够获得目标信号的各种信息。数字式信道化接收机是由模拟信道化接收机演变而来的。在信道化处理早期的模拟信道化接收机中接收到的信号被转换成音频在这个转换过程中将丢失一部分信息(例如载波频率信息)而对于数字式信道化接收机而言信号通过被转化到较低频率并数字化几乎保留了所有的信号信息并使得信息便于储存。模拟信道化接收机信道不均衡性无法克服数字信道化接收机则由于使用了数字化处理可以有效地解决信道不均衡的问题。数字技术的发展使得人们将信道化接收机的研究重点转移到了数字式信道化接收机上。目前对于数字式信道化接收机的研究主要集中在应用软件无线电相关理论和多相滤波技术对信道化接收机进行建模、仿真和分析该技术已相当成熟。电子侦察系统为提高截获概率要求系统瞬时带宽足够高实时性好。但是长期以来电子侦察系统要求的高速A/D与现有处理器处理能力之间的瓶颈一直限制了电子侦察实时数字化的发展。在近年实现真正的数字化接收系统是不可能的因为接收系统要有尽可能靠近天线的高速A/D变换器其与接收机瞬时带宽相匹配的采样率在GHz量级。但是高速数据流的实时处理受到后级DSP的处理能力I/O通道带宽存储器容量多机并行处理时处理器之间数据互传效率等多种因素的限制目前的处理速度与高速A/D相差甚远。所以目前的数字接收机多采用中频数字化处理技术实现本文针对数字式信道化接收机做的研究工作见.节所述。.本文的主要工作作者的主要工作是完成信道化接收机的系统硬件平台设计和系统中的数字下变频模块的FPGA实现。其中包括以下主要工作:()了解国内外数字信道化接收机发展状况和技术现状了解数字化接收机的工作原理和相关理论了解数字下变频器在接收机系统中所处的位置和功能。()深入学习和研究软件无线电中有关AJD采样的理论对ADC的性能指标、噪声和杂散抑制、软件无线电的采样理论以及多速率信号处理的理论知识和算法原理作了比较深入学习和研究为课题研究作好理论准备。电子科技大学硕士学位论文()参考国内外相关文献和软件无线电理论的相关知识对数字式信道化接收机的关键技术做了如下分析研究:应用多相结构优化抽取滤波用均匀DFT滤波器组调谐信道均衡性并减少计算量、提高计算速度。根据系统要求综合考虑性价比等因素选择合适的器件主要包括A/D采样芯片和FPGA芯片确定系统硬件实现方案。()对高速的模数混合的电路板设计做了比较深入的研究。完成信道化处理硬件电路板的设计包括A/D采样、后续信号处理硬件平台和输入、输出接口等。并对AD采样电路进行评估对硬件平台进行功能性的验证包括FPGA的配置和在线逻辑分析(Chipscope)功能的验证存储器接口和系统输入输出接口的验证确保整个硬件平台按照需要正常工作。()根据该系统对数字下变频处理模块的具体要求在Matlab中构建数字下变频处理的数学模型经过分析和仿真确定系统的结构和实现方法从而得出一个具体的可实现的方案完成FPGA中下变频处理软件的编写主要包括混频、低通滤波和抽取等进而在硬件电路上进行调试实现下变频的功能。最后对下变频器进行测试确保数字下变频处理模块满足系统需求。本文章节基本按从算法到实现的结构安排。第一章为绪论第二章为数字接收机的理论基础第三章为字信道化接收机原理及其实现方案第四章介绍数字信道化接收机硬件实现及测试结果并介绍了高速电路设计的一些注意事项第五章讲了接收机中数字下变频模块的FPGA实现及其测试结果。最后给出了本文总结对全文做了简要回顾。第二章数字接收机基本理论第二章数字接收机基本理论数字接收的基本理论主要包括采样、采样定理、数字下变频(DDC)基本原理和方式、多采样率数字信号处理理论等下面分别介绍。.A/D采样及其相应技术指标分析对模拟信号进行采样、量化、编码变为数字信号是数字化处理的前提所以在采样和量化过程中噪声和杂散的影响直接影响着后端处理系统的整体性能。因此在采样过程中通过过采样和注入抖动等方式以分别降低量化噪声和杂散的影响作为提高系统整体性能的第一步。ADC是数字化处理的前端其特性对整个系统有很大影响下面对其几个重要的静态和动态特性作一介绍。..ADC的性能指标()量化误差(QuantizationError)ADC具有把模拟信号转变为数字信号的功能数字信号可以用一序列的数来表示而每一个数又是由有限个数码来表示的。数字信号一般为M个二进制信号的并行组合。对于理想的N位ADC而言其量化过程(即模拟信号转换为数字量的过程)对直流输入信号将会产生量化误差对交流输入信号将会产生量化噪声。图说明了量化噪声的产生原因。数字矿厂r.rrr模捌一/图理想N位ADC量化噪声电子科技大学硕士学位论文为了便于理解考虑一种比较简单的情况。理想的N位ADC最大的量化误差值等于/LSB当输入信号线性地由零点增至满度时量化误差电压呈现为一峰一峰值等于q(即最小量化单位LSB所对应的电压)的锯齿波信号。显然量化噪声等于该锯齿波信号的有效值K=令舻qf一兰则K=厢F甄q万=面q(.)(.)由上面的分析可以看出量化噪声的平均功率仅与ADC的分辨率有关与信号速率等因素无关。量化误差是一种原理性误差它只能减小而无法完全消除。()偏置失调误差偏置失调误差指ADC传输特性曲线上理想的偏置点和实际偏置点之间的模拟电压差值。偏置点指的是ADC在当数字输出为时台阶的中央点。如图.所示:正常偏值图ADC偏置失调误差由图可知偏置失调误差对所有输出码产生同样大小的偏置误差通常可以通过一个微调的过程来得到补偿。否则偏置误差可以认为是零刻度误差。偏置失调误差会造成ADC动态范围的减小举例来说:对于一个基准电压第二章数字接收机基本理论为.V的位ADC而言mV的失调误差相当于该位ADC具有LSB的误差mV/.V/。虽然分辨率仍是位但是你必须从每次转换结果中扣除个码以补偿失调误差。实际上这时的可测量满量程值就变为了.V(/)=.V此范围以上的任何值都会使ADC溢出从而使ADC的动态范围(或者说输入范围)减小了。这个问题在较高分辨率的ADC中尤为显著。()信噪比(SignaltoNoiseRatio)信噪比指信号均方根值与其他频率分量(不包括直流和谐波)均方根的比值理论信噪比(即只考虑量化噪声的因素)取决于ADC量化过程所使用的量化数目量化数目(即ADC的位数)越多量化噪声就越小其理论信噪比也就越高。具体地对于N位的ADC来说其理论信噪比可按如下方法求出:设ADC的输入为一满量程的正弦波信号则有:SNR=lg()()n其中t和圪分别为信号和量化噪声的有效值电压。设一为信号的峰峰值显然一=”gK=括r(等)s群(耐妒妙=裳(。)代入可得册lg艺筹=.Ⅳ"(dB)()对于给定采样频率正理论上处于Z/带宽内的量化噪声为g。如果信号带宽固定采样频率提高效果就相当于在一个更宽的频率范围内扩展量化噪声从而使SNR有所提高。如果信号带宽变窄在此带宽内的噪声也减少信噪比也会有所提高。因此对一个满量程的正弦信号SNR可以准确地表示为趴R=.N.dBlg(台()上式第一项表明转换器位数越高也就是分辨率越高量化电压愈小信噪比愈高。当转换位数增加一位则信噪比增加dB。第二项与信号波形有关对单一频率的正弦波为.dB而对其它波形这一项不同。第三项也可以称为处理增电子科技大学硕士学位论文益它是一个正值表示信号带宽与.f/相差的程度所增加的信噪比。可以看出提高采样频率或是降低模拟信号带宽都可以对提高ADC的信噪比有所帮助具体地采样率每增加一倍信噪比提高dB相当于转换位数增加半位。()信噪失真比SNAD(SignaltoNoiseAndDistortion)实际的ADC在采样过程中还会产生谐波但是在SNR定义中并没有体现出谐波的影响因此又有了SINAI)的定义。SINAI)是信号幅度方根值Pr肼与从直流到f/的带宽内所有其它频谱成分的均方根值圪。的比值(包括谐波但不包括直流成分)即:SINAD=(。P。)()SINAD与输入信号的幅度及频率有关是表述ADC整体动态特性与输入频率之间关系最常用的指标之一它同时也是衡量ADC动态范围的一个重要指标。从SINAD与SNR的定义我们可以看出一般来说SINAD要比SNR小。()无失真动态范围SFDR(SpuriousFreeDynamicRange)无失真动态范围(SFDR)是指是在第一Nyquist区内测得信号幅度的有效值与最大杂散分量有效值之比的分贝数。反映的是在输入端存在大信号时ADC能检测出有用小信号的能力。SFDR通常是输入信号幅度的函数可以用相对于输入幅度的分贝数(dBe)来表示也可以用相对于ADC满量程的分贝数来表示(dBFS)图.给出了一个AD器件的SFDR与输入信号幅度的关系。一一L^釜拓二。..iH.jLj#酾c霉D巨MF盛、巴一。苗。一一’【净棚一鬈毪i一囊IHll矾琏l::黪雾:i删=翌髀拉爱囊雾翌琴舞暑鬻。灌露鲢隳酞薹。一。《j”:》舞、UHb尊诤参警黛謦掣曩叠睡“劳j薯图AD的SFDR与输入信号幅度的关系曲线第二章数字接收机基本理论对于一个理想的ADC来说在其输入为满量程信号时的SFDR值最大。然而在实际中当输入比满量程值低几个分贝时出现最大的SFDR值。这是由于ADC在输入信号接近满量程值时的非线形误差和其它失真都增大的缘故。另外由于实际输入信号幅度的随机波动当输入信号接近满量程范围时信号幅度超出满量程值的概率增加这便会带来由限幅所造成的额外失真。SFDR这个指标只考虑了由于ADC非线性引起的噪声仅仅是信号功率和最大杂散功率之比。而SNR是信号功率和各种误差功率之比其中误差包括量化噪声、随机噪声以及整个Nyquist频段内的非线性失真所以一般来说SFDR比SNR大。()有效转换位数ENOB(EfiectiveNumberofBits)由于ADC不可能做到完全线性从而影响ADC的实际分辨率降低ADC的转换位数。有效转换位数是对应于实际信噪比的ADC转换位数ENOB计算如下:实际信噪}=k.烹EⅣD口=互望().()总谐波失真THD(TotalHarmonicDistortion)由于ADC的非线性使其输出的频谱中出现许多输入信号的高次谐波失真分量THD定义为信号幅度的均方根定义为所有谐波成分(不包括直流成分)均方根值的比值。用下式表示:r=:im:型堕堕::::垡()vj其中v。为输入信号幅度的有效值v”一.v。分别为次、次、..、n次谐波幅度的有效值。在实际应用中通常取/,/=。()互调失真IMD(IntermodulationDistortion)当ADC的输入端存在两个频率不同的正弦信号Z、五时由于器件的非线性会产生许多”矾帆的失真产物。其中二阶产物Z^以及一些高次的交调失真分量距^、^较远很容易用数字滤波器滤除。而三阶产物Z一^、^一Z因为离Z、^很近很难除去。所以一般情况下双音互调失真指的是三阶产物引起的失真。()孔径抖动误差(ApertureJitterError)电子科技大学硕士学位论文孔径抖动误差是由于模拟信号转换成数字信号需要一定的时间来完成采样、量化、编码等工作而引起的。对~个动态模拟信号在ADC接通的孔径时间里采样点所对应的输入的模拟信号值是不确定的由此而引起不确定误差。设输入信号为正弦信号y(f)=Vsinzfl在转换时间内孔径误差一定出现在信号变化最大处(对正弦信号而言是信号的过零点)模拟信号的变化速率为霉:Vxcos斫(.)出。最大的变化速率为Vxzf设模数转换器的转换时间为乙。则在转换时间内可能出现的最大误差为圪=Vx矿f。().yLUj//\f.f\/rrH一V图.孔径误差若要求在转换时间内的模拟信号不带来位以上的量化误差即Vx矿珥。婺()从而可得ADC的最大转换速率为邝麦()当输入模拟信号频率较高时孔径抖动误差是ADC信噪比下降的一个重要原因。从另外一个角度看孔径抖动误差实际上导致了采样间隔的不确定当我们以标称的时间间隔对采样信号进行重构时其中必然包含有电压误差所导致的噪声由于电压误差是信号转换速率的函数因此孔径抖动误差所造成的噪声在高频输入信号的情况下显得尤为严重。第二章数字接收机基本理论因此在模数转换之前通常都有一个采样保持放大器(SHA)使得在模数转换过程中将变化的信号冻结起来保持不变。采用SHA之后相当于在ADC转换时间内)TT个很窄的“窗孔”宽度为乞尽管如此在加了sHA后的孔径时间乞里模拟信号仍然会发生变化所以采用SHA后的ADC的最大转换速率为厂去协M由上式我们可以看出对ADC器件而言在采样速度满足要求的情况下其所能处理的最高频率取决于SHA的孔径时间也就是说SHA决定了ADC的最高工作频率而ADC的编码速度决定了ADC的采样速率。另外在相同带宽的情况下ADC位数每增加一位孔径抖动误差就减小一倍在ADC位数不变的情况下工作带宽越宽所要求的孔径抖动误差越小这就给大动态ADC的频带扩展增加了技术难度这也是高转换位数ADC的工作带宽受限的重要原因之一。()模拟带宽模拟带宽(也叫全功率输入带宽FullPowerAnalogInputBandwidth也叫dB带宽)指当输出信号幅度降低dB时的输入信号频率点。一般采样速率越高全功率输入带宽就越宽。..噪声及杂散抑制声功率在(一Z/正/)间均匀分布则功率谱密度为:疋。c厂=譬(一冬厂冬)。:.。如果一个信号以采样率Z=玩过采样(指采用比奈奎斯特频率更高的采样率)则其噪声谱会覆盖较宽的范围(..)。因此对于相同的量化噪声功率功率谱密度会减小L倍。实际上在主区间(一.f,.f,)内的量化噪声也减小了L倍。电子科技大学硕士学位论文如果保持带内噪声功率和以前的一样就可以用较少的位数恢复信号对于每个采样值用鹄=(Ⅳ一Ⅳ)位表示平均功率为《采样率为正的量化器。当其功率谱密度也是时彰/工时就得到了相同的带内量化噪声功率。因此有:毯一s:{s{s(.)则据式(.)和()得到:貉=』‰(x()““一“)。这个结果表明在保持带内噪声功率相同的情况下倍则位数变为原来的一半。AN=O.l三()、噪声整形采用上述方法通过提高采样率换取的比特数往往不会太多原因是将采样率由人提高到工’时量化噪声从(一o.Zo.Z)均匀地扩散到(一o..Z)。如果不是均匀扩散而是将大部分噪声扩散到(o.Zo.)频段则(一.fo.L)间的噪声功率将大为减小。这可通过噪声整形来实现。具体实现推导过程在此就不详细讨论了。以下我们讨论杂散与降低杂散的方法。尤其是对于低幅度慢变化信号由于ADC的非线性和量化效应以及除量化噪声之外的其他噪声的影响噪声幅度值在一%%区间不满足均匀分布P(哟将具有一定的周期性即相关性而且与x(n)之间也具有一定相关性因此在y(胛)输出中将出现一些杂散分量。较强的杂散将会使ADC的SFDR指标严重下降注入抖动(dithering)是一种降低杂散的有效方法。注入抖动即在量化之前将一白噪声(抖动)加到输入使全部量化噪声更近似白噪声从而可减小杂散。如图所示是加抖的示意图。图注入抖动第二章数字接收机基本理论.软件无线电中的采样理论软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能的直接数字化将其变换为适合于数字信号处理器(DSP)或计算机处理的数据流然后通过软件(算法)来完成各种功能使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性。所以软件无线电首先面临的问题就是如何对工作频带内的信号进行数字化也就是如何对所感兴趣的模拟信号进行采样采样速率应该取多大软件无线电中的采样有些什么特殊性Nyquist采样定理:对于一个频率带限信号zO)其频带限制在(o厶)内如果以不小于上=f.的采样速率对xO)进行等间隔采样得到时间离散的采样信号x(n)=x(nr,)(其中I=/工称为采样间隔)则采样值x(n)能完全确定原信号x。这就是Nyquist采样定理。Nyquist采样定理只讨论了频谱分布在(O厶)上的基带信号的采样问题如果对频率分布在某一有限频带(五厶)的带通信号进行采样虽然同样可以根据Nyquist采样定理按工厶的采样速率来进行但是当厶”(厶一五)也就是当信号的最高频率远远大于其信号带宽时则会引入以下问题:()高速ADC器件难以实现()由采样孔径抖动造成的信噪比恶化严重:()ADC速率过高对数字信号处理速度要求高适时处理困难。由于上述问题一般很难进行Nyquist采样。由于带通信号本身的带宽并不一定很宽所以自然会想到能不能采用比Nyquist采样率更低的速率来采样而依然能正确地恢复原始信号x(f)。这就是带通采样需要解决的问题。带通采样定理:设一个频率带限信号x(f)其频带限制在(无厶)内如果采样频率f满足::!堕五“(n)公式()中”取能满足正(厶L)的最大正整数(进行等间隔采样所得到的信号采样值工即I)能准确地确定原信号z()。公式()用带通信号的中心频率五和频带宽度B也可表示为::』丘(.))则用工(.)其中五=五{盘n取能满足工B(B为频带宽度)的最大正整数。电子科技大学硕士学位论文带通采样定理表明对带通信号而言可按远低于倍信号最高频率的采样频率来进行欠采样(采样率小于奈奎斯特频率)采样频率可大大降低减少后端数据处理的工作量提高处理效率中频数字接收机也易于实现。实际上当矗=厶/、B=厶时取胛=式()就是Nyquist采样定理。也有的文献将由带通信号采样定理确定的采样频率表述为:盗f盟()m~m一其中肌=一【等x】为不大于x的最大整数。带通信号采样定理表明:对带通信号而言可按远低于两倍信号最高频率的采样率来进行采样。采样率的选择需要注意以下几点:()ADC前的抗混叠滤波器工程上易实现:()采样频率的容许偏离足够大便于采样时钟的实现:()采样后所需信号频谱的保护带宽足够大以便于滤波器的实现。带通采样定理的应用大大降低了采样率理论值因而也大大降低了对ADC和DSP的要求。带通采样也称为欠采样~般把采样频率低于两倍信号最高频率的采样称欠采样。反之把采样频率高于两倍信号最高频率的采样称为过采样。毫无例外射频信号传输的均是带通信号任何接收机的中频信号也还是带通信号接收机数字化在愈来愈高的中频上进行故高数字中频接收机、通信接收机、导航定位接收机、雷达接收机、电子侦察接收机等都可运用带通采样定理对模拟信号进行欠采样将其数字化。.多速率信号处理软件无线电最基本的理论就是带通采样定理带通采样定理大大降低了所需的采样速率为后面的实时处理奠定了基础。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会对不同信号有更好的适应性另外由信噪比的计算公式我们知道对一个频率较高的信号进行采样时如果采样频率取得太低对提高采样量化的信噪比是不利的。所以一般而言在器件等条件允许的情况下带通采样速率应该尽可能选的高些。但是随着采样频率的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很难满足实时性要求。而一个实际的无线电通信信号带宽比较窄实际对单信号采第二章数字接收机基本理论样时所需的采样速率是不高的为了降低后级基带处理的压力和难度一般需要对采样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度、处理的实现提供了理论依据。本节将专门介绍多速率信号处理的一些基本概念和基本理论。..整数倍抽取如图所示D倍抽取是把原始序列x(n)每隔D。个数据取一个其余D一采样数据全部去掉以形成一个新的序列。生伊图整数倍抽取若原序列的数据速率为则新序列的数据速率为z/D。新序列可以表示为xo(m)=x(mD)()若设原始序列的离散傅氏变换为X(ej。)则抽取后得到的新序列的离散傅氏变换为:%(扩)=五缶DⅣe)'(ah)/o(.)由式可以知道D倍抽取后新序列的频谱(离散傅氏变换)为抽取前原始序列频谱的平移和D倍展宽后的D个频谱的叠加和。抽取相当于是对原始序列重新采样。显然如果原始序列的采样率为f则其无模糊带宽为f/那么D倍抽取后得到的新序列的采样率为f/D从而新序列的无模糊带宽为.f/(D)。也就是说抽取前原始序列不能含有超过.f(D)的频率分量否则抽取后的新序列就会发生频谱混叠无法从新序列中正常恢复出原始序列。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需要加一低通滤波器使原始序列在滤波后只含有小于is/(D)的频率分量这样再进行D倍抽取则抽取后的频谱就不会发生混叠。则新序列可以准确地表示原始序列所以对新序列进行处理等同于对原始信号的处理但抽取后的数据速率只有原来的D分之一大大降低了对后级处理在速度上的要求。所以一个完整的抽取器应该是以下的结构:电子科技大学硕士学位论文..整数倍内插图抽取器的完整结构所谓整数倍内插是指在两个原始抽样点之间插入一个零值若设原始抽样序列为x(月)则内插后的序列为:枷):孵)(肛呲埘)()【其它设原始序列的离散傅氏变换为X(ej。)则内插后得到的新序列(胁)的离散傅氏变换x(e国)为:置(口”)=(珊p一””=x(n)e一帅()=X(e。”、由上式可知内插后的信号频谱是原始序列频谱经倍压缩后得到的。这时x(ej。)中不仅含有原始频谱还含有原信号的高频成分为了从丑(e。)中恢复原始频谱必须对内插后的信号进行低通滤波。从上面的分析得出一个完整的倍内插器的结构如图所示其中H。”)为低通滤波器。亚’..取样率的分数倍变换在实际中往往会碰到非整数倍取样率变换的情况假定取样率的变换比为第二章数字接收机基本理论R=I}D。取样率的分数倍变换可以通过先进行内插再进行D抽取来实现如图。图采样率的分数倍变换图.采样率的分数倍变换的结构两个滤波器工作再同样的数据率下这时可以将两个滤波器合并如图。合并后的滤波器应该满足:酬=般台..抽取内插滤波器多相分解的结构()前面介绍了多速率信号处理中的两个最基本的重要概念即抽取和内插给出了实现抽取和内插的结构模型。但这两种模型对运算速度的要求是相当高的。这主要是表现在抽取中的低通滤波器H(e一)是位于抽取之前也就是说低通滤波器是在降速之前实现的而对于内插器其低通滤波器H(e一)位于内插之后也就是说低通滤波器是在提速之后进行的。总之无论是抽取器还是内插器其数字滤波均是工作在高速率的条件下这无疑大大提高了对运算速度的要求。本节将讨论有利于实时处理的抽取器、内插器的多相滤波结构。设FIR滤波器为阶转移函数为:H(z)=h(p)z一p=(.)电子科技大学硕士学位论文令r满足:r=Ma其中a为整数参看下面的矩阵:l(O)hO)h(M)^(^彳)h(M)th(M一)h(kM)h(gM)h(k)M)h(a)M^【一)MI】h(aM一)L(.)先将lz(p)z一按每列相加即h(pMk)z(pM“’然后将M个和再相加即p=得该滤波器的多相表示:MI扣lH(z)=h(pMk)z肌q。:、()=Ph(pMk)(z”)”I则M一圩(z)=z乓(z”)()k=O其中巨()为g(z)的多相分量。根据以上分析可知FIR滤波器可以由常规的r矩阵改为日M矩阵(r=aM)。之所以做这样的分解是因为数字滤波的过程就是输入信号序列与数字滤波器的卷积改为axM矩阵结构后按列与信息序列卷积同原来的卷积过程是等效的。有了上述FIR分解的基础就可以进一步分析将抽取内插部分与滤波器结合到一起以后如何组合才能有效的减少滤波运算。了解了滤波器多相分解的原理后可以把抽取器、内插器中的数字滤波器分别用多相结构表达为:DlⅣ(z)=z~取(z。)IcO日(z)=z州“’Rk(z。)(.)(.)OJ二一M=女卜M印M“脚=村眩令第二章数字接收机基本理论佃其中最()=h(nDk)z~Rk(z)=乓。。)(z。)。其中抽取器的多相结构框图如图.。图抽取器的多相结构框图由图可见抽取器多相结构中的数字滤波器最(z)位于抽取器之后即滤波是在降速后进行的。同理内插器多相结构中的数字滤波器疋(z)均位于内插器之后即滤波是在提速之前进行的。这就大大降低了对处理速度的要求提高了实时处理能力。而且这种多相滤波结构每一分支路滤波器的系数也将减少这样还可以减少滤波运算的累积误差提高计算精度。..抽取的多级实现多级实现的必要性Ⅲ:为了降低对后级处理在速度上的要求一般在下变频后需要进行降低数据率的抽取处理。为了防止抽取后信号频谱混叠抽取前需要进行低通滤波。所需滤波器的阶数(采用窗函数法)N::.......g.g........x蝎工(.)其中为过渡带宽度占为阻带衰减.f为数据进入滤波器的速率。在抽取倍数较大的时候所需低通滤波器的阶数将会非常高。所以一般采用多级实现抽取抽取前加滤波器的方法来降低对滤波器设计的要求。在变换取样率的系统中采用多级实现的方法有重要的现实意义它的优点主要体现在:()实现抽样率变换系统时可以显著地降低运算量。()降低系统中地存储量。电子科技大学硕士学位论文()简化滤波器设计问题即允许每一级归一化地过渡带比较宽。()实现数字滤波器时可以减少有限字长效应(即舍入噪声和系数灵敏度)。第三章数字信道化接收机原理及其实现方案.概述第三章数字信道化接收机原理及其实现方案目前常用的以带通采样技术和高效数字下变频方法为核心算法的宽带数字接收机属于引导式数字接收机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。为此需要寻求一些其他方法侦收信号降低对测频精度的依赖性。在绪论中提到了频率信道化接收机方法。该方法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。由于该方法不需要目标信号的中频信息具有并行处理能力对此的研究也比较多“’”。早期信道化侦察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。数字信道化接收机则由于使用了数字化处理可以有效地解决信道不均衡的问题。数字信道化接收机的最大难题是系统复杂度高分辨力与系统复杂度成正比。虽然可以通过特征值分解等方法可在一定程度上降低对滤波器的依赖但是这些方法在高速情况下难以实现。本章将多级抽取应用在宽带信道化接收机中争对系统要求提出一种先利用数字下变频将信号变到基带然后在I、Q两路分别进行信道化的方法。降低系统设计难度著且同样实现了全概率的处理。.基于均匀DFT滤波器组的数字信道化接收机..信道化接收机模型在绪论中提到了信道化接收机方法该方法的基本原理是将输入的全带信号进行频带分割即将侦收到的信号频段分解成若干个不同频段又称为子频段或子信道然后对各子段分别处理。为了得到更高的频率分辨率各子频段可分别再进行第二次分割、第三次分割直到满足频率分辨率的要求为止。早期信道化侦察接收机均采用模拟方法但模拟信道化接收机信道不均衡陛无法克服数字信道化接收机则由于使用了数字化处理可以有效地解决信道不第三章数字信道化接收机原理及其实现方案均衡的问题。滤波器组是信道化接收机最重要的环节之一通常我们希望设计出频率分辨率一致的接收机即各通道中滤波器有着相同的特性和带宽然而在设计模拟滤波器组时滤波器的特性很难控制要做出许多性能(如带宽、波动因子)相同的滤波器是很困难的而这一点在数字化接收机中应用数字信号处理技术是很容易实现的。数字式信道化接收机是建立在模拟信道化接收机的基础上的在接收端设计有ADC将模拟信号数字化这种处理方法的主要优势得益于数字信号处理技术的发展。在数字式信道化接收机中为获得均衡的信道特性通常采用的方法是均匀DFT滤波器组的方法。图是基于低通滤波器组的数字式信道化接收机模型其中X(nT)为经过采样后的高速数据它包含了监视带内的所有信息N为数字滤波器组子带数目D为抽取间隔hk(nT)(t=ON)为N个带通滤波器滤波器组输出N个基带信号:Yk仰r)(女=N一)。图基于低通滤波器组的数字式信道化接收机模型滤波器组的频域通带特性如图.所示。H(ea“)}图滤波器的频域通带特性第三章数字信道化接收机原理及其实现方案对于第k个信道中的信号滤波有:yk(nDT)=【x沏丁)hk(mT)l(mnD)T()n=若滤波器组的第k通道带通滤波器冲击响应hk(nT)与第通道低通滤波器冲激响应ho(nr)具有如下关系:丝h魄(n丁)=ho(nT)eⅦ()/tk(z)=峨矿。)()口则称这个滤波器组为均匀滤波器组其中矿:P’百“。信道总数N受抽取比D限制通常情况下D=N。抽取的目的是为了降低运算的复杂度、节省运算量。.基于多相结构的均匀滤波器组从信道化接收机的结构中可以看出信道化滤波器是信道化接收机的重要组成部分。通常数字信道化接收机的滤波器都是基于多相滤波技术来实现的它是宽带接收机直接实现方式的高效实现形式该结构可从宽带数字式信道化接收机的直接实现形式变化而来。图.是宽带数字式信道化接收机直接实现形式其信道化滤波由一组低通滤波器组成每个滤波器具有相同的特性和带宽其中心频率位于相应信道的载波频率上之后由混频器将其变换到基带宽带接收机的直接实现形式不适合宽带数字接收。由图可以看出数字下变频的工作速率需与前端ADC输出速率一致。实现宽带接收需高采样率ADC输出高数据率数据这种结构对乘法器的运算速率要求很高可实现性不强。滤波器的多相结构在..节中有详细介绍。多相滤波器算法比低通滤波器组的算法更高效且硬件实现简单。简单地对基于低通滤波器组的信道化接收机及基于多相滤波器的信道化接收机的算法复杂度做对比设接收机的信道数N=低通滤波器阶数为M=则所需要做的乘法数目分别为:()基于低通滤波器组的信道化接收机需要做乘法数:P=N(M)=()基于多相滤波器的信道化接收机需要做乘法数:P=NxMMlM可见多相滤波器算法比低通滤波器组的算法更高效且硬件实现简单。电子科技大学硕士学位论文数字信道化可以看成一个数字滤波器组根据频率的不同输入信号将会通过某个输出端输出。通过测量滤波器组的输出可以确定输入信号的频率。我们希望设计频率分辨率一致的接收机各滤波器有相同的特性和带宽以保证各信道都是均衡的。现代信号处理中的FFT技术可以满足上述条件而且它的运算量相对单独设计每个信道滤波器来说要少得多如果能将FFT运算应用到滤波器组中将是非常有利的。。对图l的结构通过推导可以得到以下的实现结构具体推导过程参见参考文献本文就不作详细推导。臣H塑!!卜D点DFT圈叫ⅢW匹卜f砷图滤波器的频域通带特性经由如图.中数字式信道化接收机直接实现形式到图中基于均匀DFT滤波器组的数字信道化接收机结构的等效变化使得上图所示的接收机结构具有如下优点:.各支路共用同一个低通FIR滤波器每一个通道的多相滤波器都

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