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数字信道化瞬时测频接收技术的研究.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《数字信道化瞬时测频接收技术的研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含分类号UDCY密级:编号:工学硕士学位论文数字信道化瞬时测频接收技术的研究硕士研究生指导教师学位级别学科、专业所在单位论文提交日期论文答辩日期学位授符等。

分类号UDCY密级:编号:工学硕士学位论文数字信道化瞬时测频接收技术的研究硕士研究生指导教师学位级别学科、专业所在单位论文提交日期论文答辩日期学位授予单位唐宏赵春晖教授工学硕士通信与信息系统哈尔滨工程大学年月年月哈尔滨工程大学哈尔滨:程大学硕士学位论文摘要在雷达侦察接收机的设计中一般要具有瞬时宽带频率覆盖、高的灵敏度和动态范围、检测同时到达信号以及高的测频精度和频率分辨率等性能要求。信道化接收机可以满足这些要求但传统的模拟信道化接收机存在相位非线性和各信道间幅度增益不一致等缺点。目前的宽带数字接收机又存在着高速ADc与后端低速率DsP处理能力之间矛盾的“瓶颈”问题。本文根据雷达侦察接收机的设计中所面临的问题提出一种基于多相滤波器组的数字信道化瞬时测频接收机的设计方法并进行了深入的理论分析用大量计算机仿真实验验证所设计的接收机的性能。本文的主要工作包含了以下几个方面:研究了宽带数字接收机的性能要求以及所面临的主要问题和目前的解决方法提出了一种基于多相滤波器组的数字信道化方法并进行了计算机的仿真实验对其性能进行了深入分析。研究了雷达侦察接收机对于频率测量的要求提出了一种基于协调旋转数字计算机(cordic)算法和一阶相位差分算法的瞬时测频方法并且进行了计算机仿真实验对其测频精度进行了详细的讨论。介绍了ALTERA公司stratix系列FPGA的特点提出了数字信道化瞬时测频接收机各部分的FPGA硬件实现方法并在FPGA设计软件QuanusII中对系统做了FPGA硬件仿真实验对测频精度进行了分析。关键词:数字信道化瞬时测频多相滤波:cOIIc哈尔滨工程大学硕士学位论文AbstractIntedesignofradarrecoImaissancereceivergeneraUyhavethecharacteristicsincludingbroadbandinstalltalleousfrequencycoveragegoodsensitiVityanddynamicr趴gesimultaIleoussignaldetectionaIldfinefrequencymeasurement.Thechannelizedreceivercoversmesecharacteristics.buttlle仃aditionalaIlalogchaIlnelizedreceivershavethelimitationstatisphasenonlinearitytheamplitudegaillnonconsistentadsoon.Atpresentme埘debanddigitalreceiverhasthe”bottlenecquestionthatmehi曲speedADccannotmatchlowspeedDSPprocessingability.Accordingtomequestionwhich也eradarreconnaissancereceivcrinthedesignthisdissertationpmposesadesignmetllodofch猢elizedreceiverbasedonpolyphasefiltersandtheircorreSpondingⅡleoreticalanalysesare西vcn.Thealgoritmsandconclusionsinmedissertationareverifiedbyaplentyofcomputersimulations.Themainworkof廿lisdissertationcontainedfollowingseveralaspects:Intlledissertationwestudiedtllecharacteristicsofwidebanddigitalreceiverthemainquestionsolutionmethodatpresemproposedadesignmethodofchannelizedreceiverbasedonpolyphasefilters.Thecompu衄’simulationsexperimemsweredonethep酬FonnaIlcesatlalyseddc印ly.Inmedissertationwestudiedthecharacteristicsoffrequencymeasurememaboutmdarreco皿aissancereceiverproposedonekindofinstantalleous缸quencymeasurementmethodbascdonⅡlecordicalgorithm锄dmeoneordefphasediffbrencealgorimmaIldthecomputersimulationSweredonethe疗equencymeasurementprecisionwasdiscussedindetail.ChamcteristicsofFPGAofS拄atixseriesoft}leALTERACorporationwereimroducedFPGAhardwarerealizationmethodofeachpartofmedig“alch锄eljzedIFMreceivcrwasproposed丑dthesyst锄FPGAh甜dwaresimulationsweremadeinFPGAdesigIlsoftwareQuanusIIadfrequency哈尔滨工程大学硕士学位论文measurementprecisionwasanalysedindetail.Keywords:d茸talchannelizedIFMpolyphasefilterCOIIC哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作是在导师的指导下由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字):一曩、、、。曼之、日期:一p。年。:月k日哈尔滨工程大学硕士学位论文.引言第章绪论电子战接收机。‘I是电子情报保障体系中的重要组成部分它的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地进行处理最主要的特点是频带宽几乎覆盖整个无线频段【lI(通常认为是GHz到GHz)待处理的信号种类多对非合作信号进行被动侦察接收。它侦察接收结果的性能直接影响电子对抗干扰的效果。现代电子战接收机种类繁多但总的说来还没有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受到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。目前电子战系统往往都是在已知或者在事先假定的几种信号形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、能够适应多种信号形式的侦察接收机是电子战发展的必然趋势。年代以后随着微电子技术的迅猛发展数字信号处理技术开始获得广泛应用并逐步显现出模拟处理无法达到的优越性。但年代中期以前由于受A仍器件采样速度和后续数字信号处理器件(DsP)的限制数字化处理主要还是在相对较窄的中频带宽上处理比如雷达系统可能就是几MHz到几十MHz通信系统处理的带宽就更窄。到了年代中期以后宽带数字信号处理开始受到高度重视各种商品化的宽带高速信号处理器件也在市场上大量涌现为宽带数字化技术工程实现奠定了基础。软件无线电【。I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即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利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l哈尔滨工程大学硕士学位论文电子战侦察分析接收机。.研究目的及国内外研究状态电子战接收机要求有瞬时宽带频率覆盖、良好的灵敏度和动态范围、检测同时到达信号的能力以及较好的测频精度和频率分辨率。在设计中采用信道化接收机可以较好满足这些要求。传统的模拟式信道化接收机f‘m把瞬时带宽划分成相互交叠的多个信道每一个信道对应一个模拟滤波器对每个滤波器的输出信号检测之后判断信号驻留于哪个信道后面再进行AD采样和识别、参数测量等信号处理。但传统的模拟式信道化接收机在性能上由于受到模拟器件的限制。存在相位非线性和各通道之间的幅度增益不同等缺点并且这种模拟式的信道化接收机的测频精度较低其体积、重量和功耗较大。基于软件无线电技术的宽带数字接收机是通过中频直接采样把目标信号的原始信息不失真的记录下来利用各种数字信号处理的方法和频谱分析工具进行处理测频精度和实时性由频谱分析方法决定。由于数字信号处理的精度高、方法灵活接收性能会得到显著提高。将传统的信道化接收的概念和宽带数字接收机相结合起来将目前成熟的中频数字处理技术应用于信道化接收机用数字中频信道化代替模拟滤波器组克服传统信道化接收机存在的问题和缺陷。这样数字信道化接收机【l’”j具有传统模拟信道化接收机同样的优点又由于采用了数字技术滤波器的一致性好、可靠性高。不仅能够大大提高测频精度而且符合数字化趋势的发展潮流这无疑在整个接收机性能上产生质的改变。目前随着微电子技术的发展A/D器件采样率也在逐步提高采样率可达到GHz以上GHz采样率的A/D器件在市场上可以买到。A他器件选择范围大这就为研制数字信道化接收机提供了物质条件现代频谱分析技术已在许多领域获得到了广泛应用数字滤波器和FFT等有非常成熟的各种优化算法各大器件公司也不断地推出高性能的专用器件:FPGA器件【l“单芯片集成度已达到百万门级以上芯片上丰富的嵌入式RAM便于与高速~D器件直接接口以及DsP模块一些关键性的复杂的频谱分析算法都可在哈尔滨工程大学硕士学位论文芯片内实现。可见研制高性能小型化的数字信道化接收机的条件无论在理论上和工程实践上都已经具备。数字信道化接收机目前国内某些科研院所和高校都正在预备研发阶段从它的性能优势上看可以预见它能够克服模拟式信道化接收机存在的缺点非常适合应用在星载平台上。因此高性能的数字信道化接收机的研制具有广阔的发展空问和应用前景。.本文研究工作及论文安排第二章介绍了宽带数字接收机设计中遇到的主要问题并重点介绍了两种实现降低数据率的方法即数字下变频和带通欠采样技术。第三章着重提出了一种基于多相滤波器组的数字信道化算法详细的介绍了该算法的推导过程并针对实际的雷达侦察系统做了仿真实验对其性能进行了分析。第四章介绍一种基于协调旋转数字计算机(cRDIc)算法和一阶相位差分算法的瞬时测频方法实现信号的检测和频率的测量并对测频算法进行了仿真对其测频精度进行了分析。第五章对可编程逻辑器件及EDA技术进行了简单的概述介绍了s咖ix系列FPGA特点提出了数字信道化瞬时测频接收机的FPGA硬件实现方案并利用QuanusII软件对其进行仿真对硬件仿真的测频精度进行分析。哈尔滨工程大学硕士学位论文第章宽带数字接收机及相关技术.概述目前由于数字接收机具有很强的灵活性和开放性正越来越广泛的应用于电子战系统中。数字接收机在现代电子战中属于电子侦察系统它的任务是全概率地截获敌方的雷达信号并对其参数(包括脉宽、幅度、载波频率、到达角、到达时间等)进行估计形成脉冲描述字(PDw:PulseDescriptionword)并传送给后续的电子干扰系统圈.为一种数字接收机方案的框图。图.一种数字接收机方案框图现代电予战环境中有可能在一段时间内存在多部敌方雷达的发射脉冲每秒接收到的雷达脉冲可能达到上百万个并且有可能在同一时刻接收到两个以上的雷达脉冲。因此要求接收机具有同时处理多信号的能力。同时现代雷达发射的脉冲载频位于~GHz的射频范围内要实现全概率截获就必须具备在整个~GHz内实时处理接收到雷达信号的能力。因此又要求接收机具有高速大动态范围的ADC和高速DsPs。所谓全概率截获是指在数字接收机的侦察频段内的能量足够大的信号都能被截获而不会丢失。理想的数字接收机是指前端的ADc对天线的全频段进行高速数字化所有的处理工作都在后续的超高速DsPs上进行采用数字信号处理的各种高分辨率算法实时地得到所需的全部信息。尽管ADc变换器的工作速率尽管已经达到GHz以上但是与雷达信号的中频分布GHz~G}{z相比还哈尔滨工程大学硕士学位论文是远远不够。目前在现阶段实现全数字化宽带雷达信号侦察接收机有很大难度需要模拟器件辅助完成。由于高速AD器件的采样速率无法对射频直接采样前端下变频必须用模拟器件来完成只能使数字系统尽可能接近射频减少模拟环节。另外现有高速ADC和DSPs的处理速度不在一个数量级上DsPs无法单独实时地处理前端高速ADc输出的全部数据。前端高速ADC与后端低速率DSP处理能力之间矛盾的“瓶颈”问题也是限制接收机数字化的主要因素这些都是现代电子战中数字接收机面临的主要挑战。现阶段对ADc输出数据的实时信号处理就必须使ADc输出速率与DsPs的处理速度进行匹配这就需要降低ADC输出数据率。降低ADC输出数据率通常采用数字下变频旧、带通欠采样【‘数字信道化等方法。本章着重对前两种方法进行介绍。.数字下变频..数字下变频原理根据傅里叶变换的性质可知实信号x(f)的频谱具有共轭对称性即x(厂)=x(一)。因此其正、负频率的幅度分量是对称的相位分量是相反的只需用其正频分量或负频分量就可完全描述x()不会丢失任何信息。取正频分量构造一个信号z(f)令它的频谱z()为fx(厂)厂>oz(厂)={x(/『)=o()lo<oz(r)与x(r)的关系:z(f)=x()研x(f)】其中圳x(r)】表示为x()的Hilbert变换。由Hilbert变换的性质可知x(f)和研x()】是正交的。的。因此:(f)是z(f)的正交分解称为x(f)复解析信号。中频信号可以用一个实的窄带信号表示为:x)=dO)cos铋口(f)()哈尔滨上程大学硕士学位论文对应的频谱为x()如图.所示:图|窄带信号的频谱结构其中B为信号的带宽当>>B。石由以上的分析可得窄带信号』(f)的解析表达式为:z(f)=口O)cos【of口(f)】/盘(f)sin珊or臼()()相应的极坐标形式为:z(r)=口)P’‘州‘‘”=口(f)口’(f)ew(.)将上式乘以P。“‘把载频‰变为零其结果成为基带信号(零中频信号)记为:z口O)=口(f)P。‘‘=zⅢO)止口()(r)()其中z。=口(f)cosp)Iz。=口O)sin联明它们称为基带信号的同相分量和『F交分量。一个实的窄带信号既可用解析信号z(f)表示也可用基带信号z。()表示。因为实现理想的Hilbert变换的阶跃滤波器无法实现而获得基带信号比较容易。另外从解析信号z(r)出发容易获得信号的三个特征参数:瞬时幅度瞬时相位和瞬时频率。这样就为信号分析和参数的测量、识别和解调提供了充足的信息。如果不进行正交分解由于噪声的干扰信号的三个特征就较难提取。用模拟方法实现正交变换的缺点是本振信号cos(‰r)和sin(纨)得正交性难以保证。可采用数字信号处理技术加以克服即先对模拟信号x(f)采样形成数字序列x(胛)然后与两个正交本振序列cos(。H)和sin(缈。以)相乘再通过数字低通滤波抽取输出基带信号。数字下变频原哈尔滨一T:程大学硕士学位论文理结构如图所示。图.数字下变频原理框图..数字下变频的缺点虽然数字下变频的方法是一个简单易行的降低数据率的方法但是目前数字下变频的方法应用到宽带雷达侦察数字接收系统中并不合适原因主要有如下几点:()在芯片的处理速度上NC及乘法器直接工作在ADc的高速输出数据速率下现在宽带数字接收机的AD采样率可达到几个G舷而目前市场上专用的数字下变频芯片最高工作频率也只有一两百兆。()在雷达侦察系统中需要考虑同时几个脉冲信号同时到达的情况对于N个同时到达信号则需要N路数字下变频硬件这对于系统的硬件消耗是很大的。()选择数字下变频器的时候需要有两个重要的参数一个是信号中心频率一个是信号的带宽但是雷达侦察系统接收的都是非合作信号在面对非合作的信号的情况下没有以上两个参数的任何先验知识。如果用数字信号处理方法估计信号频率那么信号处理器直接面对的是ADC的高速输出无法满足实时运算的要求。哈尔滨工程大学硕士学位论文.带通采样..带通采样原理考虑到数字信号处理电路的处理速度原则上ADc的采样频率越低越好但采样频率也不能太低否则抗混叠滤波器很难设计。采样方式可分为奈奎斯特采样和带通采样。如果使用奈奎斯特采样方式随着信号频率的不断上升采样速率也以倍的速度增长这样就会给ADc带来很大的压力。带通采样技术能够有效地解决这个难题。带通采样的本质就是在不使信号频谱产生混叠的情况下降低对信号的采样率从而达到降数据率的目的。其作用与在模拟域下变频使信号频谱从高频搬移到零频附近然后进行低通采样是一致的。对于带通模拟信号x(f)由于其带宽曰=^~/小于^可以用比奈奎斯特采样更低的频率来采样从而提高ADc的性能降低对ADc的要求其最低必须的采样频率工应为工=^/)H是小于兀/B的最大整数。带通信号采样后的频率如图.所示。图.带通采样后的频谱图若是采样后的频谱不发生混叠应满足:{。。嚣急陋sl(”)/:一^/j即鱼正兰盟n是小于兀/B的正整数。"ln哈尔滨工程大学硕士学位论文()式即为带通采样定理。若使各边带间隔相等由图知Z一(矿一石)=【(”lM一无】一^(.)可得工=鼍旱(s)J』’l、一”其中频中心频率为^=(兀)/图.为带通信号无混叠抽样率与上限频率的关系。图.带通信号无混叠抽样率与上限频率的关系..抗混叠滤波器虽然带通采样可以降低采样率放宽对于ADc的性能要求但信号通过带通采样后的信噪比会恶化因为各种宽带的噪声(如热噪声)等都会通过采样后的频谱搬移折叠到采样后的奈奎斯特带宽f/中去。解决的方法是在带通采样之前先将采样值进行带通滤波滤除信号带宽以外的噪声降低信噪比的恶化程度。带通滤波同时也起到了另外一个作用就是抗混叠。通常带通滤波主要有多相滤波器组积分梳状(cIc)级联滤波和半带滤波等。我们这里主要介绍cIc级联滤波和半带滤波。..半带滤波器哈尔滨工程大学硕士学位论文半带滤波器在多速率信号处理中有着特别重要的位置因为这种滤波器特别适合实现D=”倍(即的整数幂次倍)的抽取或内插而且计算效率高实时性强。所谓的半带滤波器是指它的频率响应H(e)满足以下关系的FIR滤波器。埘=万一卯(.()J。=dP=占()或者说半带滤波器的阻带宽度积一%)与通带宽度%是相等的且通带阻带的波纹也相等如图.所示。图.半带滤波器频率特性可以证明半带滤波器具有如下性质:詹。)=一Ⅳ肛叫)(.)H(口川)=o.(一)纠={:七:』盖.p哟也就是说半带滤波器的t冲激响应^忙)除了零点不为零外其余偶数点全为零所以采用半带滤波其实现取样率变换时只需一半的计算量。有很高的计算率特别适合于进行实时处理。接下来我们讨论半带滤波器能否作为D=倍的抽取滤波器。根据前面抽取的讨论进行倍抽取时的理想抽取滤波器应满足:哈尔滨工程火学硕十学位论文巩:』悱三()lo其它如图.(a)所示。而现在的半带滤波器(如图.(b)所示)在(厅/~。)区间仍然不为零(过渡带)是不满足无混叠抽取条件的。这就势必要产生混叠如图.(c)所示。由图.(c)可见经倍抽取后的信号在脚~万区间(对应抽取前的信号频率为珊~丌/)是混叠的位于这一频段的信号经过倍抽取后是无法恢复的。但是我们注意到只要半带滤波器满足图.(b)的特性抽取后在其通带即O~仍无混叠或者说采用半带滤波器进行倍抽取后位于通带内(~缈)的信号仍然是可以恢复的不会破坏通带内信号的频谱结构。所以就通带信号而言完全可以采用半带滤波器进行倍抽取我们只要根据抽取前后的速率和信号带宽对m和国。进行仔细设计就行了。Ⅳ。pHk”Hk一图.半带滤波器用作倍抽取滤波器时的混叠情况...积分梳状(CIC)滤波器上节讨论的是当抽取因子D是的幂次方时采用的是半带滤波的抽取的方法但这是一种特殊的情况在实际中抽取园子D往往不恰好是的整数倍本小节介绍积分梳状<CIC)滤波器实现整数抽取。积分梳状滤波器的冲激响应具有如下形式:l鳖玺堡圭堡查兰竺圭耋堡釜兰砌)={j畦黧~()D为CIC滤波器的阶数也是抽取因子。它的z变换为)=纂^”=专.。)()H(z)=^)彳”=七一巧。)()月Uo把z=P。带入上式CIc滤波器的总频率响应为帕小誊毋肋(刳陋式中筋G):些必为抽样函数图.为cIc滤波器的频率特性图。图CIC滤波器的频率特性单级的cIc滤波器的旁瓣电平是比较大的只比主瓣低.db这意味着阻带衰减很差一般难以满足实用的要求的。为了降低旁瓣电平可以采用多级cIC滤波器级联的方法来解决例如Q级cIC的频率响应为:%G一)=斜够肋酽(詈)陋取级的话第一旁瓣衰减可达到约dB。但是级联后的cIc滤波器哈尔滨工程大学硕士学位论文应用到数字接收机中仍有缺陷那就是它的通带并不平坦输出信号的完整性不好。..带通采样的缺点和数字下变频类似带通采样应用到雷达侦察接收系统中也有着它固有的缺点:第一带通采样需要有两个参数:信号中心频率和带宽才能确定正确的采样率。第二对于N个同时到达信号需要N带通欠采样硬件。.本章小结本章介绍了数字接收机设计中遇到的主要问题和相关技术并重点介绍了两种实现降低数据率的方法即数字下变频和带通欠采样技术。通过比较分析由于这两种方法都存在着固有的缺点因此通常应用到通信领域当中对于雷达侦察系统并不是很好的方案。下一章将详细介绍一种基于多相滤波器组的数字信道化方法来实现数字信号的降速和下变频。哈尔滨工程大学硕士学位论文第章数字信道化接收理论的研究.引言电子战接收机需要一个非常宽的频带来检测和辨别敌方信号为了确保高信号截获概率信道化接收机是较理想的选择它把整个频带分割成多个子频带。为了提高信号处理速度除了采用并行处理算法或并行处理芯片也可以采用数字信道化接收机的方法。图.为数字信道化接收机框图A/D采样数字化后的数据同时送给多个信道(数字处理模块)分别对中频带宽内的多个信号同时进行分析处理每个中频数字处理模块对中频带宽内的哪一个信号进行分析取决于所设置的数字下变频器的本振频率输出数据。信道化接收机是一种高截获概率接收机由于它能够直接从频域选择信号避免了时域重叠信号的干扰抗干扰能力强并且它是在超外差接收机基础上建立起来的故其灵敏度高、动态范围大。由于信道化接收机继承了晶体视频接收机与超外差接收机的优点并解决了比相法瞬时测频接收机难以解决的对同时到达信号的分离问题使得向宽开式全概率接收机迈进了一大步。信道化接收机对高密度信号环境具有卓越的分离能力使得它适用于复杂的电子侦察系统。图.数字信遭化接收机框图哈尔滨工程大学硕士学位论文侦察接收机的几个重要的性能包括:覆盖宽的瞬时频率范围较好的灵敏度和动态范围同时到达信号的检测、判决和编码:精确的频率测量等。信道化接收机可以较好的达到这几个性能要求。传统的模拟信道化接收机使用一组相邻的模拟滤波器组每个滤波器的输出经限幅放大检波门限检测对输出视频信号进行判断确定信号真实所在哪个信道并对信号的参数估计和编码。参数通常包括信号的中心频率、脉冲幅度、脉冲宽度和到达时间等。但在模拟滤波器组中滤波器的特性很难控制要设计许多性能(比如带宽波动因子)相同的滤波器是非常困难的。在编码器的设计时就必须考虑这个问题使得它的设计更为复杂。数字滤波器组的每个滤波器的特性可以控制得比较好编码器不需要对滤波器之间的性能差异进行补偿。因此它的设计起来容易一些。本章重点介绍一种基于多相滤波器组嵋”叫的数字信道化的方法这种方法具有运算高效性并且结构简单。易于在大规模集成电路中实现。.基于多相滤波器组数字信道化方法的研究本小节重点介绍一种基于多相滤波器组的数字信道化的方法这个方法提供了一个数字化接收算法和高效的硬件的解决方案采用均匀滤波器组的方法滤波器的数量K要大于信号的抽取因子I””I肘。这种方法令K=删F是一个正整数选择最佳的F可以使得编码器电路对于交叠信道的判决更简便这种滤波器组的数字信道化方法结合了短时傅利叶变换(sTFT)的灵活性和多相滤波下变频的高效性可以满足在硬件上高效实现的要求。..数字信道化接收的系统介绍..信道划分与交叠信道划分是信道化接收机设计中非常重要的一个环节它设计的性能优劣直接影响到参数编码器的设计难度。一般认为编码器的设计是接收机设计中最难的环节之一。同时又要考虑到计算量的大小和处理速度。因此哈尔滨工程大学硕士学位论文信道的划分需要采用高效数字滤波器。FIR数字滤波器系统稳定易于线性实现线性相位允许设计多通道滤波器。因此我们采用FIR数字滤波器。设N阶低通滤波器的单位冲击响应为%k】弘l一^Ⅳ一B(.)其它的带通滤波器可由这个低通滤波器平移产生每个滤波器的中心频率是。=疵/世经调制后的带通滤波器的单位冲击响应为:厅女【”】=%【n】P’嘶”k=O...K一()第k个通道的频域响应为:风(一。)=凰(e儿“)()设滤波器的通带宽度珊。=茚/K阻带宽度珊。=茚/K为了能够覆盖整个频域交叠方式采用%交叠的方式滤波器在db处交叠。多通道滤波器组的幅频响应如图.所示。图多通道滤波器组的幅频响应图..信道化处理过程与噪声分析整个数字信道化接收机的信号处理过程如图.所示虹川经A巾采样的数字信号经滤波器组调制器抽取器送入参数编码器进行进一步的参数编码处理。哈尔滨工程大学硕士学位论文图.数字信道化处理过程框图第k个滤波器的输出~一~一】儿【叫I=‰【朋】x【玎一m=‰【mk印一mP心矗州‘()m=Ⅲ=一般来说N>K如果N=KP这里P是正整数则rlPlnM=‰坍硝M一埘一丛矿酬。Ⅳ一l%MM"一m】口’““‘()m=滤波器组可以等价于短时傅利叶变换(sTFT)上式如果看作加窗sTFT则可以得到下式‰M=w卜”““()其中w仃】是一个窗函数。同样短时傅利叶变换也可以看成线性时不变的滤波器组。为了便于后端的信号处理每个通道滤波器的后面都加了一个抽取器哈尔滨工程大学硕士学位论文对输出信号进行M倍的抽取每个通道滤波器的输出信号都被调制到基带基带信号为:“女【胛=M【门P叫‘础州‘(.)频带宽度被限制在为一石/世蔓国万/足抽取之后的输出信号为:V【n】‰^刎()其傅利叶变换为:删个击丢叭扩’椰’)‘)相当于把u的频谱宽展M倍然后再以耐/M的周期重复叠加产生。如果输入到滤波器组的信号虹月】是实脉冲正弦信号s”加入了高斯白噪声州n在时域窗‰nⅣ。‰中脉冲信号为:z【门="】脚行】()这里缸n=爿cos(‰珂目)Ⅵn】~Ⅳ(o盯:)这里A是信号的幅度‰是瞬时数字频率占是一个常的相位偏移盯:是噪声的方差则输入信号的信噪比为:J洲沪象。’假设脉冲正弦信号的长度大于滤波器的长度(即眠一Ⅳ>O)则第k个滤波器的稳定输出可以表示成:yt疗】=y缸【以】y々。胛】()这里y。n】是噪声单独产生的输出响应y。n】是信号稳定的情况时单独产生的输出响应则y。”:昙厅。o一一p(一删要日。om一)e一肘(.)噪声响应y。【n】是复数的带限噪声是零均值的高斯色噪声设它的自相关函数为nf则哈尔浜工程大学硕士学位论文Ia::::。‰mf】磁mofⅣ一l“f】=E{y。【ny二.【"一f)={口::::“^。m^:mf】一Ⅳ<o()lo其它一个实信号的输出为复信号并且只有一半的滤波器的输出是独立的这时的输出为“I玎=要爿Io’‰)eⅢ蛳一虮”’yh心p‘%”’(.)输出信噪比为眠沪南筹()每个滤波器的有效噪声带宽为石/K结果使得噪声的衰减世/倍抽取之后滤波器组的输出为:《疗】=昙吼和’“弦。‘“一’“Pp十吃砷】()其中:v二【z】=P““‰A锄】式(一)是yh【n】被M倍的抽取产生的零均值的高斯色噪声序列这等效于对噪声的自相关函数进行M倍的抽取在高信噪比的条件下滤波器的输出噪声可以转化为等效的相位噪声抽取之后的输出为:v【珂】=尝日I。帅)e晒’一嘶’胁e坩e。巩‘协()由式(.】)可以提取信号的幅度脉宽和频率信息。这里仇胁】为高斯色噪声仉^咖】专Im{v刍【npl‘。。“”’}()方差:咖等=壶z...F=K/M的选取抽取之后每个通道的输出带宽被限制在哈尔滨工程大学硕:i二学位论文一疗M/世石时/K(I)为了不产生混淆必须满足:疗^f/K玎()我们设F=K肌如果F=根据滤波器组抽取的原理可以得到最大的抽取率输出的数据率降到最低易于后端的信号处理。这似乎是我们最想得到的但由于它的测频模糊当处于信道交叠的地方的时候很容易判断错误这对于频率编码器的设计则是不可以接受的图.和图.是F=l和F=的滤波器的瞬时频率响应图。y一/\\\【///I\l/、/。\/~一。/。。图.F=时滤波器的瞬时频率响应图I二/\l/、严n~nj/~一。/h/jI/图.卜日寸滤波器的瞬时频率响应图哈尔滨工程大学硕士学位论文由图.所示信号在一个信道通带内信号会混叠到其他的信道这样就必须在频率编码器的设计中对交叠信道进行幅度比较。如果信号处于两个信道的交界处由于噪声的影响将很难判决信号位于哪个信道中使得频率编码器的性能下降。因此必须选取F=K/M也就是说如果滤波器组采用%的交叠的方式那么信号的处理带宽必须大于信道带宽的两倍否则将对后面的信号处理带来困难。..多相滤波器组高效算法的推导本小节我们将介绍的是均匀多相滤波结构的推导设置=网彳均匀滤波器组的多相滤波分量为日(z)均匀多相滤波结构处理过程如图.所示。(。)PIE心‘)=‰【旅啦””()^=P=Ⅳ/棚表示取大于它的下一个整数则y。【n】为第k个通道的离散傅利叶反变换的输出为:图.均匀多相滤波器组算法结构示意图F日Ⅲ=‰哈尔滨工程大学硕士学位论文F~.y。月】=fn】P’‘。(k=o......K一)()=它的z变换为:传递函数为其中:K一e删似z。E心”)Ⅳ(z)()=一=端=扩哌玎w)注)£一l风(z)=z。局(z‘)取z=z口叩“坼(口叩删。z)。=z。则=巩(z)=日o(zP一。”‘肛)()那么儿H】的中心频率卯=疵K则(.)可以把M倍的抽取器移到上Df之前抽取届的多布日扛墓坡器阴獭出为s"】‘【^加()则它的z变换为趴护击势饥%=击墓州z%elh%)Ⅳ(zIMe一M“%”广因为F是一个整数并且P“=所以娟胎。)吉薹坤”%““%一口“~。臼。’这等同于用E(z’)替换目(z‘)并且把M倍的抽取器放到最前端改变插入K.个零为插入F.零这样数字信道化算法的整个信号处理过程都是在/M的输入信号数据率下进行的如图.所示。枷mPK睹p协HⅫ=胁嘶吖p坳欺=陋《哈尔滨工程大学硕士学位论文图.抽取器提前后的多相滤波结构在时域每个多相分量为:信号通过多相分量抽取之后的输出为n=矿(p为整数)(.)其他r【"】:窆^。f雎M胁一卜硝()凹Fr的输出为Kly。=^。雎M胁我们设气(")=%肚】x【胁一一硝】F则这时图.就可以简化成n=O如图.所示结构。J堕F。厅J........【.。..L一一kP哈尔滨工程大学硕士学位论文图.F=时的均匀多相滤波结构图.仿真与性能分析实际雷达侦察系统中接收的中频带宽MHz(MHz~MHz)我们设AD的采样速率为MHz带通欠采样无模糊带宽为MHz周期延拓之后中频带宽MHz(MHZ~MHz)落在其中的一个周期内因此不会产生频率混叠现象。无模糊带宽(MHz)分为K=个信道输入数据是实数则点的DFT输出只有十六个信道是独立的因此等效的滤波器组有个输出那么每个信道的带宽是MHz(/)这可以看作dB带宽。F=K/M取为则抽取率M为这样处理带宽就为MHz。我们利用到通道覆盖中频带宽MHz可以不计算第通道的输出.本小节就按照上述的参数对系统进行仿真并对仿真结果进行分析。..用加权函数展宽滤波器主瓣并压缩旁瓣如式()()可知多相滤波器组等价于短时傅立叶变换为了展宽滤波器主瓣并且压缩旁瓣DFT必须对输入数据加窗。我们这里用Parks.McClellan窗它可以提供理想的频率响应。图.和图.是阶Parks.McClellaIl窗的频域响应和冲击响应图它的通带内波动很小旁瓣比主瓣低dB以上。图为加Parks.McClellaIl窗滤波器组的频域图个相互交叠的滤哈尔滨工程大学硕士学位论文波器也就是个频域划分通道滤波器组采用的是%的交叠方式滤波器之间在一db处交叠。输入为频率为MHz的正弦信号则信号频率处于第通道和第通道中间处图.为加ParksMcClellaIl窗之后FFT的输出有两个相等的输出其他通道没有输出。图.为未加ParksMcClellaIl窗的FFT的输出除了第通道和第通道其他通道也有明显的输出。可见对输入数据加窗之后对主瓣有展宽作用同时对旁瓣有明显的抑制作用。捌图.ParksMcclell肌窗的实域响应图.ParksMcclellan窗的频域响应T伊I一矾豫‘矿可一rijIj。i。r^。il旷一汀i刚扣}二斗一j一。一蹦蝌jJ‘.I!|.一斗l一”j。lf瓣甜扩扩刊i甘一卜|f一州一愿蕊孺丽丽厩蒸顿率图.滤波器组的频域响应图哈尔滨工程大学硕士学位论文图.加窗FFT输出图.未加窗FFT输出..信道化输出仿真输入频率Fs=MHz(第通道)单载频正弦脉冲信号采样频率MHzKiM=幅度为如图.所示。观察各信道的输出图.为信道的信号输出实域图图.为信道l的信号输出幅度图。可见信道能够输出抽取、频移后的正弦波信号能够较完整的从信道输出并且能量主要集中在信道信道有db的衰减其他信道的能量很少。输入频率变为Fs=MHz(第信道和第信道中间)单载频正弦脉冲信号其他参数不变则信道输出幅度如图.和.输出信号的能量主要集中第和第信道。。..茅ijllii。j同一越。一盐。一随。|!i}li三l厂ljjjj..谜。哈尔滨工程大学硕士学位论文图.单载频脉冲信号图.信号输出时域图可见这种基于多相滤波器组的数字信道化算法是一种高效的算法对于高速采样的信号具有降速和下变频的作用输入信号落在覆盖频带内能够输出低速、下变频之后的信号这种低速信号易于后端的信号处理。输入Fs=MHz的正弦信号以MHz采样在第通道输出采样频率为MHz信号频率为MHz的正弦信号。由图.和.可以看到在非信号通过的主信道中会出现两个窄脉冲这是由滤波器的暂态效应引起的因为它像兔子的耳朵我们通常叫它“兔耳效应”l。哈尔滨’:程大学硕士学位论文图F妒MHz输出幅度图图FSMHz输出幅度图..兔耳效应的分析设脉冲信号的幅度为A脉宽为r即啪=七一影俘ss其傅利叶变抉为:s(小鲤“出础警协)图.是一个脉冲信号的频谱图。在频域上功率谱以二为周期f越小功率谱越宽功率谱的幅度随f的减小而下降第一副瓣的峰值低于主瓣峰值.dB。如图.所示输入的脉冲信号会在多个信道产生暂态输出这些滤波器的输出有两种基本的响应组成一种是滤波器对输入上升沿和下降沿的日、mi川.“上m一.瓣玄}|。o|量一。~一一=二nL。m哥寺‰垭oljL懈一J扩.一L。LIilI‰..m啪.om.。..~jf%叶l计l叫I州l删o《哈尔滨工程大学硕士学位论文响应另一种是对输入脉冲前后沿之间稳定的幅度产生的稳态响应。由于滤波器的边界对脉冲包络起微分的作用对应的脉冲前后沿的暂态输出特别强一般称之为兔耳效应这种兔耳效应是影响信道化接收机测频能力的主要原因之一必须在后面的信号处理是加以解决。即幅值.本章小结脉冲信号的频率响应『l采样点蝴铡图.脉冲信号的频域响应图本章提出了一种基于多相滤波器组的数字信道化算法并针对实际的雷达侦察系统作了仿真对其性能进行了分析得到了较理想的仿真结果。这种算法是一种高效的算法易于在大规模可编程器件中实现。jijHhUiiiiljiI.iiHjllj。阻i{ii{Liiii一二iiIiyl“川圳IuⅧiii《ii哈尔滨工程大学硕士学位论文.概述第章数字测频算法的研究由上一章可知信道化接收机有测频的能力但只能粗略的测量出脉冲信号频率要想得到精确的频率值必须对信道的输出信号迸一步的处理本章介绍一种基于协调旋转数字计算机(cOIIc)"】和一阶相位差分的瞬时测频|。算法这种算法简单易行易于在大规模可编程器件中实现图.为瞬时测频算法的整体框图。图.瞬时测频算法的整体框图其它通道参数.协调旋转数字计算机(cordlc)算法的研究..cordic算法鉴相原理在设计数字化中频接收机中经常会遇到利用I、Q两路正交数字基带信号来实现数字鉴频的问题。传统的数字鉴频方法是先利用查找只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)表的方法实现鉴相然后再利用一阶差分的方法实哈尔滨工程大学硕士学位论文现最终的鉴频。这种方法存在的问题是:如果要求很高的鉴相精度则不仅需要增加ROM表中的数据存储位数还要大幅度地增加ROM表的数据容量。本小节提出一种利用cORDIc算法实现数字鉴相。CoRDIC算法最初是由J.Voider于年提出来的包括旋转和向量两种基本模式可以进行向量旋转、求三角函数、反三角函数和求向量的模等运算。而后J.Walther于年提出了统一的改进型CORDIC算法改进后的cORDIc算法可以在六种不同的模式下工作这罩只介绍中所给出的CORDIC算法求取相位和幅度的基本原理如图所示。xyZno百昌k叫X十yOZarctan(/x)图.CORDIC算法求取相位和幅度示意图cORDIc算法中的旋转角度妒是通过n次微旋转嘎来近似完成的即妒可以近似用下式来表示:p=一dq吐{l}(一I)l图.第i次微旋转示意图其中因子Z用来确定第i次微旋转的方向而口则是表示第i次微旋转的量且口.总是非负的其第i次微旋转的过程如图所示。其中:V=阢r】I哈尔滨工程大学硕士学位论文卜I=I如果第一次旋转角度选取为%=。且设妒=自那么此次旋转的过程可以描述为:匕=dlIsm(舅d。)(.)x一Ⅳl‘cos(目I吐。)(.)为了容易实现从第二次旋转开始选择旋转角度为凹=喀一叫吲f>故第二次旋转开始有旋转关系式:yHl‘卜’‘sin(只每口)=rz。一‘H’()xI‘卜’‘cos(舅d口J)=x十西一‘卜’(.)其中Z=Isin辞置=Icos只。在全部旋转结束后可以补偿所乘因子使其最后范数不变化。当旋转次数确定后补偿因子k是可事先确定的且为一个常数:七=兀‘‘‘’()如果想得到初始向量vl=【五写所对应的角度(相位信恩)可选择妒{二鬻睁此定义式的含义是:如果Z<O则加上一正的分量如果rO则加上一负的分量最终使得IKI斗o(当"斗m)相位值妒可通过n次的递推得到。若假设互是经i次微旋转后的角度值且Z】=则可得到如下递推式:z。=Z『一d岱则当行j阢l斗oz。寸妒=觥瞎(/x)从而完成了向量vl所对应的角度的提取。由于COImIC算法可采用流水线型微旋转结构所以极易利用现场可编程门阵列FPGA(FieldProgramrnableGateA聃y)技术实现。由于每一流水单元都只包括加法器、移位器及一个系数存储器所以利用FPGA实现时需要的资源数和存储器较少。而且如果输入的I、Q两路信号的位数足够则输哈尔滨工程大学硕士学位论文出相位信号的精度只与CORDIC算法的微旋转次数有关也即只与流水单元数有关所以要求有高的相位运算精度只需要适当增加流水单元就可以实现但并不会大量增加FPGA的资源耗费。..cordic算法鉴相性能分析在最差的情况下当旋转n次时总的旋转角度已经完成则最后一次微旋转将产生最大的偏离误差口。。可见cORDIc算法鉴相的最大可能误差为口。若适当增加迭代次数n就可以获得高精度的输出数据。由前面分析可知cORDIc算法能旋转的最大角度为:妒。。=l喜lz口=l委口l=I羔辔妒。。藩旧qlI。l善qI善辔叫

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