陣列式探測(cè)引信多速率回波處理技術(shù)

劉 莉， 魏維偉， 馬善斌

（1．中國(guó)人民解放軍駐上海地區(qū)軍事代表室，上海200090；2．上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

隨著武器系統(tǒng)精確目標(biāo)探測(cè)和高效毀傷的發(fā)展要求，新型引信對(duì)目標(biāo)信息的精確感知已成為發(fā)展趨勢(shì)［1］，使引信信號(hào)處理發(fā)展面臨著下列需求：

a）陣列式、智能化精確探測(cè)模式下信號(hào)多通道并行實(shí)時(shí)處理；

b）引信小型化和硬件的集成化。

上述矛盾給引信設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，而傳統(tǒng)的基于低頻模擬濾波的基帶處理方式存在的下列缺陷已不適應(yīng)新型引信信號(hào)處理設(shè)計(jì)要求，這些缺陷主要表現(xiàn)為：

a）硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜；

b）幅相受硬件參數(shù)影響大引起一致性和穩(wěn)定性差；

c）硬件不可自定義配置可調(diào)試性和升級(jí)能力差。

隨著數(shù)模器件和數(shù)字處理技術(shù)的成熟，全數(shù)字化處理成為適應(yīng)引信技術(shù)發(fā)展的必要而有效的技術(shù)途徑，通過(guò)高速AD／DA將信號(hào)處理前移到視頻、中頻甚至射頻端，通過(guò)高速信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)信號(hào)多通道并行實(shí)時(shí)處理。

引信高采樣率設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)的定速率處理方法硬件開銷大、實(shí)時(shí)處理成本高，由于所處理的信號(hào)相對(duì)帶寬較窄，可以采用多速率（Multirate）處理技術(shù)，通過(guò)采樣率轉(zhuǎn)換以降低數(shù)據(jù)處理速率和容量，獲得高信噪比的實(shí)時(shí)性處理。

1 多速率信號(hào)處理概述

1．1 抽取與內(nèi)插設(shè)計(jì)

多速率信號(hào)處理的基礎(chǔ)是抽取、內(nèi)插，通過(guò)抽取、內(nèi)插處理實(shí)現(xiàn)信號(hào)的整數(shù)或分?jǐn)?shù)倍速率變換［2，3］。抽取和內(nèi)插過(guò)程會(huì)引起頻譜混疊，需要在在抽取前和內(nèi)插后采用數(shù)字濾波器抗混疊濾波，使抽取前后頻譜成分一致。

D倍抽取器結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中HLP（ejω）為帶寬小于π／D的低通濾波器，抽取后數(shù)據(jù)流速率降為D分之一，大大提高了頻域分辨率。

圖1 抽取器處理結(jié)構(gòu)框圖

I倍內(nèi)插器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中HLP（ejω）為帶寬小于π／I的低通濾波器，內(nèi)插后數(shù)據(jù)流速率升為I倍，大大提高了時(shí)域分辨率。

圖2 內(nèi)插器處理結(jié)構(gòu)框圖

1．2 抗混疊設(shè)計(jì)

由圖1、圖2可以看出，無(wú)論是抽取器還是內(nèi)插器，其抗混疊數(shù)字濾波均在高取樣率條件下進(jìn)行，抗混疊濾波器性能直接影響多速率處理效果及其實(shí)時(shí)處理能力，為抑制帶外噪聲，一般要求抗混疊濾波器的帶外抑制度超過(guò)80 dB，采用直接的FIR濾波結(jié)構(gòu)所需的階數(shù)N由式（1）給出：

式中：δ為阻帶衰減取0．0 001；Δf為過(guò)渡帶帶寬；fS為采樣速率。

當(dāng)fS／Δf較大時(shí)，濾波器階數(shù)N往往很大，使濾波器的系數(shù)和計(jì)算量非常大，在高速采樣條件下對(duì)運(yùn)算速度的要求非常高，對(duì)實(shí)時(shí)處理是極其不利的，為達(dá)到實(shí)時(shí)處理要求，常采取下列兩種濾波器優(yōu)化結(jié)構(gòu)：

（1）單級(jí)實(shí)時(shí)處理多相濾波結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)FIR濾波結(jié)構(gòu)的多相分解，即多相濾波結(jié)構(gòu)［3］，如圖3所示，使濾波器位于抽取器后或內(nèi)插器前，同時(shí)每一支路的的濾波器系數(shù)降為1／D 或1／I，計(jì)算量降低到原先的1／D2或1／I2，大大降低了處理速度要求，提高了實(shí)時(shí)處理能力。

圖3 多相濾波結(jié)構(gòu)框圖

采取單級(jí)結(jié)構(gòu)表面看結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但實(shí)際單級(jí)處理時(shí)復(fù)雜度高，當(dāng)抽取或內(nèi)插倍數(shù)較高時(shí)，所需的階數(shù)較大，難以實(shí)時(shí)處理，為此需要采取多級(jí)處理結(jié)構(gòu)，通過(guò)多級(jí)處理結(jié)構(gòu)或結(jié)合多相濾波結(jié)構(gòu)，優(yōu)化濾波器結(jié)構(gòu)。

（2）多級(jí)濾波結(jié)構(gòu)

通過(guò)將單級(jí)結(jié)構(gòu)分解為多級(jí)結(jié)構(gòu)，每一級(jí)濾波器的階數(shù)大為減少，有效降低了濾波器的設(shè)計(jì)難度，為實(shí)現(xiàn)多速率處理的高效濾波，多級(jí)濾波結(jié)構(gòu)采取級(jí)聯(lián)積分器梳狀CIC（Cascaded－Integrator Comb）濾波、反Sinc補(bǔ)償濾波、半帶（HB）濾波、直接FIR濾波、多相濾波（Polyphase Filter）相結(jié)合的處理方式，解決實(shí)時(shí)濾波處理和大帶外抑制需求的兼容。

CIC濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖4所示，由積分器和梳狀濾波器組成，具有線性相位，延遲少，不需要乘法器等特點(diǎn)，特別適合于第一級(jí)大速率濾波的實(shí)時(shí)處理，通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)提高阻帶衰減，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

圖4 CIC濾波器結(jié)構(gòu)框圖

由于多級(jí)CIC濾波器級(jí)聯(lián)后帶內(nèi)平坦度降低，需要采用反Sinc補(bǔ)償濾波器補(bǔ)償CIC后的通帶增益。

半帶（Halfband）濾波適合2M倍抽取或內(nèi)插，見圖5，其二分之一系數(shù)為0的特點(diǎn)可以降低濾波處理計(jì)算量，實(shí)時(shí)性好。

圖5 半帶（HB）濾波結(jié)構(gòu)框圖

直接FIR濾波用于低速率數(shù)據(jù)的信號(hào)濾波，實(shí)現(xiàn)精確的通帶選擇，由于數(shù)據(jù)速率較低，實(shí)現(xiàn)FIR所需的濾波階數(shù)較少，可以能滿足處理速度要求。

2 引信多速率處理設(shè)計(jì)

在某基于四象限時(shí)分掃描的陣列探測(cè)引信中，引信陣列式收發(fā)天線采取按象限掃描與多路天線并行接收技術(shù)，引信接收機(jī)需要完成多通道并行回波接收，并對(duì)每個(gè)通道回波信號(hào)實(shí)時(shí)處理，其特點(diǎn)是接收機(jī)通道多、信息處理量大。為實(shí)現(xiàn)陣列探測(cè)引信回波信號(hào)處理，傳統(tǒng)的引信接收機(jī)處理方法需要采取多路模擬開關(guān)、多路模擬濾波器、多路放大器、A／D、信號(hào)處理器的并聯(lián)硬件電路，存在硬件規(guī)模龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，且多路硬件之間幅相一致性差等諸多問(wèn)題，無(wú)法滿足引信高速、高精度、精細(xì)化目標(biāo)檢測(cè)和小型化需要，必須對(duì)引信接收機(jī)及信號(hào)處理方式進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。隨著多速率信號(hào)處理技術(shù)和高速處理器件的成熟，新型引信接收處理機(jī)可以將ADC前移到中頻或視頻端，通過(guò)對(duì)中頻或視頻回波直接高速采樣，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字分離和多速率信號(hào)處理，將傳統(tǒng)引信接收機(jī)的模擬部分轉(zhuǎn)化為全數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)了引信陣列式探測(cè)多通道回波的并行精確數(shù)字處理，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，提高了回波處理效率和微小型化程度。圖6是引信接收機(jī)多通道、并行處理過(guò)程的回波數(shù)據(jù)流，利用多速率信號(hào)處理技術(shù)優(yōu)化了信號(hào)鏈路的硬件資源復(fù)用，圖7為采取單片F(xiàn)PGA集成設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的并行實(shí)時(shí)處理的設(shè)計(jì)框圖。

引信對(duì)視頻采樣進(jìn)行100 Msps高速采樣，根據(jù)回波信號(hào)的多普勒帶寬，設(shè)計(jì)多速率處理后輸出數(shù)據(jù)率為625 k Hz，采取1／160抽取的多速率處理方法，采用抗混疊濾波器去除數(shù)據(jù)中的多余頻帶信息并降低數(shù)據(jù)帶寬，抗混疊帶外抑制優(yōu)于80 d B，實(shí)現(xiàn)回波實(shí)時(shí)處理并最小化硬件規(guī)模。

圖6 四象限掃描陣列探測(cè)回波信號(hào)分離及并行處理數(shù)據(jù)流圖

圖7 FPGA實(shí)現(xiàn)多通道陣列信號(hào)并行實(shí)時(shí)處理的設(shè)計(jì)框圖

多速率抽取采取4級(jí)濾波器結(jié)構(gòu)，如圖8所示，即CIC濾波、補(bǔ)償濾波、半帶濾波和精確FIR濾波的級(jí)聯(lián)，各級(jí)濾波器通過(guò) Matlab的FDATool工具設(shè)計(jì)和仿真。

2．1 CIC濾波器設(shè)計(jì)

CIC濾波器系統(tǒng)函數(shù)為［4］

式中：N為級(jí)聯(lián)數(shù)；D為抽取因子。

為獲得大的帶外抑制、降低數(shù)據(jù)輸出速率并減少數(shù)據(jù)計(jì)算量，采取5級(jí)CIC級(jí)聯(lián)濾波器，抽取因子取40，輸出數(shù)據(jù)率為2．5 MHz。

取帶寬比例因子b＝0．1，根據(jù)式（3）計(jì)算有效信號(hào)帶寬f1＝250 k Hz，滿足多普勒通帶要求。

根據(jù)式（4）計(jì)算CIC級(jí)聯(lián)后的阻帶抑制A1＝－100 dB，滿足帶外抑制要求。

根據(jù)式（5）計(jì)算CIC濾波后的帶內(nèi)容差（平坦度）δs＝0．7 dB。

FDATool設(shè)計(jì)的5級(jí)級(jí)聯(lián)濾波器的幅頻特性如圖9所示。

2．2 補(bǔ)償濾波器設(shè)計(jì)

補(bǔ)償濾波器采取FDATool的反Sinc低通濾波器（Inverse Sinc Lowpass）設(shè)計(jì)，其幅頻特性如圖10所示，用于補(bǔ)償前級(jí)CIC濾波器的帶內(nèi)容差并實(shí)現(xiàn)2倍的降采樣，濾波器階數(shù)為39，輸出數(shù)據(jù)率1．25 MHz，補(bǔ)償濾波器與CIC濾波器級(jí)聯(lián)后帶內(nèi)最大波動(dòng)為0．05 dB。

圖8 多速率處理的4級(jí)濾波結(jié)構(gòu)

圖9 5級(jí)級(jí)聯(lián)濾波器的幅頻特性

圖10 補(bǔ)償濾波器的幅頻特性

2．3 半帶濾波器設(shè)計(jì)

采用FDATool的半波低通濾波器（Halfband Lowpass）設(shè)計(jì)半帶濾波器阻帶截止頻率小于π／2，2倍抽取時(shí)通帶內(nèi)不會(huì)發(fā)生頻率混疊，濾波階數(shù)為110，其濾波器系數(shù)對(duì)稱且偶系數(shù)為0，運(yùn)算量減少一半，帶內(nèi)波動(dòng)很小，阻帶衰減96 d B以上，輸出數(shù)據(jù)率0．625 MHz，濾波器幅頻特性如圖11所示。

圖11 半帶濾波器的幅頻特性

2．4 精確FIR帶通器設(shè)計(jì)

采用FDATool的FIR（bandpass）工具設(shè)計(jì)帶通濾波器，用于對(duì)多普勒信號(hào)精確濾波，此時(shí)數(shù)據(jù)率0．625 MHz，采用129階FIR設(shè)計(jì)，帶內(nèi)波動(dòng)0．5 d B，帶外抑制50 dB以上，濾波器幅頻特性如圖12所示。

圖12 FIR帶通濾波器的幅頻特性

2．5 多速率信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)

利用FDATool工具將4級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)，對(duì)整個(gè)多速率處理結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真分析，其幅頻特性如圖13所示，該濾波器阻帶抑制達(dá)到95 dB以上，達(dá)到了多速率處理的抗混疊要求。同時(shí)，采用多速率濾波器結(jié)構(gòu)具有運(yùn)算速度快、需要的硬件資源少等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)一片普通的FPGA即可實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列式多路回波信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，大大降低了引信的硬件復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了引信數(shù)字化、小型化、通用化的回波接收與處理架構(gòu)。

圖13 多速率濾波器的幅頻特性

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)信號(hào)處理端前移和多速率處理方法結(jié)合，優(yōu)化引信接收機(jī)信號(hào)處理方式，降低了引信信號(hào)處理硬件規(guī)模、處理速度、容量要求，提高了信息處理效率和實(shí)時(shí)處理能力，解決了新型引信小型化、高速多通道并行處理和精確陣列探測(cè)發(fā)展過(guò)程中對(duì)信號(hào)處理技術(shù)的需求，多速率處理硬件架構(gòu)將成為引信數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］ 周立偉．目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2004．

［2］ 楊小牛，樓才義，徐建良．軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

［3］ 王世一．?dāng)?shù)字信號(hào)處理［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社．

［4］ 馮維婷．多速率采樣中的CIC濾波器設(shè)計(jì)與分析［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，（14）．