寬帶數(shù)字信道化接收機技術(shù)的熱點和發(fā)展趨勢

蘇 翔，傅其祥，李永禎，劉 能

（國防科學技術(shù)大學電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，湖南長沙410073）

0 引言

數(shù)字信號處理理論的日益成熟和高速ADC、FPGA、DSP等數(shù)字信號處理芯片工藝水平的顯著提高，推動寬帶數(shù)字接收機技術(shù)迅猛發(fā)展。目前，美軍已經(jīng)裝備了瞬時帶寬達500MHz的寬帶中頻數(shù)字接收機，康多公司生產(chǎn)的以寬帶超外差調(diào)諧器和寬帶信號處理器為核心的CS－6700高級電子支援／電子情報偵察系統(tǒng)，其頻率范圍為0.5～18GHz，系統(tǒng)靈敏度達到－90dBm。相較于國外，國內(nèi)對信道化接收機技術(shù)的研究起步較晚，大多處于理論探討階段，部分高校和研究所研制了一些實驗系統(tǒng)。例如，西安電子科技大學采用Xilinx公司的FPGA器件設(shè)計完成了一套雷達數(shù)字接收機系統(tǒng)，能處理的最大帶寬為5MHz，最高工作頻率為70MHz，幅度不一致性小于0.01dB，相位不一致性小于0.05°等［1］。

數(shù)字信道化接收機有兩個工作過程：前端信道化過程和后端基帶信號處理過程。本文首先介紹了數(shù)字信道化的基本概念和實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，重點分析了數(shù)字信道化接收機在信道化過程中的研究熱點和難點，并總結(jié)了信道化接收機技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 數(shù)字信道化接收機的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

信道化接收機的基本原理是利用帶通濾波器組將全頻帶劃分為一系列的子頻帶，然后將各個子頻帶信號與相應(yīng)的一系列本振混頻，將信號頻譜搬移至基帶。國內(nèi)外對數(shù)字信道化技術(shù)已經(jīng)開展了大量研究，提出了基于FFT、多相濾波結(jié)構(gòu)、WOLA和PFT（Pipelined Frequency Transform）等實現(xiàn)方法。

1.1 低通濾波器組結(jié)構(gòu)

當輸入信號為復(fù)信號時，在均勻濾波情況下，假設(shè)濾波器個數(shù)為K，抽取因子為D，兩者滿足K＝FD（F＞0）的關(guān)系。低通濾波器組的實現(xiàn)形式如圖1所示。圖1中wk（k＝0，1，…，K－1）是各信道的中心頻率，其值取決于信號頻帶劃分方式。低通濾波器組結(jié)構(gòu)直接將各個頻帶的信號分多路變換到基帶，然后共用一個低通濾波器進行濾波，從而達到帶通濾波的效果。

圖1 低通濾波器組結(jié)構(gòu)

當信道數(shù)較多時，低通濾波器的通帶截止特性要求非常陡峭，階數(shù)會很高。另外，對寬頻帶、高采樣率信號進行下變頻及低通濾波，電路工作頻率會很高，不適合硬件實現(xiàn)。在抽取時會舍棄許多前面處理好的數(shù)據(jù)，造成資源上的嚴重浪費，并不適合高速信號處理場合［2］。

1.2 多相濾波器組結(jié)構(gòu)

相關(guān)學者引入數(shù)字信道化的另一種高效結(jié)構(gòu)，是多相濾波組結(jié)構(gòu)。設(shè)數(shù)字濾波器組的個數(shù)為K（即信道數(shù)為K），抽取因子為D，仍滿足K＝FD（F＞0），臨界抽取K＝D，信道劃分為奇型劃分下，對應(yīng)的典型多相濾波組結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 復(fù)信號信道化高效結(jié)構(gòu)（奇型劃分，臨界抽取）

對比低通濾波法，基于多相濾波法的方法具有如下優(yōu)點：

1）抽取從濾波之后的位置提前到濾波之前，降低后續(xù)信號處理的負擔；

2）每個信道所用到的濾波器是低通濾波法中的原型低通濾波器進行D倍獲取的，即原型濾波器的多相分量，使乘法運算量降為原來的1／D，更易于實現(xiàn)；

3）D為2的整數(shù)次冪時，DFT算法可以采用高效算法FFT實現(xiàn)［2］。

2 數(shù)字信道化接收機信道化過程的熱點問題

多相濾波器組結(jié)構(gòu)大大降低了低通濾波器組信道化寬帶接收機的計算量，提高了可實現(xiàn)性，是當前數(shù)字信道化接收機技術(shù)研究的熱點。但這種高效結(jié)構(gòu)也存在缺陷，信道化過程涉及到信道頻帶的劃分、低通濾波器的濾波特性和FFT運算。信道頻帶劃分的不合理會導(dǎo)致檢測“盲區(qū)”的出現(xiàn)，相鄰信道的交疊雖可消除“盲區(qū)”影響，但又會帶來信道模糊問題。同時，大帶寬信號在信道化過程中會跨越多個信道，造成頻譜分裂和信號重建等難題。

2.1 體系結(jié)構(gòu)的改進問題

多相濾波器組是實現(xiàn)信道化接收機的一種高效結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)要求信道數(shù)目與抽取倍數(shù)必須滿足整數(shù)倍關(guān)系，限制了接收機參數(shù)設(shè)計的靈活性。DFT運算在輸入數(shù)據(jù)較多時存在運算復(fù)雜度高、硬件實現(xiàn)難的缺陷。因此，如何對多相濾波結(jié)構(gòu)進行改進，以加快接收機信號處理速度、提高硬件實現(xiàn)效率，成為當前數(shù)字信道化接收機研究的一大熱點。文獻［3］從傳統(tǒng)的短時傅里葉變換（STFT）算法出發(fā)，將加權(quán)疊加相加（WOLA）濾波器組引入信道化接收機，使得新體制下的接收機具有參數(shù)設(shè)計靈活、計算復(fù)雜度低、硬件實現(xiàn)效率高等優(yōu)點；文獻［4］在WOLA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用多相濾波和短時FFT結(jié)合的算法結(jié)構(gòu)（簡稱多相FFT模塊），降低了計算的復(fù)雜度，來實現(xiàn)大的瞬時寬帶數(shù)字信道化接收機；文獻［5］用多相分解方法對STFT信道化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)進行了改進，提出多個GDFT（Goertzel DFT）處理單元與FFT濾波器組級聯(lián)組成并行流水的處理陣列，利于數(shù)據(jù)的低速率傳輸和硬件的高效利用；單比特接收機通過簡化FFT運算顯著提高了DFT信道化接收機的處理速度，其結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)多個信號的瞬時頻率測量，文獻［6］將單比特接收機應(yīng)用于WOLA結(jié)構(gòu)中，克服了寬帶單比特接收機動態(tài)范圍低和信道化接收機頻率分辨率有限的缺點，提高了信號的處理速度。

2.2 “盲區(qū)”問題

由于可實現(xiàn)的濾波器都存在一定的過渡帶，所以在信道劃分時，信道間不可避免地會存在信道化“盲區(qū)”，這就可能引起信號的遺漏或丟失，進而造成漏警現(xiàn)象。對于“盲區(qū)”問題，文獻［7］在多相濾波結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于雙覆蓋因子的數(shù)字接收機模型，該模型利用信道劃分的重疊性，實現(xiàn)整個頻譜的覆蓋，但是這種模型實現(xiàn)起來很復(fù)雜，硬件資源浪費大。文獻［8］則采取擴展濾波器通帶帶寬的方法降低“盲區(qū)”概率，濾波器組通帶寬帶的擴展使“盲區(qū)”出現(xiàn)的概率降低，但濾波器頻響重疊會引起信道模糊。文獻［9］對存在“盲區(qū)”的問題，采用降低抽取率的方法來提高處理帶寬，各信道間不存在混疊失真，但相鄰信道之間會有頻率重復(fù)，對每個信道的重疊頻段進行處理后就可得到真正的信號。因此，如何實現(xiàn)無“盲區(qū)”的信道頻帶劃分，并盡量減少信道模糊問題，成為數(shù)字信道化接收機研究的難點之一。

2.3 信道模糊問題

信道模糊是指由于濾波器過渡帶和信號屬性導(dǎo)致一個輸入信號在多個信道中出現(xiàn)的情況。信道模糊一般出現(xiàn)在下面兩種情況中：一是窄帶信號落于相鄰信道之間的重疊區(qū)域，引起信道判決模糊；二是大帶寬信號的頻譜跨越多個信道，采用傳統(tǒng)的頻譜分析方法，只能分析信號子帶頻譜，從而造成信道判決模糊。傳統(tǒng)的解決信道模糊的方法是數(shù)字信道化的輸出端通過信道判決器來判決信號屬于哪一個信道，其判斷依據(jù)是比較信道通帶內(nèi)信號的幅度或能量。若目標信號屬于某個信道時，在該信道的輸出幅度應(yīng)該比它在相鄰信道上的輸出幅度大。此方法簡單易行，但信噪比較低時判斷正確率較低，而且利用幅度比較法或能量比較法不能分辨落入同一信道的兩個同時到達的信號。

2.4 跨信道信號問題

數(shù)字信道化通常采用均勻信道劃分。信道化接收機若要有高靈敏度，其子帶信道帶寬就要盡可能小，即均勻信道化的數(shù)目要盡可能地增加。然而對于寬帶信號來說，當信號帶寬大于均勻信道化子帶信道帶寬時，會出現(xiàn)“跨信道”問題。文獻［10］提出一種動態(tài)可重構(gòu)信道化方法，采用信號重構(gòu)理論，利用分析濾波器組實現(xiàn)均勻信道劃分，結(jié)合綜合濾波器組實現(xiàn)寬帶跨信道信號的重構(gòu)，從而部分解決了寬帶信號跨信道問題。而文獻［11］針對均勻?qū)拵?shù)字信道化接收機無法動態(tài)適應(yīng)信號瞬時帶寬變化的問題，提出了基于余弦調(diào)制濾波器組的動態(tài)信道化接收機設(shè)計結(jié)構(gòu)，采用合成處理矩陣對信號完成近似重構(gòu)，能處理具有不同的帶寬且位置分布任意的信號、跨信道信號，具有動態(tài)適應(yīng)的特點，在面對非合作信號時相較其他接收機結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。上述文獻均是在均勻信道化情況下實現(xiàn)對跨信道信號的重建，而跨道信號的頻譜一般不是均勻分布的，為更準確分析信號，可以在頻帶劃分時采用非均勻信道劃分，提高部分頻段的分辨率。

2.5 子通道頻率特性不一致問題

每個通道自身通頻帶內(nèi)頻率特性的起伏變化及各通道之間頻率特性的不一致性，會對信號的傳輸造成一定的失真。若要保證信號的不失真?zhèn)鬏?，則每個通道的頻率特性的起伏不可太大，各通道間的頻率特性也要盡可能一致。但實際的多通道接收系統(tǒng)由于所采用器件等多方面的因素影響，存在著單路頻率特性的起伏變化及各路之間頻率特性的不一致性問題。因此研究信號在多通道系統(tǒng)中的不失真?zhèn)鬏敱憔哂辛朔浅Ｖ匾囊饬x［12］。

3 數(shù)字信道化接收機技術(shù)的發(fā)展趨勢

高采樣率的ADC芯片的開發(fā)和數(shù)字信號處理理論的成熟為數(shù)字信道化接收機的發(fā)展提供了有力支撐，但數(shù)字信道化技術(shù)在發(fā)展中也遇到了兩個方面的困難：一是隨著數(shù)字器件水平的不斷提高和高速、高性能的ADC芯片涌現(xiàn)，高速實時信號處理成為限制寬帶數(shù)字信道化接收機的發(fā)展瓶頸；二是數(shù)字信道化接收機的頻率分辨率為每個信道的帶寬，由于信道數(shù)目、瞬時信號存在時間和信道化處理時間有限，因此信道化接收機的測頻精度也受到限制［4］。

根據(jù)數(shù)字信號化接收機技術(shù)的發(fā)展歷程，可歸納出其發(fā)展趨勢有以下幾點：

1）從寬帶中頻采樣走向?qū)拵漕l直接帶通采樣

寬帶中頻采樣方式是數(shù)字接收機中常采用的數(shù)字化方式，采用超外差體制，利用模擬混頻器將頻帶變頻到中頻，再進行Nyquist采樣或帶通采樣。這種結(jié)構(gòu)對器件的性能要求降低，工程上較易實現(xiàn)，接收機靈敏度也較高。但在天線和ADC之間增加了很多模擬信號處理環(huán)節(jié)，如混頻、本振、各種濾波、中頻放大等，這樣會造成信號失真，而且其擴展性和靈活性也較差。射頻直接帶通采樣，又稱為射頻直接欠采樣。即根據(jù)帶通采樣定理，以低于Nyquist采樣率的采樣速度對射頻頻段某一段帶通信號進行直接采樣。相比于寬帶中頻采樣結(jié)構(gòu)，在功耗、集成度、配置靈活性、信號質(zhì)量上都有較大優(yōu)勢。

2）先進的數(shù)字信號處理算法

隨著ADC采樣技術(shù)的快速發(fā)展，其采樣速率已從兆赫茲級提高到吉赫茲級，幾乎可以滿足對射頻寬帶信號的直接采樣了，然而數(shù)字信號處理芯片的處理速度卻仍在兆赫茲級。信號處理速度與數(shù)據(jù)采樣速率不能匹配，是實現(xiàn)信號實時處理的一大障礙。為此，必須考慮新的數(shù)字信號處理體系結(jié)構(gòu)，對于數(shù)字信道化接收機中的并行、實時信號處理算法以及算法的硬件驗證和實現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)還有待做進一步研究，特別是如何對現(xiàn)有算法進行改進以便適合硬件實現(xiàn)，以及對算法硬件驗證方面的研究。

3）高效的實現(xiàn)體系

國內(nèi)外關(guān)于數(shù)字信道化接收機的實現(xiàn)體系的研究層出不窮，現(xiàn)有的WOLA結(jié)構(gòu)和基于流水線的FFT實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的提出，可對多相DFT濾波結(jié)構(gòu)進行改進，加快接收機信號處理速度、提高硬件實現(xiàn)效率。特別是將單比特接收機、數(shù)字瞬時測頻接收機或FFT處理模塊作為信道化接收機的后續(xù)數(shù)字處理模塊，彌補了前端信道化過程頻率分辨率的不足，也在一定程度上達到了處理多個同時信號的目的。

4）由均勻濾波走向非均勻濾波

信道化過程中出現(xiàn)的“盲區(qū)”、信道模糊和跨信道信號等問題，與信道的頻譜劃分方式有關(guān)。如何設(shè)計合理的子信道，消除上述的“盲區(qū)”和信道模糊問題，是信道化接收機未來發(fā)展的研究方向之一。寬帶數(shù)字接收機面對大量的大帶寬信號和復(fù)雜形勢的信號，跨信道信號的接收等問題亟待解決，而非均勻采樣和信道重建技術(shù)是解決這類問題的一大亮點。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代電磁環(huán)境的復(fù)雜化，結(jié)合數(shù)字化和信道化技術(shù)的新型接收機——數(shù)字信道化接收機應(yīng)運而生。數(shù)字信道化接收機具有截獲概率高、靈敏度高、動態(tài)范圍大、頻率分辨率良好及可對同時到達信號并行處理等特點，成為近年來國內(nèi)外電子戰(zhàn)信號處理技術(shù)研究的一個熱點。本文介紹了信道化接收機的基本原理，分析了信道化接收機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢以及當前信道化過程存在的問題?？梢灶A(yù)測，信道化技術(shù)的日益成熟，將使數(shù)字信道化接收機在未來電子戰(zhàn)中得到廣泛應(yīng)用?！?/p>

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