基于宽带阵列的数字信道化接收机设计与实现

罗进川, 朱然刚, 邓武振

（1 中电集团38所 安徽合肥 230037；2 解放军电子工程学院 安徽合肥 230037；3 南昌陆军学院 江西南昌 330103）

0 引言

数字阵列接收机相对于传统接收机有许多优点，诸如能降低对数字接收机动态范围的要求，易于实现超低副瓣，易于实现同时多功能，易于实现软件化，易于实现宽带相控阵宽角扫描，提高强杂波背景中弱小目标检测能力等等。而对于电子对抗侦察系统，总是希望接收机有足够的带宽，覆盖足够频谱宽度，以截获感兴趣的信号进行分析处理——在带宽太宽的时候，接收机的灵敏度会降低，对于小信号难以检测；同时对于阵列接收机来说，在很宽的频段内保持多路接收机之间的一致性是很困难的[1-2]。综合考虑，就是选取适当的接收机带宽，力争接收机的频谱覆盖最大化，以减少设备量。同时，对接收后的信号进行频段细化，易于实现多个接收通道之间的不一致进行补偿，对数字波束的形成是有利的；对接收机频段细分，易于提高信号的信噪比，对于微弱信号的检测时有利的；而且采用数字化的处理方法，易于实现接收机的软件化，对实现波束的快速切换和信道的快速切换是有利的。

基于以上优点，本文采用在AD采样之后用数字信道化的方法进行接收处理。下面就实际工程中的实践讨论信道化的一种实现方法并仿真分析试验结果，最后给出了所设计的多通道接收机的实物。

1 数字信道化接收机的基本思想

信道化接收机的基本原理是对感兴趣的带宽范围内的全频带进行分割，即用一组性能相同的带通滤波器组将全频带划分为一系列的子频带[3]。滤波器组对各个子频带的输出反映了信号的频率信息，且采用滤波器组的方法能够提高每个信道内信号的信噪比，有利于信号检测和信号特征分析。信道化有多种结构和不同的实现方法，但是最终都是归结于等效成多个滤波器对频段进行滤波分割。

2 用频域抽取法实现频域信道化

图1 FFT系数作为滤波器的频率响应

以N等于32为例子，如果构建由32个滤波器并联组成的滤波器阵列，滤波器的滤波系数分别为hk[n]，如图2所示。

图2 用FFT的32组系数作为滤波器组

32个滤波器的输出覆盖了输入信号的整个频段，实现了对信号的32频带分割，实现了信道化处理，如图3所示。

图3 32个滤波器的频域覆盖图

以上基于FFT的方法，用FFT实现信道化，需要大量的运算，在目前硬件水平下，实现较为困难[4]。并且每个通道的滤波器过渡特性不好，旁瓣过高，每个信道的动态不高，不能实现信道之间很好的隔离，也就是在一个信道中的信号会泄露到临近信道中去[5]。实际工程中，有时候需要的不仅仅是信道划分越细越好，而是需要关心每个信道的滤波器形状，主要就是信道之间的隔离度，良好的滤波器形状有利于跨信道信号的检测。

以上面N=32的情况为例，假设我们只需要4信道就足够了。不妨就取k=0、8、16、24时为我们所需要的信道，如图4所示。

图4 抽取出的四个滤波器的频率响应

这样运算量就减少为原来的1/8。但是带来的问题是FFT滤波器组不能覆盖输入信号中的全部频率成分，滤波器出现了空洞，出现在空洞中频率的信号就不能被检测，并且滤波器的特性仍然没有得到改善，旁瓣仍然过高，如图4所示。

对滤波器系数加窗可以改善滤波器的频率响应，时域加窗对应于频率域卷，可以展宽滤波器带宽。对于我们选中的4个输出，只要把每个输出的滤波器宽度扩展为频带的1/4，就可以解决频率漏洞问题，为此设计一个32点的滤波器，其通带为整个频段宽度的1/4，截止频率为整个频段宽度的1/8，得到32个系数w[n]，和图4中的hk[n]加窗后作为滤波器系数，如图5所示。

图5 对抽取的四个信道进行加窗

可以得到滤波器的输出结果如图6所示。作为对比，可以看到经过加窗以后，抽取出的4个滤波器的带宽展宽，覆盖了信号的整个频带，不再有频域漏洞现象，且滤波器的形状也变得很好，副瓣降低。

对hk[n]采用加窗的办法实现了信道化的目的，但是不能充分利用高效FFT的优点，不妨把加窗函数往前移动，形成如图7所示的结构，以期望能利用FFT算法的高效性。

图6 抽取的四个信道加窗后的频率响应

图7 加窗函数前移

下面以N=32为例加以推导[1]。

这样就把加窗FFT四个抽头输出转化成了新输入z[n]的4点FFT运算，可充分利用FFT高效运算特点。于是可以用如下的结构实现4点的信道化处理，如图8所示。

图8 加窗函数前移后等效结构图

其中 Hk[n]={w[4n+k]|n=0、1、 2…7}

3 多级信道化数字接收机

采用频域抽取的方法对信号进行频域分割，可以有效降低运算量，有利于在FPGA器件中实现，但是当信号的带宽过于宽时，粗略的信道分割还不能有效提高检测微弱信号的能力，需要提高信道的分辨率，这可以通过把信道分割之后的信道再次进行信道化分割，直到满足系统设计要求为止。采用多级信道化的方法，只要恰当选取各级信道化信道分割的信道数，能有效减少资源需求量[6]，同时还能实现信道瞬时频段覆盖的宽度的快速切换，兼顾宽频扫描和频谱精细分析。

根据以上设计思想设计了一款宽带信道化接收机，部分实物照片如图9所示。

图9 20路宽带信道化接收机实物图

该接收机实现了对瞬时400 MHz带宽信号的16信道的初级信道化处理，其顶层示意图如图10所示。其中，输入的IQ信号先经过128点加窗以后，进入一个16点的FFT运算模块，输出16个子带信号，其对一个宽带线性调频脉冲的信道化输出如图11所示，其中上面为输入信号波形，下面为信道化IQ输出的结果。可以看到随输入信号频率的线性增加，在16个子带中依次输出一个线性调频子脉冲。

图10 FPGA信道化设计逻辑模块示意图

图11 信道化处理结果示意图

4 应用分析

成功应用于某多波束阵列接收系统，实现超远程对雷达脉冲信号的检测。本文基于工程实践，探讨了信道化的一种实现途径，给出了总体思路及实例。该信道化方法划分频率子带，能有效提高输出子带信号的信噪比，有利于信号的检测和分析。同时，本文为超宽带信号检测分析和超高速跳频信号解析提供了实现可重构硬件平台的实践参考，具有重要借鉴意义。

宽带信道化接收机也还存在一些问题，比如兔耳效应问题，定点运算数据截断问题等。另外，由于信道化以后有较高的处理增益，前端AD转换器的抗混叠滤波器必须确保在对应频段外有足够的信号抑制，否则在子带信噪比提高以后，信道的输出会出现大量的虚假信号。以上这些问题还需进一步探讨。

[1]Tsui, J.宽带数字接收机[M].杨小牛 译.北京:电子工业出版社,2002.

[2]付永庆,李裕.基于多相滤波器的信道化接收及其应用研究[J].信号处理, 2004,20(5).

[3]Sanjit K, Mitra.数字信号处理——基于计算机的方法[M].2版.孙洪 译.北京:电子工业出版社,2006.

[4]朱然刚,王梅.超宽带信号监测处理中关键技术研究[J].电光与控制,2009(4).

[5]苏涛.并行处理技术在雷达信号处理中的应用研究[D].西安:西安电子科技大学,1999.

[6]洪路峰,杨晓非.OFDM系统中同步问题研究[J].电子测试,2009(7).

[7]魏旭光,任辉.宽带数字接收机的研究及实现[J].国外电子元器件,2009(9).

[8]郜丽鹏,王浩.宽带信道化接收机研究与实现[J].电子技术,2011(6).