基于FPGA的数字信道化接收机

黎琴LI Qin；杨宇宸YANG Yu-chen

（①常州国光数据通信有限公司，常州 213023；②南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京 210094）

（①Changzhou Guoguang Data Communication Co.，Ltd.，Changzhou 213023，China；②School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China）

基于FPGA的数字信道化接收机

黎琴①LI Qin；杨宇宸②YANG Yu-chen

（①常州国光数据通信有限公司，常州 213023；②南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京 210094）

（①Changzhou Guoguang Data Communication Co.，Ltd.，Changzhou 213023，China；②School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China）

本文提出一种基于FPGA的数字信道化接收机，可以实现对宽带信号的中频带通采样，并利用信道化技术，实现全带宽内任意频带信号的随机检测。为中频带宽信号的检测提供了一种可行的技术方案。

信道化；接收机；FPGA

0 引言

现代电子战接收机的主要作用是在复杂的电磁环境背景下，将反射的雷达回波信号，通过天线接收、高频放大、下变频、中频滤波等一系列处理，把较低信噪比的射频回波转变为具有足够能量的视频数字信号，最后将处理得到的视频信号传输给后端的数据处理终端或雷达终端设备。现代雷达电子战的信号环境正朝着高带宽、高变频、数字化、自适应的方向发展，因此发展数字化宽频带接收机的需求越来越大。

现代接收机正向着高带宽，数字化方向发展。文献[1-3]研究了数字化中频接收机的设计与实现，但其仅仅研究了模拟到数字的变换原理，未对高带宽的应用深入研究；文献[4-6]研究了数字化信道化算法，研究了如何针对数字化高带宽信号进行数字化运算的方法，但未对中频采样及其理论进行探讨。本文在上述研究的基础之上，重点研究了中频数字化接收机对高带宽信号的接收以及后续的高效信道化处理算法及其具体实现，为未来宽带数字化中频接收机的发展，探索一条可行之路。

1 数字化接收机

数字化接收机由模拟射频前端、模数转换器（ADC）和数字信号处理三部分组成。其中根据ADC三种不同的采样方式对应了三种基本结构的数字接收机：射频带通采样数字化接收机、宽带中频带通采样数字化接收机以及视频低通采样数字化接收机。其中应用的最为广泛的是视频低通采样数字化接收机与宽带中频带通采样数字化接收机。

视频低通采样数字化接收机结构如图1所示。低通采样的数字接收机模拟前端最复杂，需要利用混频器将接收到的射频信号下变频到视频，然后经过低通滤波器以及放大器后，将回波信号放大到适合ADC采样的幅度，最后将ADC采样得到的数字信号送入FPGA或DSP等数字信号处理芯片进行数字信号处理。

图1 视频低通采样数字化接收机结构

中频带通采样数字化接收机将接收到的射频信号经过射频滤波放大后得到的信号经过一次混频，下变频到中频，然后利用ADC对中频信号带通采样，最后将采样后的数字信号送入数字信号处理模块进行相应的数字信号处理。中频带通采样数字化接收机的结构如图2所示。中频带通采样数字化接收机由于在中频对信号进行直接处理，与视频低通采样数字化接收机相比，其接收信号具有正交性强等优点，因此受到越来越多广泛的应用。

图2 中频带通采样数字接收机结构示意图

2 基于FPGA的数字信道化接收机

2.1 宽带信道化接收机数学模型 信道化接收是目前雷达以及电子战接收机的一个发展趋势，特别是针对频率捷变信号、跳频信号等宽带信号，因此如何对全带宽内信号的可靠接收是目前数字化接收机的一个研究重点。宽带信道化接收机首先对整个带宽内的信号进行划分，将整个带宽均匀划分为N个均匀的信道，如图3所示。

对接收到的中频信号在满足如下条件下，可以进行无失真采样

其中f0，fs分别为信号的中心以及采样频率。

n为满足式（2）的整数，B为信号带宽。

对图3所示的信道划分，可以利用FFT进行快速运算[7，8]，其结构如图 4 所示。

图3 信道分配图

图4 信道化算法快速算法结构图

利用图4所示的结构进行信道化处理，可以对信号进行先抽取再运算，因此可以大大节约硬件资源，提高系统的运行效率，降低系统的运行频率。

2.2 基于FPGA的信道化接收机 根据上节的分析，本节提出基于FPGA的信道化接收机模型，如图5所示。

图5 基于FPGA的数字信道化接收机

首先将经过ADC采样后得到的数字信号送入IQ解调模块，进行中频IQ数字正交解调[7]，在满足式(2)的前提下，可以以一种简单的结构实现数字IQ解调，而省去数字硬件乘法器[7]，其具体结构如图6所示。

图6 IQ正交解调模块

其中，HI（ejw），HQ（ejw）分别为IQ两支路的调相滤波器，利用图6的结构实现数字下变频，只需改变IQ两支路信号的符号位，而省去硬件乘法器，因此可以提高系统运行速度，节约系统硬件资源。

对经过解调后得到的视频IQ两支路数字信号送入FFT信道化算法模块进行信道化处理，最后对需要分析的信号进行随机信道抽取，得到希望得到频带的信号。

3 结论

随着现代接收机向着高带宽，数字化方向发展。可以实现全带宽中频采样的数字化接收机已经成为现代接收机的一个发展趋势。本文提出的基于FPGA的数字信道化接收机，利用信道化技术，可以实现全带宽内任意频带信号的随机检测。本文提出的基于FPGA的接收机为现代接收机的发展，探索了一条可行之路。

[1]胡广洲.数字接收机的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2009.

[2]于搏,赵忠凯,王丹.中频数字接收机的设计[J].应用科技,2006,33(4):7-9.

[3]黄晨灵,刘圆,韩益锋等.基于FPGA的RFID数字接收机的设计[J].计算机工程,2007,33(13):230-234.

[4]周欣,吴瑛.基于多相滤波的宽带接收机信道化算法研究[J].现代雷达,2006,28(11):71-74.

[5]谢裕进.基于多相滤波的宽带数字接收机的研究与FPGA实现[D].南京:南京航空航天大学,2009.

[6]周欣,吴瑛.一种基于相滤波的高效信道化算法研究及改进[J].信号处理,2008,24(1):45-48.

[7]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.

[8]宗孔德.多抽样率信号处理[M].北京:清华大学出版社,1996.

Digital Channelized Receiver Based on FPGA

This paper presents a digital channelized receiver based on FPGA,which can realize IF-sampling of broadband signal,and can realize random detection of any frequency band signal in the whole bandwidth using channelized technology.It provides a feasible technical solution for intermediate frequency bandwidth signal detection.

channelized；receiver；FPGA

黎琴（1959-），女，江苏常州人，本科，高级工程师，研究方向为短波通信等；杨宇宸（1990-），男，安徽合肥人，研究生，研究方向为通信与信息系统等。

TP393

A

1006-4311（2014）11-0220-02