寬帶數(shù)字接收機的信道化設(shè)計

0? 引言

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)環(huán)境中，信號一般都具有密集化、復(fù)雜化的特點，而且占用的頻譜越來越寬，從而對寬帶數(shù)字信道化接收機準(zhǔn)確接收信號提出了更高的要求。一般的多相濾波器在監(jiān)視整個頻段時，由于相鄰信道間往往會存在盲區(qū)，有可能丟失信號。而改進后的無盲區(qū)多相濾波器的信道數(shù)與抽取倍數(shù)不再相等。一般的旋轉(zhuǎn)開關(guān)方法實現(xiàn)延遲和抽取只適用于信道數(shù)與抽取倍數(shù)相等的情況，而無法適應(yīng)改進后的算法。但是，信道數(shù)和抽取因子之間往往存在倍數(shù)關(guān)系。本文正是利用這一關(guān)系解決了延遲與抽取的問題，并完成了整個復(fù)多相濾波器的FPGA設(shè)計。

1? 復(fù)信號多相濾波器無盲區(qū)算法分析

復(fù)信號多相濾波器的作用是用D個信道將-fs／2～fs／2頻段均勻劃分，然后用輸入信號S(n)以復(fù)本振信號，再將特定頻段的信號搬移到基帶，并通過低通濾波器得到位于該信道的信號，然后進行抽取，以降低數(shù)據(jù)速率。無盲區(qū)的信道劃分如圖1所示。由于其相鄰信道有50％的重疊，因此，相鄰信道間不存在盲區(qū)，故能對信號進行全概率捕獲。


為了防止頻譜混疊，其抽取倍數(shù)應(yīng)為D／2。這樣，多相濾波器的第k路輸出推導(dǎo)如下(D’=D／2時)：



由式(2)可知，該算法是對多相濾波器的輸入數(shù)據(jù)進行D／2倍的抽取，各多相分量是由原低通濾波器的系數(shù)先進行D抽取再做兩倍內(nèi)插得到的。根據(jù)式(2)可以得到如圖2所示的數(shù)學(xué)模型和FPGA設(shè)計。


2 FPGA設(shè)計

2.1延遲和抽取

以下選用具體的例子來闡述復(fù)多相濾波器的FPGA設(shè)計方法。對于8信道的多相濾波器，其抽取因子為4的情況，經(jīng)過延遲單元進入各抽取器的順序如表1所列。



觀察表1可知，進入每個子信道的數(shù)據(jù)都是4倍抽取。而且4信道比8信道延遲一個數(shù)據(jù)，3信道比7信道延遲一個數(shù)據(jù)，依此類推。這樣，就可以將信道分為兩部分，即1、2、3、4信道是一部分，5、6、7、8信道是另一部分。

由于每個子信道的濾波系數(shù)為12個，即每個抽取器必須同時輸出12個數(shù)據(jù)與一個子信道的12個濾波系數(shù)進行乘加運算。采用可定制模塊shift_tap，能夠滿足這樣的延遲和抽取要求，它的輸出即為抽取器的輸出。若將shift_tap中的抽取因子設(shè)為4，一次同時輸出13個數(shù)據(jù)，那么，第一次輸出的13個數(shù)據(jù)為x(0)、x(4)、x(8)、……、x(56)，這樣可將1-12送入8信道，2-13送入4信道進行乘加運算；而第二次輸出的13個數(shù)據(jù)為x(1)、x(5)、x(9)……、x(57)，其中1-12送入7信道，2-13送人3信道，依此類推……這樣，每個時鐘節(jié)拍將得到兩個信道的延遲和抽取輸出，因而需要4次這樣的操作才能完成一次所有信道的延遲和抽取。然后再重復(fù)執(zhí)行以上操作。
2.2? 濾波器的多相分量

設(shè)計多相分量時，首先可根據(jù)原低通濾波器的頻率響應(yīng)確定所需的濾波器類型和階數(shù)，以求出沖擊響應(yīng)h(n)；然后再根據(jù)式hp(m)=h(mD+p)，D=8，p=0，1，…D-1來確定多相分量。

若采樣頻率fs為64 MHz，并把64 MHz帶寬均勻劃分為8路子信道，則每路通帶的帶寬為8MHz。圖3所示是原型低通濾波器的頻率響應(yīng)圖。


MATLAB中的firpmord函數(shù)，一般采用的是最佳逼近最大最小準(zhǔn)則算法，該算法可以求出原型低通濾波器的階數(shù)，而firpm函數(shù)可以求出原型低通濾波器的系數(shù)。即：

a=firpmord([4 8]，[1 0]，[0.001 0.001]，64)；(3)

h=firpm(a，[0 4／32 8／32 1]，[1 1 0 0])；? (4)

(3)式中，? [4 8]表示通帶截止頻率為4MHz，阻帶截止頻率為8 MHz；? [1 0]表示通帶幅度為1，阻帶幅度為0；? [0.001 0.001]表示通帶、阻帶波動均為0.001；64表示采樣頻率為64MHz。

而在(4)式中，[04／32 8／32 1]分別為對應(yīng)于實際頻率0、4、8、32(MH)的歸一化頻率；[1 1 0 0]為上述頻率點上的幅度值。

求出原低通濾波器h(n)后，就可以求出多相濾波器的多相分量。圖2中的多相分量是對h(n)進行8倍抽取，再做兩倍內(nèi)插得到的。用MATLAB語句可方便地得到各多相分量的系數(shù)，每個多相分量有6個非零系數(shù)，兩倍內(nèi)插后為12個系數(shù)。其MATLAB語句如下：

hp=zeros(8,2*fix(length(h)／8))；
for i=1：8
?
hp (i，1：2：end)=h(i：8：(fix(lengh (h)／8)-1)*8+i)；
end

一個多相分量的濾波運算可用三個乘加單元完成，每個乘加單元有四個乘法器，這樣就可以完成12個系數(shù)的乘加。多相分量的濾波系數(shù)一般事先都將其轉(zhuǎn)換為二進制補碼存放在ROM中。

由上述分析可知，每個時鐘節(jié)拍可完成兩個信道的延遲和抽取(采用流水線操作)，每個時鐘節(jié)拍需要進行兩個多相分量的乘加運算，即需要同時得到12個非零系數(shù)，這可用12個單口ROM實現(xiàn)。其中6個ROM存放1～4信道的系數(shù)。另6個ROM存放5～8通道的系數(shù)。其存儲格式如表2和表3所列。



這樣，每當(dāng)時鐘上升沿到來時，就可以同時輸出兩個子信道的12個非零系數(shù)。通?？梢栽O(shè)計一個模4減法計數(shù)器來實現(xiàn)ROM地址的產(chǎn)生。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，發(fā)出一個計數(shù)器的使能信號，計數(shù)器開始計數(shù)。因為首先計算的是4信道和8信道，所以，計數(shù)器的初始值為3，采用減一計數(shù)，計數(shù)到0后再進行循環(huán)。

2.3? 時序的設(shè)計

由于信號s(n)的輸入速率為64 MHz。故在64 MHz時鐘驅(qū)動下，每一個節(jié)拍計算兩個子信道，8個信道的計算需要用4個節(jié)拍來完成，并得到8個復(fù)數(shù)。這8個復(fù)數(shù)必須同時進入FFT模塊，所以，可在FFT之前設(shè)計一組乒乓RAM來接收這8個復(fù)數(shù)。其中一個RAM以64 MHz的速率存放前面的計算結(jié)果，每個節(jié)拍接收兩個復(fù)數(shù)，4個節(jié)拍接收完8個復(fù)數(shù)后開始FFT運算，同時換成另一個RAM接收前面的計算結(jié)果。等到8個復(fù)數(shù)都存放好之后，再開始FFT運算，此時又再次換成第一個RAM接收前面的計算結(jié)果，并依次循環(huán)。根據(jù)這樣的時序設(shè)計，F(xiàn)FT模塊的時鐘應(yīng)為16 MHz。FFT運算由IP核完成。經(jīng)FFT運算后同時可得到8個復(fù)數(shù)形式的結(jié)果，由于復(fù)數(shù)分成實虛部的表示形式，且實虛部都用32位二進制數(shù)表示，因此，8個復(fù)數(shù)需要16個32位的二進制數(shù)表示，也就是芯片上需要16×32=512個引腳，這對于任何芯片都是不可能辦到的。為此，應(yīng)在FFT模塊的輸出端也設(shè)計一個乒乓RAM。其中一個RAM先將8個FFT運算結(jié)果存儲起來，然后以64 MHz的時鐘頻率每個節(jié)拍向外輸出兩個復(fù)數(shù)(即4個32為二進制數(shù))，直到4個節(jié)拍全部輸出完畢(即8個復(fù)數(shù)全部輸出的頻率為16 MHz)，同時另一個RAM以16MHz的時鐘頻率接收FFT的運算結(jié)果。然后將兩個RAM的作用交換，再以此循環(huán)。

3? 結(jié)束語

本文詳細分析了復(fù)信號多相濾波器的無盲區(qū)改進算法，并根據(jù)推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型完成了其FPGA的設(shè)計。該設(shè)計根據(jù)信道數(shù)和抽取因子之間的倍數(shù)關(guān)系，解決了延遲和抽取功能的實現(xiàn)問題，并使用乒乓RAM實現(xiàn)了復(fù)信號多相濾波器的多通道流水線輸出。