余宏成 宿紹瑩 吳巨紅

國防科學技術大學電子科學與工程學院，湖南 長沙 410073

基于數字信道化的寬帶實時頻譜分析方法

余宏成 宿紹瑩 吳巨紅

國防科學技術大學電子科學與工程學院，湖南 長沙 410073

數字信道化技術已經在電子戰(zhàn)等領域得到了廣泛的應用，寬帶實時頻譜分析一直是信號處理領域研究的熱點。本文提出了一種基于數字信道化技術的高分辨率寬帶實時譜分析方法，有效解決了寬帶信號高分辨率頻譜分析的大運算量與實時性之間的矛盾。理論分析和MATLAB仿真結果表明，基于數字信道化的寬帶頻譜分析方法，可以實現對寬帶信號的高分辨實時譜分析，頻率分辨率最大可提高K倍（K為信道數）。

數字信道化；多相濾波器；高分辨率頻譜分析；實時頻譜分析

Digital channelized; Polyphase filter; Highresolution Spectrum analysis; Real-time Spectrum analysis

引言

近年來，隨著信號處理技術的發(fā)展，信號密集程度越來越高，信號處理的帶寬越來越寬，為了全景頻譜監(jiān)測，常要求全頻段的高分辨實時頻譜分析。傳統(tǒng)的頻譜分析方法一般采用快速傅里葉變換算法，頻率分辨率等于采樣率與數據采樣長度之比，當信號帶寬較寬時，需要較高的采樣率，要獲得較高的頻率分辨率，就要加大采樣時間，以獲得大的采樣數據，而這導致運算量指數級的增加，不易于實時實現。

為了解決上述問題，人們提出了一些高分辨的頻譜分析方法，典型的有Zoom-FFT法[1]、Chirp-Z變換法（CZT法）[2]等。Zoom-FFT法是通過復調制將待分析窄帶移至基帶，再通過低通濾波得到窄帶信號，對窄帶信號進行降采樣，然后再分析低速率數據的頻譜，可以達到局部高分辨的效果。CZT是一種在Z平面上沿著螺旋線軌道計算有限帶寬各頻率的頻譜值的Z變換方法，可以在不增加采樣點數的情況下大幅度提高頻率分辨率，但是CZT不能消除干涉影響，提高分辨率也無法分離出信號的真實頻率成分，因此對頻率相近的密集信號分辨效果差。Zoom-FFT法和CZT法都是局部頻譜細化分析方法，必須事先知道信號所處的頻段，因而不能夠對全頻段進行高分辨率頻譜分析。

本文采用數字信道化技術，將寬帶信號劃分成若干子信道，對各個子信道的窄帶信號進行FFT，然后將各個子帶頻譜合理拼接，從而得到整個頻帶的頻譜，實現寬帶信號的高分辨率實時譜分析。

1 數字信道化原理

數字信道化是將監(jiān)視頻段劃分為K個子頻帶（即信道），每個子頻帶通過相應的中心頻率下變頻到零中頻，然后經過一個帶寬為信道寬度的低通濾波器，最后再進行抽取[3]。圖1為數字信道化接收機的低通濾波器組實現模型，其中，信道數為K，抽取因子D，ωk（k=0,1,...,K-1）是各信道的中心頻率，其值取決于信道的劃分方式。

圖1 信道化低通濾波器實現模型

信道劃分一般通過濾波器組來實現的，由于濾波器存在過渡帶，無重疊的信道劃分不可避免會產生信道盲區(qū)，無法對信號進行全概率接收。為了消除盲區(qū)我們采用相鄰信道重疊50%的濾波器組對信道進行劃分[4]。如圖所示，實信號的有效帶寬為π，對信道以間隔排列方式進行劃分，實線表示真實信道，虛線表示鏡像信道，任意兩個相鄰信道各自的阻帶截止頻率均為對方的中心頻率。這種信道劃分的優(yōu)點：信道數增加了一倍，使濾波器過渡帶增加，階數大大降低，優(yōu)化了信道化結構設計。此時，第k個信道的中心頻率為：

圖2 實信號無盲區(qū)信道劃分（間隔排列）

2 基于多相濾波的高效信道化結構

基于低通濾波器組的數字信道化結構抽取在混頻濾波之后，當AD采樣率很高時，濾波器及大量乘法器工作在較高的速率上，數字器件速度跟不上；濾波輸出數據僅有1/D得到利用，大部分數據被丟棄，數據利用率低，計算效率不高。為此，我們考慮將濾波器進行多相分解，并根據多抽樣率系統(tǒng)的網絡結構等效變換原理將抽取放到濾波前面，從而實現高效的運算。文獻[5]給出了基于多相濾波器組的信道化高效結構的詳細推導過程，由此我們得到實信號的多相濾波信道化接收機數學模型如圖3所示?？梢?，此時不僅抽取器移到了濾波器之前，而且每一支路的濾波器從原先的原型低通濾波器變成了對應的多相分量，其運算量大大減小，極大地提高了信道化接收機的實時處理能力。另外，圖中的IDFT可以采用高效FFT來實現，運算速度可以大大加快。

圖3 實信號多相濾波高效信道化結構

3 基于數字信道化的頻譜分析

寬帶信號往往跨接多個信道，其完整頻譜將被分割為多個較窄的頻譜，由于濾波器的不理想性，處于濾波器下降邊緣的信號會產生相應變化，必然導致原信號頻譜的某些細微特征丟失。通過對各信道進行參數估計可以得到各個信道輸出信號部分頻譜的某些參數，但很難得到信號帶寬、時寬和信號終止頻率等完整信號頻譜的全方位信息。

文獻[7]采用頻域消去法解決信道化接收機中的跨信道問題，該方法通過將濾波器組輸出信號頻譜與濾波器組的頻率響應相除，從而得到輸入信號頻譜，無需知道輸入信號的類型，具有一定的通用性，但該方法每個信道都需要做兩次FFT，運算量較大。文獻[8-9]基于信號重構的思想提出了一種綜合濾波器的方法，將跨信道信號還原出來，該方法要求濾波器具有較高的阻帶衰減、較低的幅度失真和良好的線性相位特性，設計起來比較困難。

本文采取一種比較直觀的頻域加窗的方法實現跨信道信號的拼接。當輸入信號跨信道時，由于濾波器線性相位特性，各子信道位于濾波器下降邊緣的信號頻譜發(fā)生變化，而位于濾波器通帶內的信號頻譜與對應的原信號的頻譜的差別可控制在通帶波紋的范圍內，可認為沒有衰減，保留了原信號頻譜的信息。通過頻域加窗，將各個信道通帶內的信號頻譜截取出來，拼接之后就可得到原信號的頻譜。

綜上所述，基于高效信道化結構實現的高分辨率頻譜分析算法步驟為：

（1）根據信道劃分方式設計低通原型濾波器，并對原型濾波器進行多相分解；

（2）將輸入信號通過多相濾波器組完成信道化；

（3）對每個子信道信號進行FFT分析；

（4）取各子信道譜線的后1/4（對應-π/2～0）和前1/4（0～π/2）組成該信道的有效譜線；

（5）按照信道劃分方式將各個子信道有效譜線依次拼接，組成整個頻帶的細化頻譜。

4 MATLAB仿真驗證

為驗證上述方法的性能，采用MATLAB進行仿真。設采樣率1.2GHz，有效信道數16，每個信道帶寬為1200MHz/16=75MHz，輸入信號為3個實信號疊加而成，信號參數如表1所示，取信號脈寬相同，這樣各信號的采樣點數一樣多。

表1 仿真信號參數

多相濾波器組的原型濾波器利用Matlab中的remezord函數和remez函數確定。信號仿真結果如圖4所示。

圖4 輸入信號頻譜及濾波器組幅頻響應

從圖4中可以看出，信號1和2在信道3和4的交疊處，由于信道重疊導致信道3和4都存在兩個信號；信號3是跨信道信號，在信道10和11都有輸出，因此存在信號的信道編號分別為3、4、10、11。根據前文描述的方法對輸入信號進行信道化處理，得到各子信道信號，圖5給出了存在信號的子信道頻譜，與真實信道相符合，說明采用本文提出的實信號信道化結構可以有效地實現信號的信道化。

將各個子信道的頻譜取其通帶內的有效譜線進行拼接，得到拼接后全頻帶的頻譜，從圖6可以看出，各信道經過拼接后得到的信號頻譜和原信號的頻譜是一致的，說明本文提出的高分辨頻譜分析方法的可行性。

圖5 子信道頻譜

圖6 頻域拼接后頻譜

5 結語

本文通過理論分析提出了基于數字信道化的頻譜分析方法：把寬帶信號分成多個子帶，然后分別對各個子帶進行抽取濾波、FFT處理、頻譜拼接，最終得到原寬帶信號的頻譜，大大提高了頻率分辨率，有效地解決了寬帶信號高分辨率實時頻譜分析中的大運算量與高速實時實現之間的矛盾。相鄰信道頻譜重疊50%拓寬了濾波器的頻響，各信道的通帶拼接后可覆蓋整個信號帶寬，消除了接收盲區(qū)，并且采用基于多相濾波器組的高效信道化結構，算法可以通過并行處理高效實現，運算效率大大提高，可以方便地在可編程芯片上實現。與傳統(tǒng)頻譜分析方法相比，該方法對于寬帶信號具有較高的分辨率和估計精度，實時性也有較大的提高。

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Wideband Real-time Spectrum Analysis Based on Digital Channelized Technology

Yu Hongcheng, Su Shaoyin, Wu Juhong
The College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073,China

Digital channelized technology has been widely applied in the electronic warfare and other fields. Wideband real-time spectrum analysis has been a research focus in the field of signal processing. This paper presents a method based on digital channel technique for high-resolution broadband spectrum analysis, to effectively solve the contradiction between the vast computations and real-time in the wideband signal high-resolution spectrum analysis. The theoretical analysis and MATLAB simulation results show that, the spectrum analysis algorithm based on the digital channelized technology can effectively realize highresolution wideband spectrum analysis, frequency resolution can be improved K times ( K channel number ).

TN971

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.036