王海濱, 解傳軍, 梁明珅

(1.海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125001; 2.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

設(shè)計與制造

無源偵察傳感器寬帶信道化接收技術(shù)研究

王海濱1, 解傳軍1, 梁明珅2

(1.海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125001; 2.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

信道化接收機(jī)是無源偵察傳感器系統(tǒng)的核心，研究了基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并由此模型設(shè)計了一個多信道模擬系統(tǒng)，利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)對抽取、濾波、快速傅立葉變換(FFT)等模塊進(jìn)行了設(shè)計，解決了信號高速實時處理與FPGA處理速度之間的矛盾。最后用仿真實驗結(jié)果驗證了模型和系統(tǒng)實現(xiàn)的正確性。

無源偵察； 傳感器； 多相濾波

0 引 言

電子偵察是電子對抗中一個非常重要的領(lǐng)域，作為一種新型的無源偵察傳感器，在軍事領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，無源偵察傳感器具有比雷達(dá)更大的作用距離，可在更大的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，已經(jīng)成為飛機(jī)不可缺少的傳感器。隨著雷達(dá)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子對抗面臨越來越復(fù)雜的信號環(huán)境，而作為無源偵察傳感器中的偵察接收機(jī)也經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段，從早期的模擬接收機(jī)發(fā)展到窄帶中頻數(shù)字接收機(jī)[1]。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和相應(yīng)器件水平的提高，寬帶數(shù)字偵察接收機(jī)逐步發(fā)展起來，寬帶數(shù)字偵察接收機(jī)具有設(shè)備量小、算法靈活、功能易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)[2]。在實現(xiàn)寬帶接收機(jī)時，存在最主要的問題就是如何在處理器中實時地處理高速A/D轉(zhuǎn)換器采集到的輻射源信號。一般傳統(tǒng)的數(shù)字信道化接收機(jī)采用短時傅里葉變換技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)的數(shù)字接收機(jī)在具有高時頻分辨率的需求時，對處理器的處理速度提出了更高的要求。

本文主要研究在傳統(tǒng)接收機(jī)的基礎(chǔ)上引入了多相濾波的結(jié)構(gòu)，并給出了基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的系統(tǒng)實現(xiàn)方法。

1 寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)模型

1.1 無源偵察傳感器系統(tǒng)組成

無源偵察傳感器能通過偵收、測量、分析確定輻射源的信號特征，進(jìn)而確定目標(biāo)平臺的類型[3]。無源偵察傳感器系統(tǒng)的主要組成如圖1所示，主要包括偵察接收天線、偵察接收機(jī)、信號處理單元、數(shù)據(jù)庫、顯示告警單元以及電源組成。其中,偵察接收機(jī)是偵察傳感器中的核心單元，能對天線接收到的信號放大、變頻和參數(shù)測量，并經(jīng)過數(shù)字采樣后變成數(shù)字信號，作為信號處理機(jī)的輸入信號。

1.2 多相濾波的基本原理

對于信道化接收機(jī)而言，其抽取器位于濾波器之后，所以,當(dāng)抽取率很大或者濾波器的階數(shù)很高時，計算效率將成為限制系統(tǒng)性能的重要因素[4]。圖2給出了基于低通濾波器組的實信號信道化接收機(jī)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

圖1 無源偵察傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2 基于低通濾波器組的實信號信道化接收機(jī)

這里，引入多相濾波器結(jié)構(gòu)，多相濾波結(jié)構(gòu)是從抽取濾波轉(zhuǎn)換而來的[5]，其本質(zhì)是將傳統(tǒng)抽取濾波中先濾波、再抽取的處理過程，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，變換為先抽取，再濾波的過程，這樣就大大降低了計算量。

從圖2中可以看出:多相濾波器是由D組按一定方式抽取而成的通用有限沖擊響應(yīng)(finite impulse response,FIR)子濾波器組成的。實現(xiàn)多相濾波器設(shè)計的步驟為：首先按照抗混疊濾波器的參數(shù)要求[6]，按照一定的設(shè)計準(zhǔn)則，根據(jù)原型理想低通濾波器的頻率響應(yīng)確定所需要的濾波器類型和階數(shù)N，得到對應(yīng)沖擊響應(yīng)h(n)，然后根據(jù)式(1)確定多相濾波器

hk(n)=h(nD+k),k=0,1,2,…,D-1.

(1)

1.3 改進(jìn)后的實信號信道化接收機(jī)建模

由圖2可得到第k信道的輸出為

(2)

其中，yk(m)為經(jīng)過抽取后的第k路輸出信號。定義

(3)

則有

(4)

假設(shè)

xp(2m)=?Sp(2m)ejωk2mD」·hp(2m),

(5)

則

(6)

(7)

(8)

其中

(9)

(10)

改進(jìn)后的信道化接收機(jī)數(shù)學(xué)模型可以根據(jù)上述公式得出，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的信道化接收機(jī)模型

2 信道化接收機(jī)的FPGA實現(xiàn)方法

對于多通道數(shù)字接收機(jī)的實現(xiàn)方法，既可以通過多通道數(shù)字下變頻來實現(xiàn)，也可以由數(shù)字信道化接收機(jī)來完成[7]。對應(yīng)的數(shù)字信號處理器件主要有數(shù)字下變頻(DDC)芯片和IPCORE，而DDC芯片主要是針對窄帶數(shù)字接收機(jī)，如INTERSIL公司的HSP50216，其最高輸入數(shù)據(jù)率為70MSPS，能處理的最大信號帶寬為1MHz，NCO分辨率為0.012Hz，通道數(shù)為4，最大抽取數(shù)為65 536，可以實現(xiàn)對AM,FM,BPSK,QPSK,FSK和DPSK等調(diào)制方式的信號進(jìn)行處理[8]。一般情況下,DDC芯片的處理速率在100MSPS左右，50MHz帶寬，通道數(shù)一般為4，顯然,在雷達(dá)信號測量時是滿足不了需求的。IPCORE則可適用于窄帶和寬帶系統(tǒng)，如PENTEK公司的IPC422，可以實現(xiàn)最大處理采樣率296MSPS，最大處理帶寬為148MHz，窄帶系列的信道數(shù)為32。盡管IPCORE的使用靈活，指標(biāo)更高，但適用范圍較窄，且價格昂貴[9]。因此，選用FPGA實現(xiàn)多相濾波數(shù)字信道化接收機(jī)的功能，此種設(shè)計方案具有較好的實用性，并且在類似的設(shè)計中具有較強(qiáng)的通用性。

綜合考慮以上因素，采用Altera公司Cyclone系列FPGAEP1C6進(jìn)行多相濾波數(shù)字信道化的硬件設(shè)計，開發(fā)工具為QuartusⅡ。具體數(shù)據(jù)流程是將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字中頻信號的載波頻段平均分成16個子頻段并分別下變頻到基帶，F(xiàn)PGA主要功能則是實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理單元、多相濾波器組和快速傅里葉變換(FFT)，采用VerilogHDL進(jìn)行硬件設(shè)計，并通過Modelsim工具進(jìn)行綜合仿真。

通過FPGA來實現(xiàn)多相濾波器組信道化接收機(jī)主要根據(jù)圖3所示的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計。接收機(jī)處理的輸入信號帶寬為100MHz，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，帶通采樣頻率為200MHz，采用多相濾波技術(shù)對數(shù)字中頻信號進(jìn)行信道劃分、下變頻、濾波和降速處理。設(shè)計中把信號覆蓋帶寬分成16個子頻帶，每個子頻帶帶寬為6.25MHz，便于后續(xù)DFT運(yùn)算時采用FFT來實現(xiàn)。經(jīng)過多相濾波器組信道化接收處理，不同頻段的信號被分配到不同指定信道，所接收覆蓋帶寬內(nèi)的信號被分配到各個不同的信道進(jìn)行輸出，其余各信道為帶外信號。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中采用QuartusⅡ軟件完成對FPGA的邏輯設(shè)計，多相濾波信道化接收機(jī)的電路結(jié)構(gòu)主要包括延遲抽取、FIR濾波、FFT模塊，各個模塊均采用VerilogHDL編寫。

FIR濾波模塊主要實現(xiàn)對各信道信號的濾波功能，每個信道的濾波器均是低通原型濾波器的多相分量，系統(tǒng)設(shè)計中多相濾波器組由16個子濾波器組成，每個子濾波器為16階，原型低通濾波器參數(shù)是：通帶頻率3.2MHz，阻帶截止頻率為3.5MHz，通帶紋波1dB，阻帶衰減60dB，低通原型濾波器階數(shù)為256。根據(jù)多相濾波器組與低通原型濾波器的系數(shù)關(guān)系，可以得到多相濾波器的各階系數(shù)，濾波器系數(shù)量化為16bits。信道化接收機(jī)的重點(diǎn)則是FFT設(shè)計，系統(tǒng)中實現(xiàn)了32點(diǎn)并行基2復(fù)數(shù)FFT，對于FFT的設(shè)計實現(xiàn)采用流水線結(jié)構(gòu)，根據(jù)32點(diǎn)蝶形運(yùn)算算法，在每一級只設(shè)置1個蝶形運(yùn)算單元，由2個累加器和3個旋轉(zhuǎn)因子乘法器組成，前兩級運(yùn)算只涉及加減法運(yùn)算，后三級運(yùn)算中涉及到乘法運(yùn)算，采用流水線結(jié)構(gòu)，能縮短組合邏輯間的延時，從而提高系統(tǒng)信號處理的速率。

3 仿真實驗與分析

為了驗證無源偵察傳感器信道化接收系統(tǒng)設(shè)計的正確性，還進(jìn)行了仿真實驗。由于要驗證信道化接收是否能完成對前端輸入信號的預(yù)期處理功能，因此,需要給系統(tǒng)輸入相應(yīng)的數(shù)字信號，并且數(shù)據(jù)輸入速率為200MHz，輸入的信號為線性調(diào)頻信號，將已調(diào)信號作為作為A/D采樣后的數(shù)字信號，在QuartusⅡ仿真軟件中作為系統(tǒng)的輸入信號，并進(jìn)行綜合仿真，得到系統(tǒng)的輸出結(jié)果，并將其存入。TBL文件，最后通過讀取.TBL文件中的結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制出輸出信號的波形，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 信道化接收機(jī)輸出信號波形與幅值譜

圖4給出了第6信道輸出信號，通過輸出結(jié)果與輸入信號比對，發(fā)現(xiàn)通過多相濾波信道化接收機(jī)的波形失真較小，并且沒有輸入信號的其它各信道輸出為零?？梢?，系統(tǒng)設(shè)計的多相濾波信道化接收方法能夠很好地實現(xiàn)對寬帶信號的接收，從而驗證了基于多相濾波寬帶信道化接收技術(shù)的正確性和可行性。

4 結(jié) 論

本文重點(diǎn)研究了基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)，F(xiàn)PGA具有高速數(shù)據(jù)處理能力和大量的乘法器、存儲器以及邏輯單元，在數(shù)字濾波器設(shè)計方面有顯著優(yōu)勢，這些都為無源偵察傳感器寬帶信道化接收技術(shù)研究提供了條件。本文建立了寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)模型，給出了采用FPGA對抽取、濾波、FFT等模塊進(jìn)行設(shè)計的具體方法，仿真實驗驗證表明：本文提出的寬帶信道化接收技術(shù)是正確的、高效的和靈活的。

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Research on wideband channelized receiving technology for passive reconnaissance sensor

WANG Hai-bin1, XIE Chuan-jun1, LIANG Ming-shen2

(1.Naval Air Force College, Huludao 125001, China;2.College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University,Harbin 150001, China)

Channelized receivers is the core of passive reconnaissance sensor system,a math model for channelized receiver based on polyphase filtering structure and a multichannel simulation system is designed based on this model, the extract, filtering and FFT modules are designed based on FPGA,the contradiction between signal high-speed real-time processing and FPGA processing speed is solved. At last, the simulation experimental results verify the model and system realization is correct.

passive reconnaissance; sensor; polyphase filtering

2014—11—07

10.13873/J.1000—9787(2015)02—0073—03

TN 971

A

1000—9787(2015)02—0073—03

王海濱(1982-),男,內(nèi)蒙古赤峰人,講師,研究方向為電子對抗、信息對抗等。