无线电中多相滤波信道化理论研究和分析

第一章绪论

1.1 研究背景及意义
现代通信接收侦查设备所监测的环境越来越复杂，而且信号相互之间的干扰也越来越严重，尤其是军用电子接收设备，由于其所在的工作环境复杂特殊，需要具有更高的抗干扰性能。但传统的接收系统由于其灵活性低、可靠性低和抗干扰能力差等原因已经不能适应现代的电子战工作环境，因此，研发具有高灵活性、高可靠性和抗高干扰能力等优点的数字接收系统成为当今电子战重要的研究方向[1]。信道化处理方法作为数字接收机和软件无线电系统的关键技术之一。
以软件无线电为基础的数字信道化接收系统结构，具有高截获概率、动态范围大、高灵敏度、且具有良好的频率分辨率和同时处理多个带宽信号的能力，能够很好地实现对未知信号的接收，因此基于数字信道化接收结构设计的接收机[2]成为了当前比较热门的数字接收机，许多研究所都对其展开了研发，其中有些研究成果已经应用到电子战中了。软件无线电数字信道化系统[3]是以最基本最简单的硬件为基础，尽可能的通过应用软件的可重新装配和可升级性来实现各种通信需要的功能。比如基于软件无线电理论实现的电子战高中频接收机[4]，能够通过软件设计相应的算法来实现相应的接收信号功能。这种软件化的数字信道化系统，为具有高效率处理，强适应力，良好的扩展性等优点的电子战高中频接收机的实现，打下了坚实的理论依据及提供了优秀的设计方法。软件无线电技术的开放性和灵活性使得电子战高中频接收机能够很好的满足各种参数要求的设计，并能进一步提升接收系统的性能。因此，随着软件无线电技术的快速发展，成熟的数字信道化技术将在军事通信领域中得到更广阔的应用，更好地满足现代电子战环境提出的高要求，此技术具有广阔的发展前景。本人参于了北京中科飞鸿科技有限公司研究项目：小型化、高灵敏度接收和处理信号技术的研究，此技术主要运用在数字接收机，主要性能指标如下：
(1)接收带宽至少达到 2GHz；
(2)数据精度达到 10bit；
(3)解决盲区和信号丢失问题；
(4)降低处理速度；
(5)能接受微弱信号；
(6)接收机体积不能太大；
鉴于以上指标，本论文根据软件无线电中信道化理论知识，设计出具有高阻带衰减和满足重构条件的原型滤波器，用来实现均匀和非均匀复制数调制滤波器组，并完成无盲区和无信号丢失的信道化接收，最后利用 FPGA 硬件平台实现此均匀信道化技术，验证宽带数字接收机中的信道化技术的可行性。

1.2 软件无线电介绍
在二十世纪九十年代，Joseph 博士在美国的国家远程会议上首次提出了软件无线电(Software Radio)这个概念，其定义[5]：该系统具有对多频段的传输信号同时进行处理的能力，其天线所能接收的范围相当广，通过对接收到的模拟信号直接进行数字离散化处理后，其后续所有功能均能利用软件设计的 IP 核(Intellectual Property core)来完成，即硬件本身无需变动，只需对 IP 核进行重新设计就能完成系统的更新。由于软件无线电中的各种功能主要是用软件实现的，因而它的研发更快捷，可重复更新，这种新的无线电通信体系结构具有很强的存活性[6]。
1.2.1 软件无线电的关键技术
软件无线电系统主要组成：宽带天线、射频前端、高速率信号处理技术以及软件编写的 IP 核，介绍各模块如下：
(1)天线天线[5]是硬件模块的出入口，只能通用硬件本身设计，其要求是选取的工作频段必须满足无线通信的全频段，并且能对其工作频段内参数进行程序控制。软件无线电天线设计[6]可采用智能化天线技术、组合式多频段天线、具有通用化和模块化的收发双工技术、多倍频程宽带低噪音放大器等方案。
(2)射频前端射频前端是采用数字频率合成技术设计，由硬件通用平台和多个射频发射模块组成，根据传输信号的频带可知，其工作频段很宽[5]。
(3)高速 A/D 和 D/A 转换软件无线电对模数和数模转换器的要求体现在采样速率和位数上。根据采样定理，采样速率由信号带宽决定，而采样位数则要满足系统的动态范围条件和数字信号处理的精度要求[3]。

    1.3 信道化技术的国内外研究现状 ...................13-17
        1.3.1 单通道信道化技术 ...................13-14
        1.3.2 多通道信道化技术 ...................14-16
        1.3.3 研究成果 ...................16-17
    1.4 硬件平台的选择 ...................17-19
    1.5 硬件描述语言 ...................19
    1.6 本文的研究工作与内容安排 ...................19-21
第二章信道化基础理论 ...................21-33
    2.1 引言 ...................21
    2.2 信号采样基本理论 ...................21-24
        2.2.1 Nyquist 采样定理 ...................22-23
        2.2.2 带通采样定理 ...................23-24
    2.3 多采样率信号处理基础 ...................24-28
        2.3.1 整数倍抽取 ...................25-26
        2.3.2 多相滤波结构 ...................26-28
    2.4 多通道信道化理论 ...................28-32
    2.5 本章小结 ...................32-33
第三章信道化技术 ...................33-55
    3.1 引言 ...................33
    3.2 基于 CEM 滤波器组的信道化 ...................33-36
    3.3 非均匀滤波器组的信道化 ...................36-42
        3.3.1 非均匀滤波器组设计 ...................37-39
        3.3.2 非均匀信道化的优化结构 ...................39-42
    3.4 完全重构滤波器组的设计 ...................42-49
        3.4.1 调制滤波器组 ...................42-45
        3.4.2 原型滤波器设计方法 ...................45-49
    3.5 仿真 ...................49-54
    3.6 本章小结 ...................54-55
第四章数字信道化技术的 FPGA 实现 ...................55-76
    4.1 系统硬件框图及开发平台介绍 ...................55-57
        4.1.1 系统硬件框图 ...................55
        4.1.2 开发平台介绍 ...................55-57
    4.2 系统硬件框图中各模块功能简介 ...................57-66
        4.2.1 数据预处理模块 ...................57-59
        4.2.2 多相滤波信道化系统的FPGA实现 ................59-66
    4.3 仿真结果与及结论 ...................66-74
        4.3.1 软件仿真 ...................67-72
        4.3.2 硬件仿真 ...................72-74
    4.4 本章小结 ...................74-76

总结

本文研究了软件无线电数字信道化技术，给出了均匀和非均匀信道化设计方案，设计的基于 CEM 滤波器组的信道化技术是一种能够实现全概率截获侦收的较好的设计方案，合理设计了可重构的高阻带衰减的原型滤波器。本文是围绕多相滤波数字信道化技术理论和 FPGA 硬件实现两方面展开研究和设计，本人完成工作如下：
(1)分析了软件无线电中的基本理论，均匀信道化和非均匀信道化理论。
(2)研究了 CEM 调制滤波器，优化了滤波器组的低通型实现结构，推导了基于 CEM滤波器组的多相滤波结构的非均匀信道化
(3)简单介绍了了 Stratix II 系列 FPGA 芯片，利用 FPGA 硬件实现多通道均匀信道化，并通过仿真验证了程序的正确性。
(4)使用 VHDL 编写了信道化系统中的抽取模块、复乘模块、多相滤波器组模块以及 FFT 模块。
因为时间限制和本人水平所致，在非均匀信道化中能量检测及信道合并还存在一些尚未解决的问题和难点设计，如下：
(1)子信道数可变功能。难点是系统抽取系数、原型滤波器阶数和信道划分等参数根据检测到的信号做到可控可变。
(2)能量检测算法最优化设计。难点是实现对微弱信号的能量检测，排除噪声干扰。
(3)利用相同的硬件消耗设计出更大的瞬时接收带宽。这需要设计人员对 VHDL 语言和 FPGA 芯片结构的深入了解，合适优化程序代码，并设计出更好的信道化结构。
(4)抽取倍数必须和子信道数相等。难点是要解决信道带宽和子信道的输出速率之间的约束条件，从而达到简化硬件设计的目的。
期待今后能对以上问题做出进一步的研究与设计，并完成高性能的非均匀信道化硬件设计，从而设计出高性能的数字信道化接收机。