基于fpga的宽带数字信道化接收机的设计

《基于fpga的宽带数字信道化接收机的设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

万方数据第31卷第12期2009年12月现代雷达ModernRadarV01．3lNo．12Dec．2009·牲：／发技术·中图分类号：TN959．1文献标识码：A文章编号：1004—7859{2009}12—0073—04基于FPGA的宽带数字信道化接收机的设计陈海红，汪欣(南京电子技术研究所，南京210039)摘要：提出一种基于多相滤波器组的宽带数字信道化接收机的实现结构和设计方法，该方法可以满足侦察接收机宽频段覆盖、高灵敏度、高截获概率和实时处理能力，较好地解决高速A／D芯片与低速信号处理器之间的矛盾。用基于CORDIC算法和一阶相位差分算法进行瞬时测频。对系统中的每个功能模块进行了基于FPGA的设计与实现，从signaltab中验证了该方法的正确性。关键词：信道化接收机；多相滤波器；数字接收机；CORDIC算法ADesignMethodofDigitalChannelizedWidebandReceiverBasedonFPGACHENHai．hong。WANGXin(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039，China)Abstract：Adesignmethodandstructuralimplementationofwidebanddigitalchannelizedreceiverbasedonpoly—phasefiltersisintroduced．Themethodsatisfiestherequirementsofwidebandfrequencycoverage，hashighsensitivity，highprobabilityofinter-ceptionandfullornearreal-timeoperationforreceiver，andsolvesthecontradictionbetweenthehiShspeedA／Dchipandlow-speeddigitalsignalprocessor．WeproposeoneinstantaneousfrequencymeasurementmethodbasedonCordicalgorithmandone—of-derphasedifferencealgorithm．AllfunctionalmodulesofthedigitalchannelizedreceiverareimplementedonFPGAdevice，there-suitofsisnalreceiveprovesthismethodiseffective．Keywords：channelizedreceiver；poly-phasefilter；digitalreceiver；CORDICalgorithm0引言在电子战场上，面临着日益严峻的电磁环境，表现为要截获的信号形式多样、频率范围宽和测频精度高。电子战侦察接收机通常要求对信号进行全概率信号截获，即具有实时处理多信号的能力，基于多相滤波器组的数字信道化接收机相比于模拟信道化接收机，具有高精度，高稳定性，抗干扰能力强，灵活可变等优点。随着高速ADC器件和现场可编程门阵列(FPGA)器件的发展，为数字信道化接收机带来了实现的可能。为了实现较高的频率分辨，基于FPGA的多信道数字接收机是一种理想的结构，其实现了频分和下变频的作用，又较好地解决高速A／D芯片与低速信号处理器之问的矛盾。1数字信道化接收机的原理数字接收机使A／D尽可能地靠近天线，对射频或中频的回波信号进行A／D采样，最大限度地保留信号的信息量以获得更高的截获概率，然后对采样后的数通信作者：陈海红Email：happy_cey@163．corn收稿日期：2009-08—12修订日期：2009-11-17字信号送人数字滤波器组，完成频域均匀信道化，再进行抽取，输出低速率的子频带信号以便于后续的测频和数字信号处理。信道化数字接收机的低通型原理框图，如图l所示‘11图1信道化数字接收机低通型原理框图数字信道化接收机的每个通道乘以变换因子，将该通道的信号变为零中频，然后再通过低通滤波器得到该频率信号。马。(n)为Ⅳ阶多相滤波器组的原型低通滤波器。该结构可以有效地实现信道分离，但对宽带数字信道化接收机系统而言，A／D采样率很高，图中的混频器与低通滤波器工作的速率与采样率相等，而混频器与低通滤波器中的乘法器也工作在采样速率，目前的FPGA器件无法达到这样高的乘法速度。且其必须进行K个低通滤波，当低通滤波器阶数比较大，在信道数K比较多时，每一个信道配一个这样的一73— 万方数据现代雷达高速滤波器实现起来很困难，所以采用高效的宽带数字信道化接收机结构。1．1基于多相结构的滤波器组从图1的结构中可以看出，信道化滤波器组是信道化接收机的重要组成部分。通常数字信道化接收机的滤波器都是基于多相滤波技术来实现的，它是宽带接收机直接实现方式的高效实现形式。设数字滤波器组的个数为K(即信道数为K)，抽取因子为D，K=FD(F>0)，对于第K个信道中的信号滤波后输出如下旧。J扎(m)=f羲z(n—i)e-jwt(a-i)五fP(i)ln=mD=Ni蛩-I(一i)e-mDie=jwk(删’h加(i)：乏．戈(一和1’如(i)=i=OTK—IK‘∑乏石(一柚一Ⅸ一9’。(+p)D,一--fl一--NmDiKp)e-jwk(hiK0i0-r一令％(m)=髫(mD—P)，h，(m)=h如(mK+P)则令￡=[等】￡表示取大于【等】的下一个整数K一1L一1=磊i》，(m—iF)e-JWk(m-ig)Dh，(i)e如驴=笺‘甍乞如一1)e-J'k("-f)。h，(专1)ej憎2磊i邑％(m一，(了)e妒驴k7(m)是～(m)的多相分支k(m)经F倍内插后的结果。Y^(m)=夏[％(m)e。毗m徊·h，7(m)]e如驴(3)实信号的频谱具有对称性，频带划分较为特殊，不同的划分法有不同的高效结构弦6|。为覆盖整个频域，频带采用50％交叠的方式，相邻滤波器在3dB处交叠，偶排列型。频带划分，如图2所示。滤波器的通带宽度为詈，阻带宽度为警。则·-——74--——e一川m)。=e一势柚=e—j棚(4)考虑到抽取器的等效关系，将抽取器与滤波器交换位置后，将F=2，tt，。=2i71"尼代人式(4)时的高效信道^化接收机的结构框图如图3所示。图2多相滤波器的频域划分图(偶排列型)：。I。回1塑：!r(。IPiM(m)：。I一璺廿——叫争-L(m)Z‘l一回甘lpPl—匹卜呕弘Hd(m)：。I坐扭!尘叫固叫巫卜图3高效信道化接收机的结构框图1．2数字瞬时测频的原理及算法由上可知，宽带数字信道化接收机具有测频能力，但受到FPGA的资源限制，信道划分不可能太细，所以只能粗略地测量出信号频率，要想测出精确的信号频率，必须对信道化接收机的输出信号进一步的处理。基于坐标旋转数字式计算机(CORDIC)进行测相和一阶相位差分的瞬时测频算法简单易行，且易于在大规模的FPGA中实现。1．2．1CORDIC算法测相CORDIC算法是建立在众多应用的基础之上，第1次利用FPGA实现是由Meyer．baese等人研究的。它有线性的收敛域和序列的特性，只要迭代次数足够，即可保证结果有足够的精度。假定初始向量y。(墨，L)经过多次步进旋转角度0后得到向量K(墨，rj)，CORDIC算法执行如下映射【湖=瞄=m】-c。spt【。a：p。一‘：n口‘】【妻】c5，Z‘+I=ZI+瓯0I当0。=arctan(2“)时，则式(5)可表示为【妻：：】----COSOk【6。：一。一02一‘】【妻】，6t∈{一·，·I(6)2，L)F∥(P危=、，m，LP矗令 万方数据·g．／发技术·陈海红，等：基于FPGA的宽带数字信道化接收机的设计Z㈧=Z‘+瓯arctan(2_)cos8I=COS(arctan(2。))其中2个旋转方向中乙珈和圪枷，晚用来确定第k次微旋转的方向。随着迭代次数的增加cosOk收敛于～个常数。实现CORDIC算法可以采用2种基本结构，较为简洁的状态机和高速全流水线处理器。高速全流水线结构由于每一级流水单元都只包括加法器，移位器和一个系数存储器，且如果输入的I、Q信号位数足够，输出信号的相位精度只与CORDIC算法的微旋转次数有关，即只与流水单元数有关，而增加一级流水并不会增加多少FPGA的资源，所以极易用FPGA实现。8级高速全流水线结构如图4所示。I峰业卜—_1广_一再翮谁￡二fX4=X，+2一一l谁℃二℃=以=一士2．2El唯￡二芏=气—丘+2’‘K—属．℃f■=K士2-4'：l—屙卜芋车翮—∥l移御)|J=]!±：：：兰翌l—===={．I移位1¨==￡±兰：上坐!l：：：一移位2IJ=]!!．y‘2y42啊I。。。。。。。。。。。‘‘。。‘。‘‘。。_J面虱=]匕±．圪一K2％l。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。_J霸虱二工=±．兰：!!兰I；======彳l婴i．K=’；2‘，、：l——1蒯，图48级高速全流水线结构1．2．2一阶差分法测频由上分析可知，利用CORDIC算法可得出瞬时相位值妒(t／,)，而在数字域中，瞬时相位中和瞬时频率，的关系为八n)：吐立宅掣(7)二7玎』式中：丁为采样时间间隔，则对CORDIC算法可得出瞬时相位值进行一阶差分就可以得到瞬时频率值。但乏arctan(2。)一99．883o，即如果初始矢量K(置，L)是x轴的话，正弦周期信号的瞬时相位值被限定在[一,rr／2，+,rr／2]，会造成相位不连续以及出现相位模糊的问题，要得到整个周期的正弦和余弦相位值可以通过如下方法得到。在迭代的开始端增加两级Ot。的旋转，变为乏arctan(21)+2arctan(20)一189．8830(8)n2I即可以实现[一1T，+盯]的旋转，可以得到整个0—2Ir周期的正弦和余弦相位值。则町以得到宽带数字接收机每个通道瞬时频率值。2信道化接收机的FPGA实现为了实现高速采样，ADC器件选用了NationalSemiconductor公司新推出的一款高性能，低功耗的3．4GHz采样速率8bit的模数转换器ADC083000器件。FPGA器件选用Ahera公司的EP3SLl50F1152芯片，Ahera的stratixIll系列的FPGA速度快，集成度高，拥有丰富的片内逻辑资源，存储单元和18bit×18bit的乘法器资源及IP内核，非常适合用大型的数字信号处理。信道化滤波器信道数K为64，抽取D为32，相当于有32个独立的信道。在基于多相滤波器高速信道化算法模型实现方案下，系统最终实现了宽带信号多通道全概率实时并行接收，在短时突发通信信号，跳频通信信号和自适应通信信号接收机中具有重要的参考价值和广泛的应用前景。原型低通滤波器为512阶的FIR滤波器，用mat—lab的生成，过渡带为1／2的交叠，为展宽滤波器主瓣且压缩旁瓣，IFFTr须对输人数据加窗，用hamming窗，其可以提供理想的频率响应。32个加hamming窗滤波器组的频域响应图如图5所示。高速A／D芯片的采样速率可达3．2GHz以上，可覆盖带宽1．6GHz，鼍化位数为8bit，AD芯片中可以实现4倍降速，输出32bit速率为800MHz的数字信号到stratixllI的差分IO口。在FPGA中调用Altlvds—rg宏功能模块再实现8倍降速，输出256位速率为100MHz的信号，即实现32倍速的降速，又信道数为64，则信道32～63为信道0～31的100MHz时钟的延迟。将降速后的512位数据进行译码后送人“相的多相滤波器，每相滤波器的输人为8位，经多相滤波后输出独立的32个信道的复信号，32个信道的复信号分别经过CORDIC算法进行测相和一阶差分法进行测频，最后输出测得的频率值。宽带数字信道化接收机的FPGA实现框图如图6所示。一75一蒜j∥暑 万方数据现代雷达∞图532个独立信道滤波器组频响应图多C·_——相o’—_滤lFFlR阶波D差器f分组C测y{1测频相·L____—_出图6FPGA实现的信道化接收机框图在A／D采样速率3．2GHz时，输入单载频正弦脉冲信号为212MHz，信号应在第5信道，Signahap显示的第4、5、6信道输出实域图如图7所示，由图可知，第5信道输出正确。将图7中弘的实域数据存在RAM中，再将RAM中的数据从CPCI总线读出进行分析，图8为儿的实域数据的频谱图，从频谱图中可知，镜相抑制比为42．9dB，信噪比为35．7dB，数据有效位数为6．8位。图7Sigmaltap显示的第4、5、6信道输出实域信号图8第5信道实域输出信号的频谱图燃×卯舭+(麟_1)×勋舭+25舭=测量频率值在本系统中，测得的频率值为一16805，则实际的测量频率值为211．627MHz，误差为0．373MHz，在1MHz以内。宽带数字信道化接收机系统在整个频带范围内有较好的测频精度，且实时性强。系统中FPGA的程序全部采用VHDL语言设计，可移植性强，便于调试。一76一因此在无源雷达中具有很高的应用价值。3结束语近来发展起来的FPGA，以高速的数据处理能力和大量的乘加器、存储器及逻辑单元，成为一种重要的信号处理工具，在高速数字滤波器的设计方面更有其显著的优势。射频宽开的微波数字接收机是现代雷达数字接收机的发展趋势，这种接收机的采样部分尽可能靠近天线，可以最大限度地保留信号的本来面目同时获得更高的截获概率。参考文献[1]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．YangXiaoniu，LouCaiyi，XuJiardiang．Softwarewirelesstheoryandapplication[M]．Beijing：ElectronicIndustryPublishingCompany，2001．[2]AngCN，TamerRH．VirtexFPGAimplementationofapoly-phasefdterforsamplerateconversion[c]／／ConferenceRe-codeoftheThirty-FourthAsilomarConferenceonSignals，sys-ternsandComputers．QIli|foⅡlia：IⅡ强Press．2000．[3]ZahimlakDR，SharpinDL，FieldsTW．Ahardwareettl—cient，muhirate，digitMchannelizedreceiverarchitecture[J]．IEEETransonAerospaceandElectronicSystems，1998，34(1)：137—152．[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．ZhouXin，WuYing．A8tudyonbroad-bandchannehzedre-ceiveralgorithmbasedonpolyphasefilters[J]．ModemRa-dar，2006，28(11)：71—74．[5]FredricJ．Harris，ChrisDick，MichaelRice．Digitalreceiv·ersandtransmittersusingpolyphasefdterbanksforwirelesscommunications[J]．IEEETransactionsonMicrowaveTheo-ryandTechniques，2003，51(4)：1395—1411．[6]高海山，牛忠霞，王斌．DSP的软件信道化接收机的设计与实现[J]．现代雷达，2005，27(6)：55-58．GaoHaishan，Niu压ongxia，WangBin．Designandimple-mentationofasoftware．charmelizedreceiverbasedonDSP[J]．ModemRadar，2005，27(6)：55—58．陈海红女，1977生，工程师。研究方向为数字接收机和高速电路设计。汪欣男，1969生，高级工程师。研究方向为数字接收机和高速电路设计。fI●●●，●?●●^●●ihliliiii●一k叫⋯㈨⋯⋯呲。邶渤专：舶鄂舶舶枷 基于FPGA的宽带数字信道化接收机的设计作者：陈海红，汪欣，CHENHai-hong，WANGXin作者单位：南京电子技术研究所,南京,210039刊名：现代雷达英文刊名：MODERNRADAR年，卷(期)：2009，31(12)被引用次数：0次参考文献(6条)1.杨小牛.楼才义.徐建良软件无线电原理与应用20012.AngCN.TarnerRHVirtexFPGAimplementationofapolyphasefilterforsamplerateconversion20003.ZahimlakDR.SharpinDL.FieldsTWAhardwareefficient,multirate,digitalchannelizedreceiverarchitecture1998(1)4.周欣.吴瑛基于多相滤波的宽带接收机信道化算法研究[期刊论文]-现代雷达2006(11)5.FredricJHarris.ChrisDick.MichaelRiceDigitalreceiversandtransmittersusingpolyphasefilterbanksforwirelesscommunications2003(4)6.高海山.牛忠霞.王斌DSP的软件信道化接收机的设计与实现[期刊论文]-现代雷达2005(6)相似文献(10条)1.期刊论文付永庆.李裕基于多相滤波器的信道化接收机及其应用研究-信号处理2004,20(5)本文主要研究了应用多相滤波技术的信道化接收机建模问题.在给定信道频谱划分方案下,推导了基于多相滤波器的信道化接收机数学模型.并由此模型设计了一个四信道模拟系统.最后用仿真实验结果验证了模型的正确性.2.期刊论文罗星华.苏涛.LuoXinghua.SuTao基于多相滤波器组的信道化接收机的分析-火控雷达技术2008,37(2)该文应用多速率信号处理理论,对基于多相滤波器信道化接收机的数学模型进行了分析和讨论,并与传统的低通滤波法进行了比较,结果表明该方法能以较低的运算复杂度更好的实现信号的实时处理.文章最后用仿真实验结果验证了该方法的正确性.3.学位论文李裕多信道软件无线电接收机实现技术研究2003软件无线电的基本思想是将宽带A/D及D/A尽可能靠近天线,将无线电台的各种功能在一个开放性、模块化的通用硬件平台上尽可能多的用软件来实现.软件无线电已成为移动通信中的关键技术之一.本文主要研究了软件无线电接收机中的相关理论及实现方案并进行了相应的系统仿真.本文首先深入讨论了软件无线电接收机的基本理论:采样技术、多速率信号处理和调制解调算法.在此基础上研究了下变频技术和带通采样技术在并行多信道接收机中的应用,提出了利用CIC,HBF和FIR级联设计下变频器的方案,并完成了系统仿真.然后深入研究了多相滤波技术在信道化接收机中的应用,推导和建立了实信号接收机的数学模型,给出了真实信道中心频率和带宽的计算公式,简要分析了算法复杂度,最后完成了基于此模型的4信道软件无线电接收机的系统仿真.本文所建立的两个系统作为后续研究的基础平台,可以利用其移植各种通信系统,并分析系统性能,具有一定的应用价值.4.期刊论文高海山.牛忠霞.王斌.GAOHai-shan.NIUZhong-xia.WANGBinDSP的软件信道化接收机的设计与实现-现代雷达2005,27(6)基于传统信道化接收机以硬件划分信道为主,无法实时处理大量的宽带信号,提出了软件结合硬件来实现宽带信号中子信道的划分;采用多相滤波算法实现信道化,介绍了软件信道化接收机实现的硬件平台,对该接收机硬件设计中每个电路模块的功能及实现分别作了说明,并从整体上描述了软件的信道化接收机的工作流程.5.会议论文黄强超长FFT等效算法研究2008我们介绍了分段谱平均算法、两次FFT矩阵算法+频率细化算法和数字信道化等三种超长FFT等效算法，通过仿真分析得到，两次FFT矩阵方法的检测性能最好，测频精度最差，通过频率细化，虽然使检测能力有所下降，但能够达到很高的测频精度，其复杂度很高；分段谱平均方法原理和实现相对最简单，但其信号检测能力最差；数字信道化方法其信号检测能力相当于两次FFT+频率细化方法，测频精度可以通过设置信道数目进行精确测量，而其实现复杂度相对适中。综合考虑检测性能、计算复杂度和硬件可实现性，数字信道化方法最佳。6.期刊论文宋莹莹.王宏民.赵生明多相滤波的正交处理器与多相滤波器组信道化接收机的分析-煤炭技术2004,23(12)对基于多相滤波的正交处理器和多相滤波器组信道化接收机进行了详细的研究.给出了该接收机的数学模型,并以四信道为例用MATLAB对其进行仿真分析.7.期刊论文徐飞.张冠杰.陈矛.XuFei.ZhangGuanjie.ChenMao基于FPGA的一种电子战接收机信道化设计-火控雷达技术2008,37(1)介绍电子战信道化接收机的设计思想和它的一种实现结构,对此结构进行深入的分析,使用FPGA来实现其功能.最后,仿真证明该方法是有效的.8.学位论文聂赛斓数字化告警接收机2007本文提出了基于IDFT多相滤波器的数字信道化接收机的高效结构及其参数编码器。其基本原理是通过抽取的多相滤波和IDFT高效地实现信道化，输出基带信号，在低速率下准确地输出脉冲描述字，实现宽带、高截获率的接收。 本文首先推导出一种数字信道化接收机的高效结构，并与其基本结构相比较。Matlab仿真结果表明了该结构是高效、正确的，可以简化后续参数编码器的设计。然后讨论了几种常见的瞬时测频方法。并提出了一种幅度比较和相位差分相结合的测频方法：对每个信道输出信号的相位差特性进行设计，使相位差在每个滤波器60dB带宽内呈线性。很好地解决了相邻信道间虚假信号输出的问题。最后给出硬件设计方案以及FPGA硬件实现。重点讨论了相位解卷叠和相位差分模块以及脉冲描述字模块的设计。由Chipscope得到的硬件实验结果表明该设计方案可行，满足设计要求。本文提出的数字信道化接收机方案在电子战接收机中具有广阔的应用前景。9.期刊论文周欣.吴瑛.ZHOUXin.WUYing一种基于多相滤波的高效信道化算法研究及改进-信号处理2008,24(1)本文对基于多相滤波技术的信道化算法做了仿真和优缺点分析.针对其存在盲区的问题,以降低抽取率为基础,对该算法进行了改进,建立了无盲区信道化接收机模型.并由此模型设计了四信道仿真系统,实验结果验证了模型的正确性.最后,在TigerSHARCTS101上实现了改进算法,运行结果证明了算法的高效性.10.期刊论文周欣.吴瑛.ZHOUXin.WUYing基于多相滤波的宽带接收机信道化算法研究-现代雷达2006,28(11)对基于多相滤波技术的信道化算法做了仿真和优缺点分析.针对其存在盲区的问题,以降低抽取率为基础,对该算法进行了改进,建立了无盲区信道化接收机模型.并由此模型设计了四信道仿真系统,实验结果验证了模型的正确性.最后,在TigerSHARCTS101上实现了改进算法,运行结果证明了算法的高效性.本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xdld200912018.aspx授权使用：北京理工大学(北京理工大学)，授权号：dfb3855b-ac2f-47e8-ba84-9e4b0149f894下载时间：2010年12月13日