寬帶數(shù)字信道化EDA設(shè)計(jì)

引言

隨著抗干擾通信體制的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全概率信號(hào)截獲的接收機(jī)是非常需要的，而其關(guān)鍵是實(shí)時(shí)處理。由于寬帶信號(hào)接收系統(tǒng)的采樣速率很高，很難直接進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，采用多相濾波結(jié)構(gòu)后，信道化濾波器被分解成多個(gè)支路，每個(gè)支路的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)抽取后可以降低數(shù)據(jù)率，便于實(shí)現(xiàn)并行處理。

對(duì)于這種復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法貫徹自頂向下的設(shè)計(jì)理念不夠徹底，不同設(shè)計(jì)階段彼此獨(dú)立，頂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷、算法劣區(qū)不能在前期體現(xiàn)、不具備設(shè)計(jì)工具協(xié)同多層次開發(fā)的能力，給后期設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的阻力。Matlab、simulink及System Generator為今后的設(shè)備開發(fā)提供了一條自頂向下多層次緊密結(jié)合的新思路。

1、數(shù)字信道化原理

實(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化的直接方法是設(shè)計(jì)多個(gè)單獨(dú)的濾波器，每個(gè)濾波器具有特定的中心頻率和帶寬。從理論上來(lái)說(shuō)，每個(gè)濾波器都可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，它們可具有不同的帶寬或?yàn)V波器特性。這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是濾波器組工作時(shí)運(yùn)算是很復(fù)雜的。

對(duì)濾波器組的另一種實(shí)現(xiàn)形式就是所謂的低通型實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)與模擬信道化相似。圖1中，Hlp(n)為原型低通濾波器，加權(quán)系數(shù)的作用是把第k個(gè)子頻帶(信道)移至基帶(零中頻)。整個(gè)工作過(guò)程如下:采樣器將寬帶信號(hào)采集后形成高速的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)不同的復(fù)本振下變頻到零中頻，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)帶寬為信道寬度的低通濾波器。

由于數(shù)字信道化接收機(jī)的抽取器位于濾波器之后，故當(dāng)抽取率D很大或?yàn)V波器的階數(shù)比較高時(shí)，圖1所示的信道化結(jié)構(gòu)效率將非常低，利用多相濾波的概念將可以得到上述結(jié)構(gòu)的高效實(shí)現(xiàn)。

2、數(shù)字信道化設(shè)計(jì)

數(shù)字信道化的實(shí)現(xiàn)方式有2種方式:基于離散傅里葉(DFT)結(jié)構(gòu)和基于數(shù)字下變頻(DDC)結(jié)構(gòu)。

不論是基于DDC的還是DFT，都需要采用多相濾波加DFT的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，與基于DFT的數(shù)字信道化不同，基于DDC的信道化結(jié)構(gòu)中保留了原型中的數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)，各子信道為零中頻，便于信號(hào)的參數(shù)提取。

2.1復(fù)信號(hào)數(shù)字信道化實(shí)現(xiàn)

基于多相濾波器結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化方法由圖1所示的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)而來(lái)，所有運(yùn)算在抽取以后進(jìn)行，因此大大降低了后面數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)難度。

對(duì)于復(fù)信號(hào)，均勻信道常見的劃分方式有2種:偶型劃分和奇型劃分。在偶型劃分中第k個(gè)帶通濾波器中心頻率為

在奇型劃分中第k個(gè)帶通濾波器中心頻率為: 假設(shè)HLP(n)為N階低通FIR濾波器的沖激響應(yīng)，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，其第k個(gè)信道的輸出為:

2.2實(shí)信號(hào)數(shù)字信道化實(shí)現(xiàn)

上面的數(shù)字模型是針對(duì)輸人信號(hào)(x)n為復(fù)信號(hào)時(shí)的結(jié)果，但工程中接收到的實(shí)際信號(hào)大多是實(shí)信號(hào)，針對(duì)實(shí)信號(hào)的特點(diǎn)，可采取圖2所示的信道劃分方法。這種劃分方法只取信道的正邊帶或負(fù)邊帶，不損失信息。在這種劃分方式下，第無(wú)個(gè)信道的頻移因子可表示為:

根據(jù)實(shí)信號(hào)的信道劃分方法，可得到第k個(gè)信道的輸出為:

2.3非嚴(yán)格抽樣數(shù)字信道化設(shè)計(jì)

前面的仿真模型都是假設(shè)數(shù)字濾波器是理想的，即濾波器不存在過(guò)渡帶。然而，由于實(shí)際濾波器過(guò)渡帶的存在，不同信道劃分方法，或產(chǎn)生盲區(qū)，或產(chǎn)生虛假信號(hào)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)濾波器時(shí)令其過(guò)渡帶寬度不大于通帶寬度，并且相鄰信道的頻譜按50%重疊，使各信道的通帶拼接后覆蓋整個(gè)監(jiān)視頻帶，同時(shí)降低接收機(jī)的抽取倍數(shù)。采用這種劃分方式，接收機(jī)不存在接收盲區(qū)，但相鄰信道50%重疊會(huì)使一個(gè)輸人信號(hào)同時(shí)落在2個(gè)相鄰信道上，而產(chǎn)生虛假信號(hào)。解決方法是采用非嚴(yán)格抽樣數(shù)字信號(hào)化設(shè)計(jì)。

采用非嚴(yán)格抽樣數(shù)字化設(shè)計(jì)，第k個(gè)信道輸出為:

以實(shí)信號(hào)為例，根據(jù)上述表達(dá)式，在Matlab軟件的Simulink工具箱下，搭建如圖3所示的8個(gè)子信道的全數(shù)字信道化模型。

2.4信號(hào)判決

單信道窄帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)和有多個(gè)窄帶信道寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)，二者有明顯的區(qū)別。在窄帶接收機(jī)中，通過(guò)改變本地振蕩器的頻率可以把信道調(diào)諧到濾波器的中心，一旦信號(hào)移到濾波器中心，瞬態(tài)響應(yīng)的影響將會(huì)最小化。在寬帶信道化接收機(jī)中，本振的頻率和濾波器的頻率都是固定的，信號(hào)可能落到濾波器的中央，也可能位于2個(gè)信道之間。此時(shí)，需進(jìn)行信號(hào)判決，這也是數(shù)字信道化設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

當(dāng)信道中存在信號(hào)時(shí)，可根據(jù)信號(hào)的幅度及相位信息進(jìn)行綜合判斷。當(dāng)信號(hào)同時(shí)處于2個(gè)信道時(shí)，相位值會(huì)存在2:模糊間題，這時(shí)可增大輸出數(shù)據(jù)速率以消除相位模糊問(wèn)題。

根據(jù)信號(hào)的幅度信息，同時(shí)結(jié)合相位信息特征，對(duì)于單/多信號(hào)的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)，可在Matlab軟件的simuhnk工具箱下，搭建全數(shù)字信道判決模型，消除2∏模糊問(wèn)題。

利用ismuhkn工具搭建的信號(hào)判決模塊，其流程簡(jiǎn)單易懂，便于對(duì)該方法的理解。

2.5頻率測(cè)量

經(jīng)過(guò)信號(hào)判決模塊后，可知該信道內(nèi)有無(wú)信號(hào)存在，如果子信道內(nèi)存在信號(hào)，可通過(guò)相位差法獲得信號(hào)的頻率。

考慮到一階相位差法測(cè)頻精度低和不利用平均處理的缺點(diǎn)，采用高階差分法估計(jì)頻率。高階差分之前，應(yīng)對(duì)相位做解卷繞運(yùn)算首先進(jìn)行粗測(cè)頻，粗測(cè)結(jié)果大于四分之一采樣頻率時(shí)，對(duì)相位做“折疊”處理，即將負(fù)頻率部分翻轉(zhuǎn)成正頻率。之所以選擇四分之一采樣頻率是因?yàn)椋^低頻率不會(huì)發(fā)生相位的正負(fù)翻轉(zhuǎn)，同時(shí)選擇四分之一采樣頻率作為分界線能夠適應(yīng)較低的信噪比。

仿真發(fā)現(xiàn)，差分階次越高，測(cè)量精度越高。一階差分會(huì)引起中間測(cè)量結(jié)果的抵消，為了盡可能地利用有限的相位數(shù)據(jù)，并盡可能提高差分階次，如果測(cè)量得到N個(gè)相位數(shù)據(jù)，則做N/2階的差分運(yùn)算。仿真發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)頻率測(cè)量精度達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)。

3、硬件實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上述的設(shè)計(jì)仿真，很好地解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的多層次開發(fā)問(wèn)題，能夠在統(tǒng)籌總體設(shè)計(jì)的同時(shí)兼顧算法和真實(shí)復(fù)雜信號(hào)狀態(tài)的系統(tǒng)性能分析，大大加深了設(shè)計(jì)的深度和廣度，充分地進(jìn)行了全數(shù)字仿真。但需求不僅于此，由于系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為超大規(guī)模數(shù)字集成電路處理陣列。目前，如Motorola、TI、xilinx、Altera等大的硬件生產(chǎn)商均提供面向Mailab的硬件開發(fā)平臺(tái)，在高速數(shù)字信道化接收機(jī)中，應(yīng)用Xihnx的FPGA，故而使用simulink設(shè)計(jì)工具System Generator進(jìn)行針對(duì)以上仿真的后續(xù)設(shè)計(jì)，使得simuhnk的仿真平臺(tái)可以進(jìn)行面向底層硬件開發(fā)的設(shè)計(jì)分析，進(jìn)行半實(shí)物仿真，將EDA開發(fā)的水平和分析推人一個(gè)新的層次。設(shè)計(jì)流程主要有3步:

①原理模型設(shè)定:主要完成系統(tǒng)中硬件實(shí)現(xiàn)DSP功能模塊的建立，在本設(shè)計(jì)中已經(jīng)通過(guò)前面Simulink的設(shè)計(jì)仿真模型，得到了數(shù)字信道化接收機(jī)的原理模型;

②搭建設(shè)計(jì)模型:主要完成原理模型的遷移，使用xilinx的設(shè)計(jì)1具System Generator在simulink下搭建硬件可實(shí)現(xiàn)的模型設(shè)計(jì)。通過(guò)使用該設(shè)計(jì)工具可以實(shí)現(xiàn)理論模型向硬件設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)移，繼而進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)仿真和半實(shí)物仿真。以32信道為例，設(shè)計(jì)中需要32點(diǎn)的全并行蝶形運(yùn)算FFT結(jié)構(gòu)，通常使用的F打IP核不能滿足實(shí)時(shí)N點(diǎn)更新的需求，設(shè)計(jì)了多模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)FFT算法;

③仿真驗(yàn)證:利用Mattab中的Link for Modelsim模塊可以實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)的RTL級(jí)仿真，輕松驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)的正確性，考量算法轉(zhuǎn)化中的指標(biāo)、量化誤差性能等，而且Simulink還支持硬件設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真功能，可以將硬件設(shè)計(jì)加載到最終的硬件平臺(tái)上。在本文設(shè)計(jì)中，最終通過(guò)JTAG電纜將simulink中的仿真模塊用實(shí)物替代，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文利用Matlab、System Generator等工具實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信道化仿真，解決了信號(hào)判決及頻率測(cè)量模糊問(wèn)題，并用通用硬件平臺(tái)驗(yàn)證了仿真的正確性，對(duì)于工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。