CN102346245B - 一种宽带中频信号数字下变频方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达接收机技术领域，公开了一种宽带中频信号数字下变频方法。本发明的方法有三部分组成：采集数据的并行处理、中频信号下变频处理和基带信号降速处理。本发明的方法通过对信号的并行处理，得到同相和正交的基带信号，实现了对超高速率中频采样信号的处理，同时将多相滤波正交变换过程中的2倍抽取放在了后续的多相滤波结构中，与多相滤波中的D倍抽取相结合，简化了结构，此外，在对多相滤波结构的设计过程中，对查找表进行改进，对滤波器系数进行拆分，将分布式ROM改进为分布式ROM和块ROM的组合，降低了资源占用量。

Description

一种宽带中频信号数字下变频方法

技术领域

本发明属于雷达接收机技术领域，尤其涉及一种机载雷达宽带中频信号数字下变频方法。

背景技术

随着高科技技术引入到现代战争中，雷达接收机的数字化水平越来越高。国外从20世纪80年代就出现了研究数字接收机方面的报道，进入90年代以后逐渐出现了基于片上系统的数字接收设计思想和基于软件无线电的数字接收机设计理念。由于软件无线电技术的快速发展，基于软件无线电的数字接收机已成为主流的雷达接收机，主要由高速A/D，数字下变频(DDC，Digital Down Converter)、总线控制、存储和终端处理等五大部分组成。

针对数字化雷达接收机前端，目前市面上已经出现了很多超高速多比特的A/D采样芯片，其采样速度可达到几个Gsps，而由此带来的问题就是数字信号处理器很难实时处理如此高速的数据流，数字下变频技术就显得至关重要。

数字下变频的基本功能是将输入的宽带中频信号下变频为数字基带信号，并转换成较低的数据流。常规的数字下变频结构如图1所示。采样后的数据通过与数控振荡NCO产生的解调信号相乘，得到两路正交的信号，同时实现频谱搬移，再由低通滤波器滤波后，进行多倍抽取，达到降速的效果。对于宽带信号，经过高速A/D采样后，数据速率可达几Gsps，由于常规的数字下变频方法，工作速率与ADC输出数据的速率一致，而FPGA器件无法达到如此高的运行速度，因此采用常规的数字下变频方法无法实现对宽带中频信号进行处理。

为克服常规的数字下变频方法的缺陷，Jeffrey O.Coleman，James J.Alter和Dan Scholnik等人提出了利用希尔伯特滤波器实现频谱搬移的方法，其功能结构如图2所示。信号通过带通滤波器滤去复信号，再通过Hilbert滤波器，将得到的信号下变频为零中频，最后进行D倍抽取降速。这种下变频方法虽然可以用硬件实现，但是其资源占用量大，系统内部设计复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的数字下变频方法的资源占用量大造成的系统内部设计复杂的缺陷，提出了一种宽带中频信号数字下变频方法。

本发明的技术方案为：一种宽带中频信号数字下变频方法，具体包括如下步骤：

S1.对宽带中频信号进行采样，产生N₁路信号，且依时序排列，其中N₁为正整数；

S2.对N₁路信号进行串并转换，将每一路数据按照1路串行输入，N₂路并行输出，即1:N₂进行转换，形成N₁×N₂路依时序排列的数据x[n]，其中N₂为正整数；

S3.N₁×N₂路数据x[n]经过多相滤波正交变换，得到N₁×N₂路同相分量和N₁×N₂路正交分量；

S4.N₁×N₂路同相分量和N₁×N₂路正交分量分别经过多相滤波结构，实现2D倍抽取和低通滤波，最后得到N₁×N₂/2D路同相和N₁×N₂/2D路正交的基带信号，其中N₁×N₂/2D为正整数。

所述步骤S3具体过程如下：

设输入信号为：

其中a(t)为输入信号的包络信息，为信号的相位信息，f₀为载波频率。

根据带通采样定理：

$f_s=\frac{4f_0}{(2m+1)}$ (m＝0，1，2，...)；

对其进行采样，其中f_s≥(r+1)B，f_s为采样频率，r为矩形系数，B为信号带宽。得到采样序列为：

式中：

为x[n]的同相分量和正交分量(零中频信号)。

根据基于多相滤波的正交变换，

x_I[2n]＝x[2n]g(-1)ⁿ

x_Q[2n+1]＝x[2n+1]g(-1)ⁿ

为简化设计，对多相滤波正交变换结构图3a，改进为图3b的结构图。将2倍抽取置于乘法器之后，与S4中的D倍抽取相结合，形成2D倍抽取。

多相滤波正交变换为：将x_I[2n+1]和x_Q[2n]都置零，则x[n]的同相分量和正交分量可以转换为下式：

$x_I\left[n\right]=x\left[n\right]g\cos \left(\frac{2m+1}{2}\mathrm{\πn}\right)$

$x_Q\left[n\right]=x\left[n\right]g\sin \left(\frac{2m+1}{2}\mathrm{\πn}\right)$

因此，将N₁×N₂路x[n]信号分别乘以

和

再将得到的I路和Q路数据进行2倍抽取，滤出之前置零的项，即可以实现频谱搬移。

所述步骤S4具体过程如下：

利用多相滤波结构实现2D倍抽取和低通滤波，是将2D路同相分量I或正交分量Q，抽取为1路同相分量或正交分量。

在多相滤波结构的设计过程中，采用改进型的分布式(DA，Distributed Arithmetic)算法代替常规的乘加结构，以降低资源占用量。即在常规分布式算法基础上，对查找表进行改进，所述查找表由块ROM和分布式ROM组成，具体的为：将滤波器系数N进行拆分，N＝L+M，查找表由大小为2^L×B的块ROM和2^N×B的分布式ROM组成。

设输入信号：

$x\left[n\right]=-2^B\×x_B\left[n\right]+\underset{b=0}{\overset{B-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_b\left[n\right]\×2^b$

其中，x_b[n]∈[0，1]，b∈[0，B]，B为x[n]的最高位数。

经过N阶FIR滤波器输出结果为：

$y=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left[n\right]\×x\left[n\right]$

$=-2^B\×f\left(h\right[n],x_B[n\left]\right)+\underset{b=0}{\overset{B-1}{\mathrm{\Σ}}}{2}^b\×\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(h\right[n],x_b[n\left]\right)$

其中f(h[n]，x_b[n])＝h[n]×x_b[n]，b∈[0，B]。

改进型分布式算法是在常规分布式算法基础上对查找表(LUT，Look-Up-Table)进行改进，将原来的分布式ROM改为分布式ROM和块ROM的组合，通过将滤波器系数N进行拆分，即N＝L+M，把LUT的规模由原来一个资源为2^N×B的分布式ROM，变为1个2^L×B的块ROM和1个2^M×B的分布式ROM，极大地降低了资源占用量。

本发明的有益效果：本发明的下变频方法，通过对信号的并行处理，得到同相和正交的基带信号，实现了对超高速率中频采样信号的处理，同时将多相滤波正交变换过程中的2倍抽取放在了后续的多相滤波结构中，与多相滤波中的D倍抽取相结合，简化了结构，此外，在对多相滤波结构的设计过程中，对查找表进行改进，将滤波器系数进行拆分，将分布式ROM改进为分布式ROM和块ROM的组合，降低了资源占用量。

附图说明

图1为常规的数字下变频结构示意图。

图2为利用希尔伯特滤波器实现宽带中频信号处理的结构示意图。

图3a为多相滤波正交变换结构示意图，图3b为改进后的多相滤波正交变换结构示意图。

图4为本发明实施例的宽带中频信号数字下变频方法的功能示意图。

图5a为chirp信号的频谱图，图5b为经过多相滤波正交化后的信号频谱图，图5c为matlab仿真得到的信号频谱图。

图6为4倍抽取的多相滤波结构。

图7为本发明实施例的改进型的DA算法结构示意图。

图8为本发明实施例产生的信号频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的阐述。

在本实施例中，以雷达回波信号为例。如图4所示，具体步骤如下：

S1.带宽为300MHz，载频为450MHz的雷达回波信号经过一片超高速A/D芯片进行1.8Gsps采样，产生4路速率为450M的差分信号送入FPGA。

S2.依据步骤S1得到的4路信号经过串并转换模块，每一路按着1:4进行串并转换，形成16路依时序排序的速率为112.5M的信号。可以利用ISERDES(input Serial-to-Parallellogic resources)原语和DCM(Digital Clock Managers)模块完成单端信号的串并转换。

S3.依据步骤S2得到的16路数据x[n]通过多相滤波正交变换，得到16路同相分量和16路正交分量。

S4.依据步骤S3得到的同相分量和正交分量分别经过多相滤波实现4倍抽取和低通滤波，最后得到4路同相和4路正交的基带信号，且每路信号的速率为112.5M。

本发明的方法主要三部分组成：采集数据的并行处理、中频信号下变频处理和基带信号降速处理。其中，步骤S1和步骤S2完成了采集数据的并行处理；步骤S3完成中频信号下变频处理；步骤S4完成基带信号降速处理。具体过程如下：

本发明采用chirp信号模拟带宽为300MHz，载频为450MHz的雷达回波信号，其信号频谱图如图5a所示。根据带通信号采样定理，只要m取满足f_s≥2(f_H-f_L)的最大正整数(0，1，2，...)，则采样所得到的信号采样值x(mT_s)能准确地确定原信号x(t)，因此为了简化中频信号下变频处理，在本实施例中，选择m＝0，即f_s＝4f₀＝1.8GHz。

利用超高速A/D芯片进行1.8Gsps采样，可以生成4路速率为450M的8bit信号送入FPGA。利用ISERDES原语和DCM模块，进行串并转换过程，将4路450M的信号转换成16路112.5MHz的8bit信号，得到的16路信号依时序排列。

由于f_s＝1.8GHz，则

$x\left[n\right]=x_I\left[n\right]\cos \left(\frac{1}{2}\mathrm{\πn}\right)-x_Q\left[n\right]\sin \left(\frac{1}{2}\mathrm{\πn}\right)$

根据多相滤波正交化，得到：

$x_I\left[n\right]=x\left[n\right]g\cos \left(\frac{1}{2}\mathrm{\πn}\right);$

$x_Q\left[n\right]=x\left[n\right]g\sin \left(\frac{1}{2}\mathrm{\πn}\right);$

式中n＝0，1，2，...。并将此时得到的数据转换成二进制补码形式传入下一级。

在这里，本来要在多相滤波正交化过程中进行的2倍抽取放在了后续的多相滤波结构中，与多相滤波中的2倍抽取相结合，通过4倍抽取来实现。由图5b可得知多相滤波正交化后的信号频谱。

为实现4倍抽取，本发明采用的多相滤波结构，其功能示意图如图6所示。在多相滤波结构设计过程中，将多相滤波结构中的低通滤波和抽取利用改进型的分布式算法实现，常规DA算法具体可参考文献：《数字信号处理的FPGA实现》，Uwe Meyer-baese著，刘凌译；清华大学出版社，2006.6，75-79。

具体步骤如下：

S41.生成滤波器系数：

为实现4倍抽取滤波，本实施例采用FIR滤波器中的第I类结构，即h[n]＝h[-n]。利用Matlab软件的FDAtool工具，生成一个32阶的等纹波低通滤波器，其参数设置为：采样频率f_s＝1.8GHz，截止频率f_c＝150MHz，阻带起始频率f_a＝225MHz，其它设置都为默认值，生成滤波器后将其系数导出。

由于N＝32(即n＝0，1，2，...，31)，且为第I类FIR滤波器，则在利用DA算法时，只需要利用h[n]，n＝0，1，2，...，15这16个系数进行处理。

S42.完成DA算法查找表：

S421.对于I路：

经过多相滤波正交化后的同相分量为：

因此得到：

$y=\underset{n=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}h\left[n\right]\×x\left[n\right]$

$=h\left[0\right]\×x\left[0\right]+h\left[1\right]\×x\left[1\right]+...+h\left[14\right]\×x\left[14\right]+h\left[15\right]\×x\left[15\right]+$

$h\left[15\right]\×x\left[16\right]+h\left[14\right]\×x\left[17\right]+...+h\left[1\right]\×x\left[30\right]+h\left[0\right]\×x\left[31\right]$

$=h\left[0\right]\×x\left[0\right]+h\left[2\right]\×x\left[2\right]+...+h\left[14\right]\×x\left[14\right]+$

$h\left[15\right]\×x\left[16\right]+h\left[13\right]\×x\left[18\right]+...+h\left[1\right]\×x\left[30\right]$

$=\underset{n=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}h\left[20\right]\×x\left[2n\right]+\underset{n=8}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}h[31-2n]\×x\left[2n\right]$

为了节省资源占用量，采用图7所示结构，同时采用块ROM和分布式ROM，将原有规模为2¹⁶×8的单一分布式ROM，缩小为规模为2¹⁰×8的双口块ROM和规模为2⁶×8的单口分布式ROM。

在双口块ROM中，组成LUT的系数为：

h_B[n]＝{h[0]，h[2]，h[4]，h[6]，h[8]，h[10]，h[12]，h[14]，h[15]，h[13]}；

在单口分布式ROM中，组成LUT的系数为：

h_D[n]＝{h[11]，h[9]，h[7]，h[5]，h[3]，h[1]}。

对于此两组系数，分别将Matlab生成coe文件导入到ROM中，即生成所需查找表。

S422.对于Q路：

经过多相滤波正交化后的同相分量为：

因此得到：

$y=\underset{n=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}h\left[n\right]\×x\left[n\right]$

$=\underset{n=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}h[2n-1]\×x[2n-1]+\underset{n=9}{\overset{16}{\mathrm{\Σ}}}h[32-2n]\×x[2n-1]$

在双口块ROM中，组成LUT的系数为：

h_B[n]＝{h[1]，h[3]，h[5]，h[7]，h[9]，h[11]，h[13]，h[15]，h[14]，h[12]}；

在单口分布式ROM中，组成LUT的系数为：

h_D[n]＝{h[10]，h[8]，h[6]，h[4]，h[2]，h[0]}。

由于LUT中，略去了x_BI[n]＝0和x_BQ[n]＝0的处理，且x_BI[n]和x_BQ[n]的零点都是间隔出现，则此处便完成了一次2倍抽取的过程，同时又节省了资源。

S43.完成2倍抽取：

根据上述LUT的设计，本发明使用的滤波器等效于一个16阶滤波器，因此4倍抽取多相滤波结构中，每一个子结构只有16个输入。而在LUT设计时，已实现了2倍抽取，所以在多相滤波抽取过程中，只需完成2倍抽取即可。

为更容易理解，将x_I[n]和x_Q[n]中为0的序列去掉，得到新的序列x′_I[n]和x′_Q[n]。

x′_I[n]＝x_I[2n]，n＝0，1，2，...

x′_Q[n]＝x_Q[2n+1]，n＝0，1，2，...

在实现2倍抽取过程中，只需要选x′_I[n]和x′_Q[n]作为滤波器输入便可实现2倍抽取。

由于DA算法

$y=\underset{n=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}h\left[n\right]\×x\left[n\right]$

$=-2^8\×f\left(h\right[n],x_8[n\left]\right)+\underset{b=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{2}^b\×\underset{n=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}f\left(h\right[n],x_b[n\left]\right)$

因此将16个8bit的数据，按照图7结构，利用位移寄存器的方式，产生8个地址，进入到LUT中查表，得到相应结果。将得到结果通过流水线寄存器相加，得到最后滤波结果。图5c是由matlab仿真得到的信号频谱图。

本发明方法的实施例通过在FPGA中实现最终得到了图8所示的信号频谱图，通过与图5c相比较，此实例得到了很好的验证，达到了本发明实现对超高速率中频采样信号下变频的目的。通过在ISE平台中观察本实例资源占用量，其中：占用Slices的数量为2704个，占总数量的25％；占用RAM16s的数量为32个，占总数量的44％；占用4输入LUTs的数量为4558个，占总数量的21％。可以看出，本发明的方法资源占用量较低。

本发明的方法通过对超高速中频采样信号进行并行处理，形成多路并行数据，降低了每路数据在FPGA中运算速度，同时通过多相滤波正交化处理，简化了下变频结构，较常规的正交化处理，节省了很大的资源占用量，提高了运算速度。除此之外，利用多相滤波结构和改进后的DA算法，完成了对中频信号的多倍抽取，实现了下变频结构中降低基带信号传输速率的要求。

本领域技术人员应当理解，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，而本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的用于宽带雷达信号下变频的方法可以在不脱离本发明实质基础上，进行其它各种具体变形，这些变形仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种宽带中频信号数字下变频方法，具体包括如下步骤：

S1.对宽带中频信号进行采样，产生N₁路信号，且依时序排列，其中N₁为正整数；

S2.对N₁路信号进行串并转换，将每一路数据按照1路串行输入，N₂路并行输出，即1:N₂进行转换，形成N₁×N₂路依时序排列的数据x[n]，其中N₂为正整数；

S3.N₁×N₂路数据x[n]经过多相滤波正交变换，得到N₁×N₂路同相分量和N₁×N₂路正交分量；

S4.同相分量和正交分量分别经过多相滤波结构，实现2D倍抽取和低通滤波，得到N₁×N₂/2D路同相和N₁×N₂/2D路正交的基带信号，其中N₁×N₂/2D为正整数，所述的多相滤波结构的设计采用改进型分布式算法，即在常规分布式算法基础上，对查找表进行改进，所述查找表由块ROM和分布式ROM组成，具体的为：将滤波器系数N进行拆分，N=L+M，查找表由大小为2^L×B的块ROM和2^M×B的分布式ROM组成，其中，B为x[n]的最高位数，所述的实现2D倍抽取的具体过程为：将多相滤波正交变换过程中的2倍抽取放在多相滤波结构中与多相滤波中的D倍抽取相结合形成2D倍抽取。

2.根据权利要求1所述的宽带中频信号数字下变频方法，其特征在于，步骤S2所述的串并转换是利用串转并ISERDES原语和数字时钟管理DCM模块实现的。

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