CN105141338A - 一种超短波信号数字化处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短波信号数字化处理电路，包括：一接受超短波电磁信号的天线阵，并将该超短波电磁信号传输至接收机；一对所述天线阵的接收信号进行滤波、混频、放大处理并输出中频信号的接收机，所述中频信号为各信道滤波后的采样复数输出；一数据处理模块，所述数据处理模块对中频信号进行解扩以及侧向定位。通过FIR滤波器得到很高的带阻衰减和很陡的过度带宽，从而使系统的瞬态指标提高到100dB；采用数字匹配滤波技器技术，提高了捕获速度，可控制在一个码片周期之内或更小。

Description

一种超短波信号数字化处理电路

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种超短波信号数字化处理电路。

背景技术

天线上感应的信号进入接收机，经过接收机放大到固定的中频信号输出，关键是如何在固定的带宽中找到调频信号，现有的数字信道化技术，利用快速傅里叶变换(FFT)，FFT运算未加权舒适动态范围将限制在12dB，即使采用加权FFT，现有的几种窗函数中，最好的也只能达到69dB，瞬时动态指标低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超短波信号数字化处理电路，采用了多相数字滤波技术，通过专业的CAD设计软件设计性能优良的FIR滤波器,得到很高的带阻衰减和很陡的过度带宽，从而使系统的瞬态指标提高到100dB；采用数字匹配滤波技器技术，提高了捕获速度，可控制在一个码片周期之内或更小。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种超短波信号数字化处理电路，包括：

一接受超短波电磁信号的天线阵，并将该超短波电磁信号传输至接收机；

一对所述天线阵的接收信号进行滤波、混频、放大处理并输出中频信号的接收机，所述中频信号为各信道滤波后的采样复数输出；

一数据处理模块，所述数据处理模块对中频信号进行解扩以及侧向定位。

在本发明的一个优选实施例中，所述中频信号输出y⁽ⁿ⁾(2NK)如下：

其中n＝0,1,┅┅,N-1；

h_m为具有M个实数系数(m＝0,1……M-1)；

M为FIR滤波器的阶；

N为FIR滤波器串的信道数。

在本发明的一个优选实施例中，所述数据处理模块包括匹配滤波器和数字延迟模块；

所述匹配滤波器完成扩频码的捕获，所述数字延迟模块对捕获完成的扩频码进行跟踪定位。

在本发明的一个优选实施例中，所述滤波采用FIR滤波器。

在本发明的一个优选实施例中，所述中频信号的中心频率为5MHz、宽带为8MHz。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

通过FIR滤波器得到很高的带阻衰减和很陡的过度带宽，从而使系统的瞬态指标提高到100dB；

采用数字匹配滤波技器技术，提高了捕获速度，可控制在一个码片周期之内或更小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的数字滤波器组成频域分布示意图。

图2为本发明数字滤波器的示意图。

图3为本发明的扩频信号的产生示意图。。

图4为本发明的扩频码捕获原理框图。

图5为本发明的I路DMF相关器的详细结构。。

图6为本发明的数字延迟锁定环图。

图7为本发明的工作原理框图。

图8为本发明的数字信号算法框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

设A/D的两个抽样值之间的时间差为△t，量化后的数据序列用u(k△t)＝u(k)表示，对它用一个带通特性相同的等效滤波器组成的数字滤波器组继续进行处理，数字滤波器组频域分布如图1所示。

第n个信道带通滤波器(n＝0,1,……N-1)的传输函数H_n是通过用一个置于第n个信道的中心频率f_n的狄拉克脉冲进行折迭，由低通滤波器H₀的传输函数得到，结果H₀频谱移动到频率f_n上。

如果基本低通滤波器H₀由一个具有M个实数系数h_m(m＝0,1……M-1)的FIR滤波器来实现，基于傅里叶变换的调制原理，通过h_n与频率f_n的一个复数旋转矢量相乘可得出信道带通滤波器H_n的系数。

如果FIR滤波器的阶M和滤波器串的信道数N选得使为整数，则第n个信道带通滤波器的输出信号y⁽ⁿ⁾(2NK)如下：

其中n＝0,1,┅┅,N-1。

在实现过程中为便于计算，数字滤波器组分为两个部分：窗处理器和FFT处理器。

在时间T内，由一组2N个实数输入值计算滤波器组信道的N个复数输出值。其中，窗处理器将宽带输入信号与基本低通滤波器的系数联系在一起

接受的超短波信号经过接收机放大变频到5MHz中频输出，经过A/D转换采样后，经过上面的计算方法的到输出信号y⁽ⁿ⁾(2NK)。

数字滤波器组的处理如图2所示。输出Y(n)为各信道滤波后的采样复数输出，它等效于信道化接收后的采样输出，其输出复数速率与各信道带宽一致。这幅图就是对上面这个方法的图例说明。

扩频信号具有低信噪比、抗干扰的典型特征。系统的接收机通过解扩的方式提高信噪比，同时扩展了干扰信号的频谱，从而降低误码率。要精确地估计信号的达到方向，提高信噪比是非常有效的。因此，在测向系统中需要对信号进行解扩，然后再进行测向。下面从扩频信号的产生、扩频序列的同步与跟踪以及平均捕获时间等方面介绍本系统中所采用的解扩方案。

电台发射的DS(直扩)信号采用6阶移位寄存器实现。帧同步的扩频码与帧数据的扩频码具有不同的本原多项式。每个码元由一个周期长度的扩频序列实现频谱的扩展。信号码元的速率为32k/s，所以码片速率为32*127＝4064k/s。调制后的扩频信号通过BPSK方式发射到空中。射频信号的生成过程如图3所示。

DS系统中，解调接收信号的接收机必须首先建立本地生成序列(参考序列)与接收信号序列的同步。同步过程分为捕捉(acquisition)和跟踪(tracking)两级，捕捉实现本地序列与接收序列的粗同步，将相位差控制在一个码片(chip)周期之内或更小，视跟踪部分的牵引范围而定。一旦同步建立，启动码跟踪环路对两个序列的相位差进行微调，并一直保持下去。因为同步建立之前不可能进行通信，实现快速、高效的捕捉方案就显得十分重要。

实现捕捉的常见方法主要有滑动相关和匹配滤波器两种。滑动相关的平均捕获时间较匹配滤波器的长。根据系统响应时间的指标，这里选择匹配滤波器完成扩频码的捕获。在初始捕获期间，由于没有相位参考，采用非相干接收方式。如图4所示扩频码捕获原理框图。

其中，DMF相关器称为数字匹配滤波器。I/Q支路都采用相同的本原多项式。各支路相关后的能量和超过系统预定的门限，则判断捕获成功，然后进入跟踪环。图5给出的I路DMF相关器的详细结构。

实际环境中捕捉概率不可能为1，虚警概率不可能为0，捕捉概率(或检测概率)尽可能大，虚警概率尽可能小是对初始捕捉的一般要求，为保证可靠性，当匹配滤波器的输出超过门限时，并不立即做出判决，而是令本地参考序列与接收信号同步滑动，间隔一定时间做多次(A次)积分，称为多停顿检测，目的是降低虚警可能性，初期策略是立即终止法：A次停顿期间任意一次未超过门限就终止检测，重新回到搜索状态。假定各次停顿时间(或积分时间)都相同，均为T_D(积分时间)，则捕捉概率P_d＝(P_d1)^A+1。两个阶段的划分所起到的作用是有效降低了捕捉匹配滤波器的电路复杂度，以较小TW(时间带宽积)值的匹配滤波器实现可靠快速(相对于滑动相关)的捕捉。

扩频码的捕获完成后，就直接进入跟踪。跟踪采用DLL方式，利用超前码和滞后码控制同步精度在Tc/16范围内。为了便于数字上的实现，将DLL中的环路滤波器和压控振荡器改为满足同步精度的步进器。如图6所示数字延迟锁定环图。

步进的大小由码片速率和同步精度决定。匹配滤波器的平均捕获时间为，其中M相关码片数，N为码片周期数，Ns为码片内的样点数，Ts为采样周期。系统中M取码片周期数N，停顿检测次数A＝3。系统的采样频率为16.256MHz，即每个码片内的样点数为4，捕获的平均时间约为0.15ms，步进的大小为Tc/(32*Ts)＝1/8个采样点。

参照图7，一种超短波信号数字化处理电路，天线阵接收空间的超短波电磁信号将信号输入接收机，接收机分别对天线阵的接收信号进行滤波、混频、放大处理后输出中心频率为5MHz、宽带为8MHz的中频信号，经数据采样后送数据处理模块，最后至输出终端。

参照图8，天线上感应的超短波信号夹杂在干扰和噪声中进入测向接收机，经过接收机放大变频到5MHz中频输出，关键是如何在8MHz带宽中找到跳频信号。

有两种数字信道化技术，一种是利用快速傅立叶变换(FFT)，另一种是利用多相数字滤波技术。FFT运算如果采用未加权FFT，瞬时动态范围将限制到大约13dB，这远远不能满足指标要求，如果采用加权FFT，现有的几种窗函数中，最好的也只能达到69dB。多相数字滤波技术通过在工作站上利用专业CAD软件设计的性能优良的FIR滤波器得到很高的阻带衰减和很陡的过度带宽，从而有利于系统整体得到较高的瞬时动态指标。考虑到在超短波频段内，电磁环境恶劣、各种信号拥挤，如何在强干扰和噪声中截获微弱跳频信号至关重要，因此采用多相数字滤波技术来改善瞬时动态范围。

通过专业的CAD设计软件设计性能优良的FIR滤波器得到很高的带阻衰减和很陡的过度带宽，从而使系统的瞬态指标提高到100dB；

采用数字匹配滤波技器技术，提高了捕获速度，可控制在一个码片周期之内或更小。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种超短波信号数字化处理电路，其特征在于，包括：

一接受超短波电磁信号的天线阵，并将该超短波电磁信号传输至接收机；

一对所述天线阵的接收信号进行滤波、混频、放大处理并输出中频信号的接收机，所述中频信号为各信道滤波后的采样复数输出；

一数据处理模块，所述数据处理模块对中频信号进行解扩以及侧向定位。

2.根据权利要求1所述的一种超短波信号数字化处理电路，其特征在于，所述中频信号输出y⁽ⁿ⁾(2NK)如下：

$\begin{array}{c}{y}^{\left(n\right)}\left(2\mathrm{NK}\right)=\underset{m=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}\·\underset{p=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{m+2\mathrm{Np}}u(2N(k-p)-m)e^{2\mathrm{\Πjmn}/\left(2N\right)}\\ =\underset{m=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}\hat{u}\left(2\mathrm{NK}\right)e^{2\mathrm{\Πjmn}/\left(2N\right)}\end{array}$

其中n＝0,1,┅┅,N-1；

h_m为具有M个实数系数(m＝0,1……M-1)；

M为FIR滤波器的阶；

N为FIR滤波器串的信道数。

3.根据权利要求1所述的一种超短波信号数字化处理电路，其特征在于，所述数据处理模块包括匹配滤波器和数字延迟模块；

所述匹配滤波器完成扩频码的捕获，所述数字延迟模块对捕获完成的扩频码进行跟踪定位。

4.根据权利要求1所述的一种超短波信号数字化处理电路，其特征在于，所述滤波采用FIR滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种超短波信号数字化处理电路，其特征在于，所述中频信号的中心频率为5MHz、宽带为8MHz。