CN109687883B - 一种信道综合工程实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信道综合工程实现方法及装置，首先对输入的多个窄带信道数据做联合IDFT，通过数据选择得到正负两路的结果；然后对输出各路数据做格式转换，以便后续滤波器能够复用乘法器且滤波后按自然序输出；最后，周期切换正负两路数据做多相滤波，输出宽带信号。其装置包括逆离散傅里叶变换(IDFT)模块，格式转换模块，周期多相滤波模块。本发明用直接IDFT实现奇数信道乘－1数据的IDFT，采用周期切换数据源做多相滤波，极大地减少了乘法器资源的使用，工程可实现性强。本发明解决了采用直接IDFT做信道综合造成信号相位突变的问题，综合后的宽带信号波形误差在工程可接受范围内，满足后续宽带信号处理要求。

Description

一种信道综合工程实现方法及装置

技术领域

本发明涉及宽带信号合成领域，尤其涉及的是一种宽带信号信道化后，需要进行宽带信号合成的信道综合工程实现方法。

背景技术

随着电子信息技术和无线电技术的高速发展，许多系统对频谱带宽的需求不断增大。而宽带信号的处理存在诸多困难，信道化的方式便成为宽带信号处理设计的选择之一。当对宽带信号进行信道化后，不少系统需要将窄带信号恢复为宽带信号，以便作进一步信号处理。将多个窄带信号合成为宽带信号的过程，即为信道综合。

信道综合在电子侦察接收机和通信接收机中有着广泛应用前景，可用于非均匀动态信道化、宽带样本恢复、宽带干扰对消和宽带波束形成等。然而，信道综合不仅重构滤波器设计难度大，而且工程实现复杂、资源消耗量大，其推广应用受到一定影响。90年代以来，近似完全可重构滤波器的设计受到了国内外科研人员的广泛关注并取得了一定的研究成果，已经理论仿真验证了该类滤波器的正确性。在工程实现方面，一般将其应用于实时系统中，常用的硬件平台为FPGA。然而宽带系统的数据率高，FPGA内的各类硬件资源有限，常常需要并行处理，这对信道综合的工程实现提出了挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：目前信道综合工程实现时架构复杂、FPGA硬件资源消耗量大，提供了一种信道综合工程实现方法及装置。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括：

首先对输入的多个窄带信道数据按信道数做联合滑窗IDFT，将IDFT输出的每帧结果分为前后两部分，得到正、负两个分支数据。

然后通过格式转换，将输出多路串行数据变为并行数据，并通过延时和对调将正负两个分支分开，送至后续滤波器。

最后根据数据率和信道数，周期切换正、负两个分支数据经多相滤波后输出宽带信号。

输入的多个窄带信道数据

需乘以系数

其中M为抽取率，K为信道数，K＝2M，r以M个时刻为周期进行变化；则

k为偶数时所述系数

为1，k为奇数时所述系数

为(-1)^r。

K点的联合滑窗IDFT为

其中j的取值范围为j＝0,1,...,M-1；奇数信道乘以系数-1后IDFT输出为原IDFT输出负值，得到正、负两个分支数据。

所述IDFT输出后一半数据无效，节约一半乘法器。

格式转换根据输入数据率与处理时钟确定输出并行路数，采用多个存储器分别存储同时读出的方式得到并行输出数据。

正、负两个分支数据切换周期为v＝M/G/2/CLK，即v＝M/u。

多相滤波采用近似完全重构滤波器，信号经滤波后输出值为

所述装置包括IDFT模块、格式转换模块、周期多相滤波模块。

所述IDFT模块，用于对输入窄带各信道数据乘以系数，对各信道数据做联合IDFT。

所述格式转换模块，用于对IDFT输出的数据做格式转换，以便后续乘法器复用。

所述周期多相滤波模块，用于对正分支和负分支数据周期性地做多相滤波。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明用直接IDFT实现奇数信道乘－1数据的IDFT，采用周期切换数据源做多相滤波，极大地减少了乘法器资源的使用，工程可实现性强。并且解决了采用直接IDFT做信道综合造成信号相位突变的问题，综合后的宽带信号波形误差在工程可接受范围内，满足后续宽带信号处理要求，可用于宽带信号处理系统中。

附图说明

图1是信道综合的原理图。

图2是本发明实施例的流程图。

图3是IDFT模块的工程实现框图。

图4是周期多相滤波工程实现框图。

图5是信道综合前后信号波形对比图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例从复带通滤波器的角度出发，数据信道综合的原理框图如图1所示。根据该原理，可推导出信道综合的多相结构为：

其中j＝0,1,...,M-1，K＝2M，M为抽取率，K为信道数。分析上式可以发现

(1)

是

的K点IDFT；

(2)由于K＝2M，

(3)

为IDFT输出与原型滤波器的多相滤波结果。

基于以上分析，本实施例的一种信道综合工程实现装置包括IDFT模块、格式转换模块和周期多相滤波模块，具体实施流程图如图2所示。

IDFT模块对输入数据

在乘以系数

的基础上，对各信道数据做联合IDFT。由于

是r和k的函数，k为偶数时为1，k为奇数时为(-1)^r。即IDFT的输入数据需要随着时刻r变化，根据多相分解理论，r以M个时刻为周期进行变化。若数据直接IDFT为x(n)，k为奇数时乘以－1的IDFTx′(n)可以表示为：

即

可见，奇数信道乘－1后的IDFT，等价于原IDFT的结果做正负翻转。

IDFT模块中，IDFT后的变量j的取值范围为j＝0,1,...,M-1，而参与IDFT的数据为k＝0,1,...,K-1。由于K＝2M，那么IDFT后，仅前一半为有效数据，后K/2个数据无效。假设直接做IDFT的结果为x，其矢量表示为x＝[A B]，A表示前一半数据，B表示后一半数据。奇数信道乘－1后的IDFT结果为x′，根据上述分析，有x′＝[B A]。则x取A为有效数据，x′取B为有效数据，可由原数据直接做IDFT得到。工程实现时直接调用IP核做IDFT，实现框图如图3所示，图中D表示输入并行路数。假设K点IDFT需要占用FPGA的N_IDFT个乘法器，而该IDFT模块需要占用DN_IDFT个乘法器。该方法可省去奇数信道乘－1分支的IDFT处理，节约一半乘法器资源。在数据率高时，对硬件资源的节约相当可观。

格式转换模块对IDFT输出做格式转换，以便后续乘法器复用。IDFT后，单帧数据内为串行结构，而帧间数据呈并行结构。同时，单祯数据前一半对应原始数据的输出，后一半对应奇数信道乘－1数据的输出，需要拆分开来进行处理。工程实现时，该模块主要占用存储器和逻辑资源，根据输入数据率G与处理时钟CLK确定输出并行路数u＝G/CLK/2，采用多个存储器通过写使能控制分别存储需要的每一路数据，同时读出各个存储器，得到并行输出数据。最后通过延时和对调将正负两个分支分开，经延时对齐后输出最终结果。假设IDFT模块输出格式如下矩阵所示：

其中

a和b分别表示正负两个分支的数据流。经格式转换后，正负两个分支分开。正分支的格式为A＝[A₀ A₁ A₂ ...]，负分支的格式为B＝[B₀ B₁ B₂ ...]。其中，

周期多相滤波模块采用综合滤波器，对正分支和负分支数据周期性地做多相滤波，其工程实现框图如图4所示。根据数据率和处理时钟确定切换周期：假设输入数据率为G/MHz，处理时钟为CLK/MHz，则切换周期可表示为v＝M/G/2/CLK，即v＝M/u。综合滤波器设计为近似完全重构滤波器，合理的滤波器设计，可以将混叠和镜像抵消，得到需要的重构信号。多相滤波时，假设滤波器阶数为N，将其分为M组，则每组长度为L＝N/M。每个分支并行u路，每路需要L个乘法计算，则u路数据并行计算，一个时刻完成Lu个乘法，v＝M/u次计算完成一次滤波，然后切换到另一个分支进行同样计算，v个周期后再循环。整个计算需要2Lu个实乘法器，一次滤波乘法器复用v次。

经过IDFT模块、格式转换模块和周期多相滤波模块，可以得到信道综合的输出结果，整个信道综合共需要(DN_IDFT+2Lu)个实乘法器。为了验证该方法，仅考虑信道化和信道综合，中间不做处理，此时信道综合输出应该是信道化输入信号的近似重构。以vivado为编译环境，以xilinx v7芯片为硬件平台，通过对功能模块的仿真，将相关数据导入matlab中分析信道综合后宽带信号的时域、频域、相位和脉压情况，如图5所示。从图5可以看出，信道综合后的信号未出现畸变，其时域、频域、相位与信道化前的宽带信号保持一致，其脉压仅有一个峰值，与输入信号自身脉压波形几乎重合。该仿真结果表明，窄带信号经信道化和信道综合，可以几乎无失真地恢复为宽带信号。基于以上分析，上述一种信道综合工程实现方法实现架构简单，资源需求量小，输出结果无突变，可用于宽带信号处理系统中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种信道综合工程实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先对输入的多个窄带信道数据按信道数做联合滑窗IDFT，将IDFT输出的每帧结果分为前后两部分，得到正、负两个分支数据；其中，单帧数据内为串行结构，帧间数据呈并行结构，单帧数据中前一半对应原始数据的输出，后一半对应奇数信道乘－1数据的输出；

(2)然后通过格式转换，将输出多路串行数据变为并行数据，并通过延时和对调将正负两个分支分开，送至后续滤波器；其中，格式转换根据输入数据率与处理时钟确定输出并行路数，采用多个存储器分别存储同时读出的方式得到并行输出数据；

(3)最后根据数据率和信道数，周期切换正、负两个分支数据经多相滤波后输出宽带信号。

2.根据权利要求1所述的一种信道综合工程实现方法，其特征在于，

所述步骤(1)中，输入的多个窄带信道数据

需乘以系数

其中M为抽取率，K为信道数，K＝2M，r以M个时刻为周期进行变化；则

k为偶数时所述系数

为1，k为奇数时所述系数

为(-1)^r。

3.根据权利要求2所述的一种信道综合工程实现方法，其特征在于，

所述步骤(1)中，K点的联合滑窗IDFT为

其中j的取值范围为j＝0,1,...,M-1；奇数信道乘以系数-1后IDFT输出为原IDFT输出负值，得到正、负两个分支数据。

4.根据权利要求1所述的一种信道综合工程实现方法，其特征在于，

所述步骤(1)中，所述IDFT输出后一半数据无效，节约一半乘法器。

5.根据权利要求1所述的一种信道综合工程实现方法，其特征在于，

所述步骤(3)中，正、负两个分支数据切换周期为v＝M/G/2/CLK，即v＝M/u。

6.根据权利要求3所述的一种信道综合工程实现方法，其特征在于，

所述步骤(3)中，多相滤波采用近似完全重构滤波器，信号经滤波后输出值为

7.一种使用如权利要求1～6任一项所述的信道综合工程实现方法的实现信号工程的装置，其特征在于：包括IDFT模块、格式转换模块、周期多相滤波模块；

所述IDFT模块，用于对输入窄带各信道数据乘以系数，对各信道数据做联合IDFT；

所述格式转换模块，用于对IDFT输出的数据做格式转换，以便后续乘法器复用；

所述周期多相滤波模块，用于对正分支和负分支数据周期性地做多相滤波。

Images