CN112910475B - 应对复杂信号监测的数字接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应对复杂信号监测的数字接收机，该数字接收机包括接收机模块、ADC模块、采样信号变换模块、采样二选一开关模块、数字下变频模块，接收机模块与ADC模块连接，ADC模块输出分为两路输出给采样信号变换模块和采样二选一开关模块，采样二选一开关模块通过接收频率配置，9kHz‑30MHz选通采样信号变换模块输出，30MHz‑8GHz选通ADC直接输出，然后与数字下变频模块连接等；本发明有效利用了中频带宽，能同时监测中频内的多个信号，避免了丢失不必要的信息，可灵活的配置参数进行监测，保证了监测接收机的灵活性，提高了接收机的集成度，降低了设备成本与功耗等。

Description

应对复杂信号监测的数字接收机

技术领域

本发明涉及数字接收机领域，更为具体的，涉及应对复杂信号监测的数字接收机。

背景技术

传统数字接收机的框架大致是信号经过接收机模块变频到中频信号，数字采集板通过ADC采集中频信号，通过带通采样后与数字NCO进行混频，得到复基带信号，通过多级抽取滤波器得到各种带宽的基带信号，再对基带信号做FFT运算可得到信号频谱，通过解调算法可进行FM，AM等解调。

目前，单个接收机只能同时监测解调一个信号，不能同时满足对复杂信号的监测，如用多个接收机进行监测，则又极大的增加了成本。例如，如图1所示的方案为一种现有数字接收机方案，该方案只可同时输出一路信号，对于前级输入的大带宽中频，实际上只使用了中频中的小部分带宽，其余部分都被丢掉，浪费了大部分的信号带宽，对于同时监测多个信号应用时，只能使用多个接收机来进行监测，极大的增加了成本。

并且，传统的直接采样数字接收机的框架大致是模拟信号经过前级射频增益调节，低通滤波等处理后，通过ADC采样，与数字正交振荡器混频产生正交的基带信号。该方案得到结果从频谱上会看出有明显的邻道镜像频率，镜像信号与真实信号距离较近，而为了得到足够大的带宽，就必须采用很高阶的数字滤波器进行滤波，而高阶滤波器会占用大量的FPGA资源，从功耗及成本方面考虑都不合适。

现有技术中，与本发明较为相近的，即公开号为CN106301422A的中国专利申请公开了一种接收机可变中频多通道数字下变频方法，该方案通过将短波射频信号直接送交模拟数字转换器进行采样，在多通路数字下变频单元中，通过数字下变频器把模拟数字转换器采样后的数字信号变频到基带或者数字中频，然后交由FPGA完成进一步的处理，由于其为直接采样，中频可变，模拟域只需通过可调滤波器完成对可变中频信号的跟踪选择。该发明提供的接收机可变中频多通道数字下变频方法，电路结构简单，通过在数字域完成信号变频，实现了多通道的数字下变频处理，减少了信号的非线性损伤。但是，仍然没有解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供应对复杂信号监测的数字接收机，有效的利用了中频带宽，能同时监测中频内的多个信号，避免了丢失不必要的信息，可灵活的配置参数进行监测，保证了监测接收机的灵活性，提高了接收机的集成度，降低了设备成本与功耗；节省计算资源，以及减少传输数据量，减轻网络的传输压力，能够同时监测多个均匀信道内的信号，并可通过快速电平触发来选择性的进行信号监测和解调；在9kHz-30MHz频段采用ADC直接采样，避免了该频段试用超外差方案时镜像频率不易滤除的问题，消除了多余的镜像频率成分，保证了接收信号的灵敏度等。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种应对复杂信号监测的数字接收机，包括：

接收机模块、ADC模块、采样信号变换模块、采样二选一开关模块、数字下变频模块；接收机模块与ADC模块连接，ADC模块与采样二选一开关模块和采样信号变换模块连接，采样二选一开关模块与数字下变频模块连接；经过ADC模块后的信号，直接输出到采样二选一开关模块或通过采样信号变换模块输出到采样二选一开关模块；当直接输出到采样二选一开关模块时，在数字下变频模块中产生正交的复基带信号；当通过采样信号变换模块时，在采样信号变换模块中产生正交的复基带信号，然后输出到采样二选一开关模块。

进一步地，所述接收机模块包括射频二选一开关、增益调整模块、低通滤波模块、超外差接收机和中频二选一开关；射频二选一开关与超外差接收机连接，超外差接收机与中频二选一开关连接；射频二选一开关与增益调整模块连接，增益调整模块与低通滤波模块连接，低通滤波模块与中频二选一开关连接；接收机模块通过射频二选一开关将接收信号输入到增益调整模块所在的支路，或将接收信号输入到超外差接收机所在的支路后，由低通滤波模块与超外差接收机输出，然后分别接入中频二选一开关；中频二选一开关与所述ADC模块连接。

进一步地，数字下变频模块包括多路均匀DDC处理支路和独立DDC处理支路组成的数字下变频架构，并且多路均匀DDC处理支路与独立DDC处理支路并行设置；

所述多路均匀DDC处理支路和独立DDC处理支路均包括有DDC单元、电平计算模块、频谱计算模块和解调模块，所述多路均匀DDC处理支路还包括多相滤波器模块、信道FFT模块；

在多路均匀DDC处理支路中，所述正交的复基带信号再通过多相滤波器模块进行滤波，由多相滤波器模块实现多种带宽的抽头输出到信道FFT模块，通过信道FFT模块将多个信道分离开来，信道FFT模块的每个数据输出时其伴随有通道索引号输出到该支路中的电平计算模块，通过该支路中的电平计算模块计算信号电平大小，通过设置的电平门限值进行比较，如果电平大于门限值，则将数据输出到该支路中的频谱计算模块和该支路中的解调模块，否则不输出，继续守候计算电平大小；该支路中的频谱计算模块将子信道IQ流进行FFT计算和加窗处理，得到对应的信号频谱图；该支路中的解调模块将子信道IQ流进行音频解调处理；

在独立DDC处理支路中，所述正交的复基带信号依次再通过该支路中的电平计算模块、频谱计算模块、解调模块实现信号数据的电平计算、频谱计算和解调。

进一步地，所述多路均匀DDC处理支路还包括SPAN带宽频谱模块，用于实现前级DDC抽头输出的基于SPAN带宽的IQ数据进行FFT变换和加窗处理，得到SPAN带宽下的频谱。

进一步地，所述多相滤波器模块包括n个子滤波器，实现对DDC预处理的IQ流信号抽取划分为n个子IQ流，将滤波器系数抽取划分为n个子系数流，n为正整数。

进一步地，所述信道FFT模块为可变点数的信道FFT模块，通过初始化配置为对应的点数，前级多相滤波器模块输出IQ流按顺序输入信道FFT模块，通过信道FFT模块将n个信道分离开来，根据不同的通道索引号将数据输出分为n个子信道的IQ流，n为正整数。

本发明的有益效果是：

（1）本发明中的均匀DDC相比于传统DDC方案，有效的利用了中频带宽，能同时监测中频内的多个信号，避免了丢失不必要的信息，同时存在的独立DDC可灵活的配置参数进行监测，保证了监测接收机的灵活性；在本发明方案的实施例中，通过ZYNQ的灵活编程性实现，提高了接收机的集成度，降低了设备成本与功耗。

（2）本发明方案可节省计算资源，以及减少传输数据量，减轻网络的传输压力，可同时监测多个均匀信道内的信号，并可通过快速电平触发来选择性的进行信号监测和解调；在本发明方案的实施例中，基于ZYNQ实现了一种可切换通道数的均匀DDC数字下变频，可同时监测多个均匀信道内的信号，并可通过快速电平触发来选择性的进行信号监测和解调，同时在ZYNQ内实现了本发明方案的独立DDC，该独立DDC可任意在ADC采集的最大数字中频带宽内设置中心频率及带宽，通过电平触发来选择性的进行信号监测和解调，能有效的节省ZYNQ资源，以及减少传输数据量，减轻网络的传输压力。

（3）本发明消除了多余的镜像频率成分，保证了接收信号的灵敏度；在本发明方案的具体实施例中，通过ZYNQ实现希尔伯特变换器也提高了系统集成度，降低了成本。

（4）在本发明的具体实施例中，在9kHz-30MHz频段采用ADC直接采样，避免了该频段试用超外差方案时镜像频率不易滤除的问题，消除了多余的镜像频率成分，保证了接收信号的灵敏度等。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的数字接收机功能框图；

图2为均匀DDC及独立DDC数字接收机功能框图；

图3为均匀DDC信道划分流程图；

图4为IQ流后级运算处理流程图；

图5为选通直接采样支路数字下变频信号搬移流图；

本发明中，简称的技术术语符号解释如下：LNA：低噪声放大器；LPF：低通滤波器；NCO：数字控制振荡器；ADC：模数转换器；HILBERT：希尔伯特变换器；DDC：数字下变频；NCO：数字控制振荡器；HB：数字半带滤波器；FIR：数字有限长单位冲激响应滤波器；FFT：快速傅里叶变换；FM：调频调制；AM：调幅调制；CW：连续波；FPGA：可编程门阵列；ZYNQ：全可编程片上系统嵌入式处理器。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

实施例1

如图1~5所示，一种应对复杂信号监测的数字接收机，包括：

接收机模块、ADC模块、采样信号变换模块、采样二选一开关模块、数字下变频模块；接收机模块与ADC模块连接，ADC模块与采样二选一开关模块和采样信号变换模块连接，采样二选一开关模块与数字下变频模块连接；经过ADC模块后的信号，直接输出到采样二选一开关模块或通过采样信号变换模块输出到采样二选一开关模块；当直接输出到采样二选一开关模块时，在数字下变频模块中产生正交的复基带信号；当通过采样信号变换模块时，在采样信号变换模块中产生正交的复基带信号，然后输出到采样二选一开关模块。

实施例2

在实施例1的基础上，多相滤波器模块包括n个子滤波器，实现对DDC预处理的IQ流信号抽取划分为n个子IQ流，将滤波器系数抽取划分为n个子系数流。信道FFT模块为可变点数的信道FFT模块，通过初始化配置为对应的点数，前级多相滤波器模块输出IQ流按顺序输入信道FFT模块，通过信道FFT模块将n个信道分离开来，根据不同的通道索引号将数据输出分为n个子信道的IQ流。此外，还设置有SPAN带宽频谱模块，用于实现前级DDC抽头输出的基于SPAN带宽的IQ数据进行FFT变换和加窗处理，得到SPAN带宽下的频谱。

实施例3

在实施例1的基础上，接收机主要由接收机模块，ADC及ZYNQ构成。均匀DDC、独立DDC、电平计算、频谱、解调等模块均可都在ZYNQ内部实现。接收机模块主要对射频信号进行多次变频为中频信号，ADC主要实现对接收机模块输出的中频进行带通采样。利用DDC单元实现将带通采样后的信号与数字NCO混频，将中心频率搬移到零频，产生正交的复基带信号，再通过多级抽取滤波器进行滤波，多级滤波器可实现多种带宽的抽头输出。

如图3所示，多相滤波器由n个子滤波器构成，实现对DDC预处理的IQ流信号抽取划分为n个（8/16/32）子IQ流，通过matlab仿真滤波器，将滤波器系数也抽取划分为n个子系数流，ZYNQ内部设计n个FIR子滤波器，n个子滤波器系数取对应抽取过后的子滤波器系数，n个子滤波器输出的子IQ流最后按顺序8个一组的缓存在4个FIFO中，4个FIFO再轮流按顺序将4路数据并转串为一路IQ流输出。

信道FFT模块设计为可变点数的信道FFT模块，通过初始化配置为对应的点数，前级多相滤波器输出IQ流按顺序输入FFT模块，通过FFT模块将n个信道分离开来，信道FFT模块每个数据输出伴随有通道索引号输出，根据不同的通道索引号将数据输出分为n个子信道的IQ流。

如图4所示，电平计算模块，将前级子信道IQ流通过电平计算模块计算信号电平大小，并通过设置的电平门限值进行比较，如果电平大于门限值，则将IQ数据输出，否则不输出，继续守候计算电平大小。

频谱计算模块实现将子信道IQ流进行FFT计算及加窗处理，得到对应的信号频谱图。

音频解调模块实现将子信道IQ流进一步音频解调处理，如FM、AM、CW等。

SPAN带宽频谱实现前级DDC抽头输出的基于SPAN带宽的IQ数据进行FFT及加窗处理，得到SPAN带宽下的频谱。

在该实施例中，基于ZYNQ实现了一种可切换通道数的均匀DDC数字下变频，可同时监测多个均匀信道内的信号，并可通过快速电平触发来选择性的进行信号监测和解调。

还同时在ZYNQ内实现了8路的独立DDC，该8路DDC可任意在ADC采集的最大数字中频带宽内设置中心频率及带宽。

通过电平触发来选择性的进行信号监测和解调，能有效的节省ZYNQ资源，以及减少传输数据量，减轻网络的传输压力。

在该实施例中，在传统接收机模块加单路数字下变频的结构基础上，只通过ZYNQ内部软件架构的设计改变，就能实现多路均匀DDC加独立DDC的架构，传统的数字下变频软件架构为一路独立DDC，只能分析处理一种带宽下的信号，而多路均匀DDC加独立DDC的架构，可同时处理最多32路加8路带宽下的信号。

此架构可实现均匀DDC与独立DDC同时工作，因为采用FPGA实现，均匀DDC与独立DDC采用并行设计的思想，两个处理支路完全并行，均匀DDC可实现8/16/32路的切换，前级抽取电路参数化设计，通过配置更改抽取的倍数关系可为8/16/32，多相滤波器也设计为最大32个分相位滤波器，滤波器设计也先得到1/8，1/16，1/32的三组原始滤波器系数，通过抽取得到对应三组分相滤波器系数，将三组分相滤波器系数均保存在程序中，根据使用需要进行初始化配置为对应的8/16/32路对应的滤波器结构，信道FFT模块也最大设计为32点FFT，通过配置可切换为8/16/32点运行，独立DDC可在最大数字中频范围内任意设置中心频率及带宽，独立DDC前级是直接接在ADC输出后的，是完全独立于其它DDC模块的。

实施例4

在实施例3的基础上，如图5所示，当接收机频率范围选择9kHz-30MHz时，信号经过ADC采样后会出现与零频对称的邻道镜像频率成分，此镜像频率会降低系统的灵敏度，而镜像频率需要高阶滤波器才能滤除，而高阶滤波器在FPGA中的实现是不可能的。

如图5所示，接收机模块输出频率为x的信号，ADC模块对接收机模块输出信号采样，然后可通过采样变换将采样的实信号变为正交的复基带信号，复基带信号分为实部I路径和虚部Q路径两个支路输出，I路径与Q路径信号具有90°的相位差，在I路径与Q路径上均产生了镜像信号y。I路径和Q路径再与NCO产生的实部和虚部分别相乘混频进行频率搬移，得到搬移后的复基带信号，信号因为搬移再次产生相移，I路径与Q路径上的x信号保持相位一致，y信号相位相差180°，所以最后的复基带信号的镜像信号y因为相位差为180°，所以y信号被抵消，x信号得以保留。

在ADC采样之后的信号，通过采样变换将采样的实信号变为正交的复信号，再经过与数字振荡器混频得到基带信号。采样变换的好处就是通过对信号的90°相移，基带的I,Q信号互相抵消了镜像信号，只保留了真实信号，从而在频谱上滤除了镜像信号，采样变换在FPGA上的实现相对容易，后级也不需要太高的数字滤波器进行滤波。

实施例5

在实施例4的基础上，采样变换可采用希尔伯特变换。因为加入的希尔伯特变换器，消除了多余的镜像频率成分，保证了接收信号的灵敏度，通过ZYNQ实现希尔伯特变换器还可以提高系统集成度，降低成本。

当9kHz-8GHz信号通过射频天线输入到射频二选一开关时，如图2所示，系统主要由前级射频处理模块进行增益调整，模拟低通滤波，ADC采集，采集的数据经由ZYNQ进行希尔伯特变换，再与NCO进行混频，经过后级的多级滤波后得到基带IQ。

前级射频处理过的信号，经过采样后产生与零中频对称的镜像信号，通过希尔伯特变换（实际上是将输入信号作为实部，输入信号移相90°的信号作为虚部）后得到正交的复基带信号，再与NCO（频率为fs/4）进行混频，得到fs/2的有效信号带宽，混频后的信号的实部与虚部的镜像信号部分相位差为180°，所以镜像信号会相互抵消，真实信号相位保持一致，真实信号保留。

前级射频模块主要包括增益放大器，低通滤波器构成，数字采集处理模块主要由ADC，ZYNQ构成。经过ADC采集的信号，通过ZYNQ构建的希尔伯特变换器，变为复基带信号，复基带信号与数字NCO进行混频后，再通过可切换带宽的多级滤波器进行抽取滤波，得到合适带宽的输出IQ信号，供后级的信号分析，解调使用。希尔伯特变换器通过matlab进行仿真设计，导出系数，ZYNQ通过FIR滤波器来实现希尔伯特变换器。

数字NCO及多路抽取滤波器等均是通过ZYNQ实现，通过ADC采集的信号，经过ZYNQ实现的希尔伯特变换器变为复基带信号，复基带信号与数字NCO混频得到的信号，消除了前级产生的镜像频率成分。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器（Random Access Memory，RAM）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）等。

Claims (5)

1.一种应对复杂信号监测的数字接收机，其特征在于，包括：

接收机模块、ADC模块、采样信号变换模块、采样二选一开关模块、数字下变频模块；接收机模块与ADC模块连接，ADC模块与采样二选一开关模块和采样信号变换模块连接，采样二选一开关模块与数字下变频模块连接；经过ADC模块后的信号，直接输出到采样二选一开关模块或通过采样信号变换模块输出到采样二选一开关模块；当直接输出到采样二选一开关模块时，在数字下变频模块中产生正交的复基带信号；当通过采样信号变换模块时，在采样信号变换模块中产生正交的复基带信号，然后输出到采样二选一开关模块；

数字下变频模块包括多路均匀DDC处理支路和独立DDC处理支路组成的数字下变频架构，并且多路均匀DDC处理支路与独立DDC处理支路并行设置；

所述多路均匀DDC处理支路和独立DDC处理支路均包括有DDC单元、电平计算模块、频谱计算模块和解调模块，所述多路均匀DDC处理支路还包括多相滤波器模块、信道FFT模块；

在多路均匀DDC处理支路中，所述正交的复基带信号再通过多相滤波器模块进行滤波，由多相滤波器模块实现多种带宽的抽头输出到信道FFT模块，通过信道FFT模块将多个信道分离开来，信道FFT模块的每个数据输出时其伴随有通道索引号输出到该支路中的电平计算模块，通过该支路中的电平计算模块计算信号电平大小，通过设置的电平门限值进行比较，如果电平大于门限值，则将数据输出到该支路中的频谱计算模块和该支路中的解调模块，否则不输出，继续守候计算电平大小；该支路中的频谱计算模块将子信道IQ流进行FFT计算和加窗处理，得到对应的信号频谱图；该支路中的解调模块将子信道IQ流进行音频解调处理；在独立DDC处理支路中，所述正交的复基带信号依次再通过该支路中的电平计算模块、频谱计算模块、解调模块实现信号数据的电平计算、频谱计算和解调。

2.根据权利要求1所述的一种应对复杂信号监测的数字接收机，其特征在于，所述接收机模块包括射频二选一开关、增益调整模块、低通滤波模块、超外差接收机和中频二选一开关；射频二选一开关与超外差接收机连接，超外差接收机与中频二选一开关连接；射频二选一开关与增益调整模块连接，增益调整模块与低通滤波模块连接，低通滤波模块与中频二选一开关连接；接收机模块通过射频二选一开关将接收信号输入到增益调整模块所在的支路，或将接收信号输入到超外差接收机所在的支路后，由低通滤波模块与超外差接收机输出，然后分别接入中频二选一开关；中频二选一开关与所述ADC模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种应对复杂信号监测的数字接收机，其特征在于，所述多路均匀DDC处理支路还包括SPAN带宽频谱模块，用于实现前级DDC抽头输出的基于SPAN带宽的IQ数据进行FFT变换和加窗处理，得到SPAN带宽下的频谱。

4.根据权利要求1所述的一种应对复杂信号监测的数字接收机，其特征在于，所述多相滤波器模块包括n个子滤波器，实现对DDC预处理的IQ流信号抽取划分为n个子IQ流，将滤波器系数抽取划分为n个子系数流，n为正整数。

5.根据权利要求1所述的一种应对复杂信号监测的数字接收机，其特征在于，所述信道FFT模块为可变点数的信道FFT模块，通过初始化配置为对应的点数，前级多相滤波器模块输出IQ流按顺序输入信道FFT模块，通过信道FFT模块将n个信道分离开来，根据不同的通道索引号将数据输出分为n个子信道的IQ流，n为正整数。

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