基于FPGA的多通道頻率檢測(cè)技術(shù)方案

0 引言

　　在數(shù)字接收機(jī)的各種參數(shù)中，頻率是最重要的參數(shù)之一，它能反映接收機(jī)的功能和用途、以及頻譜寬度等重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的順序測(cè)頻技術(shù)一般通過對(duì)接收機(jī)頻帶的掃描，對(duì)頻域進(jìn)行連續(xù)取樣。該方法原理簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但是，其頻率截獲概率與分辨力的矛盾難以解決，無法實(shí)現(xiàn)全概率信號(hào)截獲。而多信道化的頻率檢測(cè)技術(shù)屬于瞬時(shí)測(cè)頻，其架構(gòu)是采用多個(gè)頻率窗口（多個(gè)信道彼此銜接相鄰）來覆蓋接收機(jī)的整個(gè)頻段，這樣，當(dāng)信號(hào)進(jìn)入任一個(gè)窗口時(shí)，該窗口的頻率值即可被檢測(cè)出。因此，該方法可解決頻率截獲概率與頻率分辨力的矛盾，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)全概率頻率捕獲提供了一種參考方案。

　　1 多信道模型

　　當(dāng)一個(gè)實(shí)信號(hào)經(jīng)過A/D采樣之后，再進(jìn)行正交下變頻處理，即可得到I、Q兩路相位正交信號(hào)，它們所構(gòu)成的是一個(gè)復(fù)信號(hào)。該復(fù)信號(hào)的信道化示意圖如圖1所示。

　　圖1所示的信道是一種相互交疊的信道，它們涵蓋了整個(gè)零中頻信號(hào)的頻率范圍。一般情況下，多信道往往采用數(shù)字濾波器組來實(shí)現(xiàn)，但該方法需要設(shè)計(jì)M（M為信道數(shù)）個(gè)中心頻率不同，而其它性質(zhì)完全相同的帶通濾波器。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，同時(shí)還加大了后續(xù)信號(hào)處理的運(yùn)算速度，對(duì)實(shí)時(shí)處理極為不利。而數(shù)字濾波器組的低通型實(shí)現(xiàn)方法則是先將每個(gè)通道乘以一變換因子，就相當(dāng)于將實(shí)際信號(hào)搬移到零中頻，然后再通過LPF得到該頻率信號(hào)。該方法可對(duì)帶通信號(hào)的頻段進(jìn)行信道化分離，但是帶來的新問題是當(dāng)LPF用FIR濾波器實(shí)現(xiàn)M個(gè)濾波運(yùn)算時(shí)，將占用較大的硬件資源，而且系統(tǒng)工作效率較低。目前，該結(jié)構(gòu)已被高效DFT多相濾波器組結(jié)構(gòu)所代替。

　　圖2所示是一種具有普遍性的基于DFT多相濾波器組的信道化高效結(jié)構(gòu)，從圖2中可以看出，在濾波之前，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行D倍抽取可降低濾波過程的運(yùn)算量，gn（m）是低通原型濾波器hLP（n）的多相分量，其階數(shù)可減小到原來的1/D,因而DFT可以用FFT實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，在此結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)速率大大降低，實(shí)時(shí)處理能力得到了提高。

　　2 濾波器的設(shè)計(jì)及仿真

　　低通型濾波器結(jié)構(gòu)中的每個(gè)通道都是由原型低通濾波器乘以旋轉(zhuǎn)因子形成的。根據(jù)要求，圖3所示是由256階原型低通濾波器形成的濾波器組及其信號(hào)輸出仿真波形。該信號(hào)的有效帶寬為300MHz,共分為32通道，每通道帶寬為9.375MHz.如給此濾波器組送入頻率？=28.1MHz的單頻信號(hào)，那么，通過理論計(jì)算可知，信號(hào)應(yīng)在第3號(hào)通道有輸出。圖3 （b）所示就是第2、3、4通道的輸出仿真結(jié)果，可以看出，僅第3個(gè)通道有比較強(qiáng)的信號(hào)輸出，這與理論上的計(jì)算結(jié)果是一致的。

3 實(shí)現(xiàn)方案

　　本設(shè)計(jì)選用的FPGA芯片是Xilinx公司的Virtex-4SX55,該芯片時(shí)鐘資源豐富，算術(shù)運(yùn)算單元和專用存儲(chǔ)模塊以及可配置邏輯的使用都很靈活，非常適合當(dāng)前信號(hào)處理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。因此，根據(jù)圖2所示的結(jié)構(gòu)，就可以得到一種基于DFT多相濾波器組的信道化解決方案，其具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　圖4所示結(jié)構(gòu)由延時(shí)器、系數(shù)存儲(chǔ)器、乘加器和FFT組成。其中延遲器可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入數(shù)據(jù)32個(gè)周期的延時(shí)，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)濾波器系數(shù)。下面對(duì)該結(jié)構(gòu)中幾個(gè)主要組成模塊的實(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果進(jìn)行介紹。