一種寬帶數(shù)字接收機(jī)及其實時頻譜處理方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種寬帶數(shù)字接收機(jī)，目的是為了解決現(xiàn)有數(shù)字接收機(jī)實時頻譜處理帶寬較窄、頻譜分辨率較低的問題。本發(fā)明提供一種寬帶數(shù)字接收機(jī)，包括輸入端及輸出端，還包括第一濾波器組、模擬混頻模塊、第二濾波器組、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、頻譜變換模塊及頻譜變換模塊。第一濾波器組分別與輸入端及模擬混頻模塊連接，第二濾波器組分別與模擬混頻模塊及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接，時頻變換模塊分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及頻譜拼接模塊連接，輸出端與頻譜拼接模塊連接。本發(fā)明適用于電子偵察接收、實時頻譜分析、雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。
【專利說明】一種寬帶數(shù)字接收機(jī)及其實時頻譜處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種寬帶數(shù)字接收機(jī)實時頻譜處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面對日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，新型的電子偵察接收設(shè)備需要對寬帶信號進(jìn)行采集和實時頻譜處理，傳統(tǒng)的接收機(jī)已經(jīng)不能滿足目前電磁監(jiān)測的需要。高效的數(shù)字接收機(jī)具有高速、高靈敏度、大動態(tài)范圍、多信號并行處理、寬帶信號實時處理的能力，成為目前電磁監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點。
[0003]數(shù)字接收機(jī)可以采用軟件無線電技術(shù)，很容易在數(shù)字域完成傳統(tǒng)接收機(jī)在模擬域完成的信號處理工作。但目前常用的數(shù)字接收機(jī)往往信號處理帶寬較窄，實時運(yùn)算速度較慢，靈敏度和動態(tài)范圍較低，也不能很好的滿足電磁監(jiān)測的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有數(shù)字接收機(jī)實時頻譜處理帶寬較窄、頻譜分辨率較低的問題。
[0005]本發(fā)明設(shè)計了一種多通道可變帶寬的寬帶數(shù)字接收機(jī)，每個通道最大帶寬為50MHz (每個通道的處理帶寬根據(jù)分析需要可選多種帶寬)，通道個數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)最大帶寬進(jìn)行配置，接收機(jī)的多通道射頻部分每個通道的本振信號數(shù)字可控，各個通道混頻、濾波后得到的中頻信號頻率一致。利用帶通采樣定理，設(shè)計出合理的中頻信號頻率、ADC采樣頻率，以FPGA為數(shù)字信號處理的核心，F(xiàn)PGA (根據(jù)系統(tǒng)的最大分析帶寬，可選擇用多片F(xiàn)PGA)多通道并行處理，每一片F(xiàn)PGA芯片完成多個通道ADC采樣后的數(shù)字下變頻處理、FFT運(yùn)算，將各個通道的的頻譜數(shù)據(jù)(只保留帶內(nèi)有用的頻譜)存入與FPGA相連的DDR2中，后續(xù)完成整個分析帶寬頻譜的拼接，最終合成寬帶信號，并將合成寬帶信號送至上位機(jī)顯示頻譜。
[0006]本發(fā)明的具體方案是提供一種寬帶數(shù)字接收機(jī)，包括輸入端及輸出端，還包括:
[0007]第一濾波器組，用于將射頻信號的整個分析帶寬分為N路并通過各個子通道傳輸給模擬混頻模塊；
[0008]模擬混頻模塊，用于將各個子通道內(nèi)的射頻信號解調(diào)至中頻信號并傳輸給第二濾波器組；
[0009]第二濾波器組，用于對各個子通道內(nèi)多種帶寬信號進(jìn)行濾波；
[0010]模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于將第二濾波器組輸出的各個子通道內(nèi)的模擬中頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號；
[0011]時頻變換模塊，用于將各個子通道內(nèi)的數(shù)字中頻信號進(jìn)行數(shù)字下變頻處理(包括數(shù)字混頻、濾波、抽取等)及可變點快速傅里葉變換，得到信號頻譜；
[0012]頻譜拼接模塊，將各個子通道內(nèi)經(jīng)過快速傅里葉變換后的頻譜進(jìn)行帶內(nèi)保留、帶外截去，得到各個子通道的帶內(nèi)頻譜，并將各個子通道的帶內(nèi)頻譜進(jìn)行拼接得到整個分析帶寬內(nèi)的信號頻譜；
[0013]所述第一濾波器組分別與輸入端及模擬混頻模塊連接，所述第二濾波器組分別與模擬混頻模塊及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接，所述時頻變換模塊分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及頻譜拼接模塊連接，所述輸出端與頻譜拼接模塊連接，N為正整數(shù)，子通道的個數(shù)為N個。
[0014]具體地，所述時頻變換模塊包括N個時頻變換子模塊，每個時頻變換子模塊包括:
[0015]時鐘單元，用于為各模塊工作提供時鐘同步信號；
[0016]數(shù)字混頻單元，用于將子通道內(nèi)的數(shù)字中頻信號進(jìn)行下變頻；
[0017]路徑選擇電路，用于根據(jù)不同的分析帶寬，選擇合適的數(shù)字下變頻處理路徑，將數(shù)字混頻單元輸出的I信號分量和Q信號分量傳輸至數(shù)字下變頻處理單元；
[0018]多帶寬信號處理單元，用于對數(shù)字混頻后的I信號分量及Q信號分量進(jìn)行數(shù)字濾波、抽取等處理； [0019]變點快速傅里葉變換單元，用于將多帶寬信號處理單元輸出的基帶信號的I信號分量及Q信號分量進(jìn)行變點快速傅里葉變換；
[0020]所述數(shù)字混頻單元分別與第二濾波器組及路徑選擇電路連接，所述多帶寬信號處理單元分別與路徑選擇電路及變點快速傅里葉變換單元連接，所述變點快速傅里葉變換單元與頻譜拼接模塊連接。
[0021]具體地，所述多帶寬信號處理單元包括CIC濾波器組及多相濾波器組，CIC濾波器組用于對窄帶寬的信號進(jìn)行濾波，多相濾波器組用于對寬帶寬的信號進(jìn)行濾波，所述CIC濾波器組分別與路徑選擇電路及多相濾波器組連接，所述多相濾波器組分別與路徑選擇電路(或CIC濾波器組，選擇大部分帶寬的情況下，需要先經(jīng)過CIC濾波器并抽取后，再送入多相濾波器。)及變點快速傅里葉變換單元連接。
[0022]具體地，所述CIC濾波器組包括CIC濾波器及CIC補(bǔ)償濾波器，所述CIC濾波器為采用多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的濾波器。
[0023]本發(fā)明的寬帶數(shù)字接收機(jī)的實時頻譜處理方法，包括如下步驟:
[0024]A.輸入端接收到射頻信號，通過N個濾波器將射頻信號的整個分析帶寬分為N個通道，每個通道帶寬B最大可為50MHz (根據(jù)實時頻譜分析需要，為了提高頻譜分辨率，還可選擇其它較小的帶寬)；
[0025]B.利用帶通采樣定理，設(shè)計出合理的中頻信號頻率f^ADC采樣頻率fs。每個通道設(shè)有數(shù)字可控的本振信號完成將射頻信號中心頻率下變頻至中頻fo處；
[0026]C.根據(jù)子通道內(nèi)信號的帶寬設(shè)計通帶寬度不同的濾波器，對通道內(nèi)混頻后的信號進(jìn)行濾波，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬中頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0027]D.將各個子通道內(nèi)的數(shù)字中頻信號進(jìn)行數(shù)字混頻、濾波、抽取及變點快速傅里葉變換，得到子通道帶內(nèi)信號頻譜；
[0028]E.頻譜拼接模塊將各個子通道內(nèi)的經(jīng)過時頻變換之后的帶內(nèi)信號頻譜截取出來進(jìn)行拼接得到整個分析帶寬內(nèi)的信號頻譜。
[0029]本發(fā)明的有益效果是:通過這種寬帶數(shù)字接收機(jī)實時頻譜處理方法，可以對接收到的寬帶射頻信號進(jìn)行并行多通道處理，提高FPGA資源利用率，實現(xiàn)實時頻譜的合成寬帶處理。通過信號帶寬選擇，可以實現(xiàn)不同分辨率的實時頻譜處理。【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的一種寬帶數(shù)字接收機(jī)的原理框圖。
[0031]圖2為實施例的數(shù)據(jù)預(yù)處理單元具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。
[0032]圖3為實施例的變點快速傅里葉變換模塊結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步描述。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供一種寬帶數(shù)字接收機(jī)，包括輸入端及輸出端，還包括第一濾波器組、模擬混頻模塊、第二濾波器組、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、時頻變換模塊及頻譜拼接模塊。
[0035]第一濾波器組，用于將射頻信號的整個分析帶寬分為N路并通過各個子通道傳輸給模擬混頻模塊；模擬混頻模塊，用于將各個子通道內(nèi)的射頻信號解調(diào)至中頻信號并傳輸給第二濾波器組；第二濾波器組，用于對各個子通道內(nèi)多種帶寬信號進(jìn)行濾波；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于將第二濾波器組輸出的各個子通道內(nèi)的模擬中頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號；時頻變換模塊，用于將各個子通道內(nèi)的數(shù)字中頻信號進(jìn)行數(shù)字下變頻處理(包括數(shù)字混頻、濾波、抽取等)及可變點快速傅里葉變換，得到信號頻譜；頻譜拼接模塊，將各個子通道內(nèi)經(jīng)過快速傅里葉變換后的頻譜進(jìn)行帶內(nèi)保留、帶外截去，得到各個子通道的帶內(nèi)頻譜，并將各個子通道的帶內(nèi)頻譜進(jìn)行拼接得到整個分析帶寬內(nèi)的信號頻譜；第一濾波器組分別與輸入端及模擬混頻模塊連接，所述第二濾波器組分別與模擬混頻模塊及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接，所述時頻變換模塊分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及頻譜拼接模塊連接，所述輸出端與頻譜拼接模塊連接，N為正整數(shù)，子通道的個數(shù)為N個。
[0036]時頻變換模塊包括N個時頻變換子模塊，每個時頻變換子模塊包括時鐘單元、數(shù)字混頻單元、路徑選擇電路、多帶寬信號處理單元及變點快速傅里葉變換單元。
[0037]時鐘單元，用于為各模塊工作提供時鐘同步信號；數(shù)字混頻單元，用于將子通道內(nèi)的數(shù)字中頻信號進(jìn)行下變頻；路徑選擇電路，用于根據(jù)不同的分析帶寬，選擇合適的數(shù)字下變頻處理路徑，將數(shù)字混頻單元輸出的I信號分量和Q信號分量傳輸至數(shù)字下變頻處理單元；多帶寬信號處理單元，用于對數(shù)字混頻后的I信號分量及Q信號分量進(jìn)行數(shù)字濾波、抽取等處理；變點快速傅里葉變換單元，用于將多帶寬信號處理單元輸出的基帶信號的I信號分量及Q信號分量進(jìn)行變點快速傅里葉變換；數(shù)字混頻單元分別與第二濾波器組及路徑選擇電路連接，多帶寬信號處理單元分別與路徑選擇電路及變點快速傅里葉變換單元連接，變點快速傅里葉變換單元與頻譜拼接模塊連接。
[0038]多帶寬信號處理單元，用于對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后的數(shù)字1、Q信號進(jìn)行抽取濾波處理，包括CIC濾波器組及多相濾波器組，其中，CIC濾波器組又包括CIC濾波器及補(bǔ)償濾波器。CIC濾波器的抽取因子可以根據(jù)每種信號的帶寬進(jìn)行靈活選擇，本發(fā)明采取五級級聯(lián)CIC抽取濾波器的結(jié)構(gòu)，為降低多級CIC級聯(lián)帶來的通帶衰減加大的負(fù)面效果，在處理帶寬較窄的信號時加入Cic補(bǔ)償濾波器。選擇大部分帶寬的情況下，需要先經(jīng)過CIC濾波器并抽取后，再送入多相濾波器。多相濾波器組采用先抽取后濾波的形式，這樣就可以很大程度的節(jié)省FPGA的乘法器資源，分為三個單元分別進(jìn)行實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理單元、多相濾波單元、時分復(fù)用單元。
[0039]本發(fā)明的寬帶數(shù)字接收機(jī)實時頻譜處理方法，包括如下步驟:首先，輸入端接收到射頻信號，通過N個濾波器將射頻信號的整個分析帶寬分為N個通道，每個通道帶寬B最大可為50MHz (根據(jù)實時頻譜分析需要，為了提高頻譜分辨率，還可選擇其它較小的
帶寬)。利用帶通采樣定理/s=^y，其中M取能滿足fs>2B的正整數(shù)，設(shè)計合理的
中頻信號頻率f(1和模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣頻率fs。其次，通過模擬混頻模塊將每個通道的中心頻率調(diào)制至&并且進(jìn)行濾波；再次，每個通道并行輸出至ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通道內(nèi)再經(jīng)數(shù)字混頻得到1、Q兩路信號，路徑選擇電路根據(jù)分析帶寬選擇合適的處理路徑，將數(shù)字混頻模塊輸出的1、Q信號分量傳輸至多帶寬信號處理模塊。在多帶寬信號處理模塊，信號經(jīng)過抽取、濾波，有效地降低了數(shù)據(jù)率，在CIC濾波器組中針對不同帶寬采用不同的抽取倍數(shù)，采用CIC濾波器的抽取系統(tǒng)沒有乘法運(yùn)算，只有符號、延遲和加法運(yùn)算，具有非常高的處理效率，很適合抽取系統(tǒng)中的第一級抽取和進(jìn)行大的抽取因子的工作。多相濾波器采用一種高效的FIR實現(xiàn)方式，濾波在抽取之后進(jìn)行，可大大降低對硬件的速度要求。設(shè)FIR濾波器，其階數(shù)為N，將其分為D組，每組長度為L=N/D，其對應(yīng)的
轉(zhuǎn)移函數(shù)為"
【權(quán)利要求】
1.一種寬帶數(shù)字接收機(jī)，包括輸入端及輸出端，其特征在于，還包括: 第一濾波器組，用于將射頻信號的整個分析帶寬分為N路并通過各個子通道傳輸給模擬混頻模塊； 模擬混頻模塊，用于將各個子通道內(nèi)的射頻信號解調(diào)至中頻信號并傳輸給第二濾波器組； 第二濾波器組，用于對各個子通道內(nèi)多種帶寬信號進(jìn)行濾波； 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于將第二濾波器組輸出的各個子通道內(nèi)的模擬中頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號； 時頻變換模塊，用于將各個子通道內(nèi)的數(shù)字中頻信號進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，包括數(shù)字混頻、濾波、抽取及可變點快速傅里葉變換，得到信號頻譜； 頻譜拼接模塊，將各個子通道內(nèi)經(jīng)過快速傅里葉變換后的信號頻譜進(jìn)行帶內(nèi)保留、帶外截去，得到各個子通道的帶內(nèi)頻譜，并將各個子通道的帶內(nèi)頻譜進(jìn)行拼接得到整個分析帶寬內(nèi)的信號頻譜； 所述第一濾波器組分別與輸入端及模擬混頻模塊連接，所述第二濾波器組分別與模擬混頻模塊及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接，所述時頻變換模塊分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及頻譜拼接模塊連接，所述輸出端與頻譜拼接模塊連接，N為正整數(shù)，子通道的個數(shù)為N個。
2.如權(quán)利要求1所述的寬帶數(shù)字接收機(jī)，其特征在于，所述時頻變換模塊包括N個時頻變換子模塊，每個時頻變換子模塊包括: 時鐘單元，用于為各模塊工作提供時鐘同步信號； 數(shù)字混頻單元，用于將子通道內(nèi)的數(shù)字中頻信號下變頻； 路徑選擇電路，用于根據(jù)不同的分析帶寬，選擇合適的數(shù)字下變頻處理路徑，將數(shù)字混頻單元輸出的I信號分量和Q信號分量傳輸至數(shù)字下變頻處理單元； 多帶寬信號處理單元，用于對數(shù)字混頻后的I信號分量及Q信號分量進(jìn)行數(shù)字濾波、抽取等處理； 變點快速傅里葉變換單元，用于將多帶寬信號處理單元輸出的基帶信號的I信號分量及Q信號分量進(jìn)行變點快速傅里葉變換； 所述數(shù)字混頻單元分別與第二濾波器組及路徑選擇電路連接，所述多帶寬信號處理單元分別與路徑選擇電路及變點快速傅里葉變換單元連接，所述變點快速傅里葉變換單元與頻譜拼接模塊連接。
3.如權(quán)利要求2所述的寬帶數(shù)字接收機(jī)，其特征在于，所述多帶寬信號處理單元包括CIC濾波器組及多相濾波器組，CIC濾波器組用于對窄帶寬的信號進(jìn)行濾波，多相濾波器組用于對寬帶寬的信號進(jìn)行濾波，所述CIC濾波器組分別與路徑選擇電路及多相濾波器組連接，所述多相濾波器組分別與路徑選擇電路及變點快速傅里葉變換單元連接。
4.如權(quán)利要求2所述的寬帶數(shù)字接收機(jī)，其特征在于，所述CIC濾波器組包括CIC濾波器及CIC補(bǔ)償濾波器，所述CIC濾波器為采用多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的濾波器。
5.一種寬帶數(shù)字接收機(jī)的實時頻譜處理方法，其特征在于，包括如下步驟: A.輸入端接收到射頻信號，通過N個濾波器將射頻信號的整個分析帶寬分為N個通道； B.利用帶通采樣定理，設(shè)計出合理的中頻信號頻率&、ADC采樣頻率fs，每個通道設(shè)有數(shù)字可控的本振信號完成將射頻信號中心頻率下變頻至中頻&處； C.根據(jù)子通道內(nèi)信號的帶寬設(shè)計通帶寬度不同的濾波器，對通道內(nèi)混頻后的信號進(jìn)行濾波，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬中頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； D.將各個子通道內(nèi)的數(shù)字中頻信號進(jìn)行數(shù)字混頻、濾波、抽取及變點快速傅里葉變換，得到子通道帶內(nèi)信號頻譜； E.頻譜拼接模塊將各個子通道內(nèi)的經(jīng)過時頻變換之后的帶內(nèi)信號頻譜截取出來進(jìn)行拼接得到整個分析帶寬內(nèi)的信號頻譜。
6.如權(quán)利要求5所述的一種寬帶數(shù)字接收機(jī)的實時頻譜處理方法，其特征在于，步驟D包括如下步驟: Dl.通道內(nèi)信號經(jīng)數(shù)字混頻，得到1、Q兩路信號； D2.對1路和Q路信號根據(jù)分析帶寬的選取，選擇合適的處理路徑進(jìn)行數(shù)字下變頻至基帶; D3.將數(shù)字下變頻后的基帶信號進(jìn)行變點快速傅里葉變換。
7.如權(quán)利要求5所述的一種寬帶數(shù)字接收機(jī)的實時頻譜處理方法，其特征在于，步驟E包括如下步驟: El.將各個子通道內(nèi)經(jīng)過快速傅里葉變換后的頻譜進(jìn)行帶內(nèi)保留、帶外截去，得到各個子通道的帶內(nèi)頻譜； E2.將各個子通道的帶內(nèi)頻譜進(jìn)行拼接得到整個分析帶寬內(nèi)的信號頻譜。
【文檔編號】H04B1/16GK103973324SQ201410154881
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】嚴(yán)濟(jì)鴻, 張麗, 鄭朋, 侯碩 申請人:電子科技大學(xué)