宽带数字信道化接收机技术的热点和发展趋势

苏 翔，傅其祥，李永祯，刘 能

（国防科学技术大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，湖南长沙410073）

0 引言

数字信号处理理论的日益成熟和高速ADC、FPGA、DSP等数字信号处理芯片工艺水平的显著提高，推动宽带数字接收机技术迅猛发展。目前，美军已经装备了瞬时带宽达500MHz的宽带中频数字接收机，康多公司生产的以宽带超外差调谐器和宽带信号处理器为核心的CS－6700高级电子支援／电子情报侦察系统，其频率范围为0.5～18GHz，系统灵敏度达到－90dBm。相较于国外，国内对信道化接收机技术的研究起步较晚，大多处于理论探讨阶段，部分高校和研究所研制了一些实验系统。例如，西安电子科技大学采用Xilinx公司的FPGA器件设计完成了一套雷达数字接收机系统，能处理的最大带宽为5MHz，最高工作频率为70MHz，幅度不一致性小于0.01dB，相位不一致性小于0.05°等［1］。

数字信道化接收机有两个工作过程：前端信道化过程和后端基带信号处理过程。本文首先介绍了数字信道化的基本概念和实现结构，在此基础上，重点分析了数字信道化接收机在信道化过程中的研究热点和难点，并总结了信道化接收机技术的发展趋势。

1 数字信道化接收机的实现结构

信道化接收机的基本原理是利用带通滤波器组将全频带划分为一系列的子频带，然后将各个子频带信号与相应的一系列本振混频，将信号频谱搬移至基带。国内外对数字信道化技术已经开展了大量研究，提出了基于FFT、多相滤波结构、WOLA和PFT（Pipelined Frequency Transform）等实现方法。

1.1 低通滤波器组结构

当输入信号为复信号时，在均匀滤波情况下，假设滤波器个数为K，抽取因子为D，两者满足K＝FD（F＞0）的关系。低通滤波器组的实现形式如图1所示。图1中wk（k＝0，1，…，K－1）是各信道的中心频率，其值取决于信号频带划分方式。低通滤波器组结构直接将各个频带的信号分多路变换到基带，然后共用一个低通滤波器进行滤波，从而达到带通滤波的效果。

图1 低通滤波器组结构

当信道数较多时，低通滤波器的通带截止特性要求非常陡峭，阶数会很高。另外，对宽频带、高采样率信号进行下变频及低通滤波，电路工作频率会很高，不适合硬件实现。在抽取时会舍弃许多前面处理好的数据，造成资源上的严重浪费，并不适合高速信号处理场合［2］。

1.2 多相滤波器组结构

相关学者引入数字信道化的另一种高效结构，是多相滤波组结构。设数字滤波器组的个数为K（即信道数为K），抽取因子为D，仍满足K＝FD（F＞0），临界抽取K＝D，信道划分为奇型划分下，对应的典型多相滤波组结构如图2所示。

图2 复信号信道化高效结构（奇型划分，临界抽取）

对比低通滤波法，基于多相滤波法的方法具有如下优点：

1）抽取从滤波之后的位置提前到滤波之前，降低后续信号处理的负担；

2）每个信道所用到的滤波器是低通滤波法中的原型低通滤波器进行D倍获取的，即原型滤波器的多相分量，使乘法运算量降为原来的1／D，更易于实现；

3）D为2的整数次幂时，DFT算法可以采用高效算法FFT实现［2］。

2 数字信道化接收机信道化过程的热点问题

多相滤波器组结构大大降低了低通滤波器组信道化宽带接收机的计算量，提高了可实现性，是当前数字信道化接收机技术研究的热点。但这种高效结构也存在缺陷，信道化过程涉及到信道频带的划分、低通滤波器的滤波特性和FFT运算。信道频带划分的不合理会导致检测“盲区”的出现，相邻信道的交叠虽可消除“盲区”影响，但又会带来信道模糊问题。同时，大带宽信号在信道化过程中会跨越多个信道，造成频谱分裂和信号重建等难题。

2.1 体系结构的改进问题

多相滤波器组是实现信道化接收机的一种高效结构，但该结构要求信道数目与抽取倍数必须满足整数倍关系，限制了接收机参数设计的灵活性。DFT运算在输入数据较多时存在运算复杂度高、硬件实现难的缺陷。因此，如何对多相滤波结构进行改进，以加快接收机信号处理速度、提高硬件实现效率，成为当前数字信道化接收机研究的一大热点。文献［3］从传统的短时傅里叶变换（STFT）算法出发，将加权叠加相加（WOLA）滤波器组引入信道化接收机，使得新体制下的接收机具有参数设计灵活、计算复杂度低、硬件实现效率高等优点；文献［4］在WOLA结构的基础上，采用多相滤波和短时FFT结合的算法结构（简称多相FFT模块），降低了计算的复杂度，来实现大的瞬时宽带数字信道化接收机；文献［5］用多相分解方法对STFT信道化实现结构进行了改进，提出多个GDFT（Goertzel DFT）处理单元与FFT滤波器组级联组成并行流水的处理阵列，利于数据的低速率传输和硬件的高效利用；单比特接收机通过简化FFT运算显著提高了DFT信道化接收机的处理速度，其结构简单，可以实现多个信号的瞬时频率测量，文献［6］将单比特接收机应用于WOLA结构中，克服了宽带单比特接收机动态范围低和信道化接收机频率分辨率有限的缺点，提高了信号的处理速度。

2.2 “盲区”问题

由于可实现的滤波器都存在一定的过渡带，所以在信道划分时，信道间不可避免地会存在信道化“盲区”，这就可能引起信号的遗漏或丢失，进而造成漏警现象。对于“盲区”问题，文献［7］在多相滤波结构的基础上，提出了一种基于双覆盖因子的数字接收机模型，该模型利用信道划分的重叠性，实现整个频谱的覆盖，但是这种模型实现起来很复杂，硬件资源浪费大。文献［8］则采取扩展滤波器通带带宽的方法降低“盲区”概率，滤波器组通带宽带的扩展使“盲区”出现的概率降低，但滤波器频响重叠会引起信道模糊。文献［9］对存在“盲区”的问题，采用降低抽取率的方法来提高处理带宽，各信道间不存在混叠失真，但相邻信道之间会有频率重复，对每个信道的重叠频段进行处理后就可得到真正的信号。因此，如何实现无“盲区”的信道频带划分，并尽量减少信道模糊问题，成为数字信道化接收机研究的难点之一。

2.3 信道模糊问题

信道模糊是指由于滤波器过渡带和信号属性导致一个输入信号在多个信道中出现的情况。信道模糊一般出现在下面两种情况中：一是窄带信号落于相邻信道之间的重叠区域，引起信道判决模糊；二是大带宽信号的频谱跨越多个信道，采用传统的频谱分析方法，只能分析信号子带频谱，从而造成信道判决模糊。传统的解决信道模糊的方法是数字信道化的输出端通过信道判决器来判决信号属于哪一个信道，其判断依据是比较信道通带内信号的幅度或能量。若目标信号属于某个信道时，在该信道的输出幅度应该比它在相邻信道上的输出幅度大。此方法简单易行，但信噪比较低时判断正确率较低，而且利用幅度比较法或能量比较法不能分辨落入同一信道的两个同时到达的信号。

2.4 跨信道信号问题

数字信道化通常采用均匀信道划分。信道化接收机若要有高灵敏度，其子带信道带宽就要尽可能小，即均匀信道化的数目要尽可能地增加。然而对于宽带信号来说，当信号带宽大于均匀信道化子带信道带宽时，会出现“跨信道”问题。文献［10］提出一种动态可重构信道化方法，采用信号重构理论，利用分析滤波器组实现均匀信道划分，结合综合滤波器组实现宽带跨信道信号的重构，从而部分解决了宽带信号跨信道问题。而文献［11］针对均匀宽带数字信道化接收机无法动态适应信号瞬时带宽变化的问题，提出了基于余弦调制滤波器组的动态信道化接收机设计结构，采用合成处理矩阵对信号完成近似重构，能处理具有不同的带宽且位置分布任意的信号、跨信道信号，具有动态适应的特点，在面对非合作信号时相较其他接收机结构具有明显的优势。上述文献均是在均匀信道化情况下实现对跨信道信号的重建，而跨道信号的频谱一般不是均匀分布的，为更准确分析信号，可以在频带划分时采用非均匀信道划分，提高部分频段的分辨率。

2.5 子通道频率特性不一致问题

每个通道自身通频带内频率特性的起伏变化及各通道之间频率特性的不一致性，会对信号的传输造成一定的失真。若要保证信号的不失真传输，则每个通道的频率特性的起伏不可太大，各通道间的频率特性也要尽可能一致。但实际的多通道接收系统由于所采用器件等多方面的因素影响，存在着单路频率特性的起伏变化及各路之间频率特性的不一致性问题。因此研究信号在多通道系统中的不失真传输便具有了非常重要的意义［12］。

3 数字信道化接收机技术的发展趋势

高采样率的ADC芯片的开发和数字信号处理理论的成熟为数字信道化接收机的发展提供了有力支撑，但数字信道化技术在发展中也遇到了两个方面的困难：一是随着数字器件水平的不断提高和高速、高性能的ADC芯片涌现，高速实时信号处理成为限制宽带数字信道化接收机的发展瓶颈；二是数字信道化接收机的频率分辨率为每个信道的带宽，由于信道数目、瞬时信号存在时间和信道化处理时间有限，因此信道化接收机的测频精度也受到限制［4］。

根据数字信号化接收机技术的发展历程，可归纳出其发展趋势有以下几点：

1）从宽带中频采样走向宽带射频直接带通采样

宽带中频采样方式是数字接收机中常采用的数字化方式，采用超外差体制，利用模拟混频器将频带变频到中频，再进行Nyquist采样或带通采样。这种结构对器件的性能要求降低，工程上较易实现，接收机灵敏度也较高。但在天线和ADC之间增加了很多模拟信号处理环节，如混频、本振、各种滤波、中频放大等，这样会造成信号失真，而且其扩展性和灵活性也较差。射频直接带通采样，又称为射频直接欠采样。即根据带通采样定理，以低于Nyquist采样率的采样速度对射频频段某一段带通信号进行直接采样。相比于宽带中频采样结构，在功耗、集成度、配置灵活性、信号质量上都有较大优势。

2）先进的数字信号处理算法

随着ADC采样技术的快速发展，其采样速率已从兆赫兹级提高到吉赫兹级，几乎可以满足对射频宽带信号的直接采样了，然而数字信号处理芯片的处理速度却仍在兆赫兹级。信号处理速度与数据采样速率不能匹配，是实现信号实时处理的一大障碍。为此，必须考虑新的数字信号处理体系结构，对于数字信道化接收机中的并行、实时信号处理算法以及算法的硬件验证和实现等关键技术还有待做进一步研究，特别是如何对现有算法进行改进以便适合硬件实现，以及对算法硬件验证方面的研究。

3）高效的实现体系

国内外关于数字信道化接收机的实现体系的研究层出不穷，现有的WOLA结构和基于流水线的FFT实现结构的提出，可对多相DFT滤波结构进行改进，加快接收机信号处理速度、提高硬件实现效率。特别是将单比特接收机、数字瞬时测频接收机或FFT处理模块作为信道化接收机的后续数字处理模块，弥补了前端信道化过程频率分辨率的不足，也在一定程度上达到了处理多个同时信号的目的。

4）由均匀滤波走向非均匀滤波

信道化过程中出现的“盲区”、信道模糊和跨信道信号等问题，与信道的频谱划分方式有关。如何设计合理的子信道，消除上述的“盲区”和信道模糊问题，是信道化接收机未来发展的研究方向之一。宽带数字接收机面对大量的大带宽信号和复杂形势的信号，跨信道信号的接收等问题亟待解决，而非均匀采样和信道重建技术是解决这类问题的一大亮点。

4 结束语

随着现代电磁环境的复杂化，结合数字化和信道化技术的新型接收机——数字信道化接收机应运而生。数字信道化接收机具有截获概率高、灵敏度高、动态范围大、频率分辨率良好及可对同时到达信号并行处理等特点，成为近年来国内外电子战信号处理技术研究的一个热点。本文介绍了信道化接收机的基本原理，分析了信道化接收机的研究现状和发展趋势以及当前信道化过程存在的问题。可以预测，信道化技术的日益成熟，将使数字信道化接收机在未来电子战中得到广泛应用。■

［1］ 栗剑平.基于FPGA的信道化接收机研究［D］.西安：西安电子科技大学硕士论文，2011.

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［3］ 王洪，吕幼新，汪学刚.WOLA滤波器组信道化接收机技术［J］.电子科技大学学报，2008，37（1）：43－46.

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［5］ 常虹，赵国庆，牛新亮.高效的宽带数字信道化接收机设计［J］.西安电子科技大学学报，2010，37（3）：464－468.

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