周新星，謝祖剛，邱耀明，曹 凡

（中國船舶重工集團(tuán)第七二二研究所，湖北 武漢430205）

0 引言

現(xiàn)代電子戰(zhàn)面臨的信號環(huán)境越來越復(fù)雜密集，基于寬帶數(shù)字陣列體制的電子偵察系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢，該系統(tǒng)要求偵察接收機(jī)必須具有很寬的瞬時處理帶寬、高靈敏度、大動態(tài)范圍，且為了測向和DBF，要求通道間一致性好。寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)由于覆蓋帶寬寬、多信道并行處理、能有效檢測跳頻突發(fā)信號且易于實(shí)現(xiàn)高增益多波束及測向，而在寬帶數(shù)字陣列偵察系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用［1－3］。

寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)對頻帶進(jìn)行無盲區(qū)子帶劃分，信道數(shù)目以及信道的抽取因子是其關(guān)鍵因素。信道數(shù)目決定了多相支路的個數(shù)，抽取因子決定了濾波器的特性和階數(shù)以及后端傳輸處理的數(shù)據(jù)量。傳統(tǒng)的數(shù)字信道化方法由于多相支路多，每路的抽取因子大，導(dǎo)致濾波的數(shù)據(jù)率低，占用大量的計(jì)算資源，不利于瞬時處理帶寬的擴(kuò)展；且濾波運(yùn)算速率與FFT速率不匹配，需額外的硬件資源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度［4－5］。為此，本文提出一種高效的寬帶信道化設(shè)計(jì)方法，在推導(dǎo)任意過采因子信道化模型的基礎(chǔ)上，對各多相支路進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)新的多相支路結(jié)構(gòu)，提高支路的吞吐率，降低硬件資源的開銷，并且新結(jié)構(gòu)使得信道化的濾波、FFT等運(yùn)算都工作于同一速率上，使設(shè)計(jì)便于實(shí)現(xiàn)，增加了信道化處理的可擴(kuò)展性。某系統(tǒng)中的硬件實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 過采因子任意的信道化接收機(jī)

偵察接收機(jī)為提高信號的截獲概率，采用無盲區(qū)的均勻信道劃分，各信道的通帶無縫相鄰，過渡帶重疊。過渡帶的重疊大小決定了各信道的抽取因子和信道輸出的數(shù)據(jù)率，過渡帶重疊越小，則信道的抽取因子可越大，后端處理數(shù)據(jù)量越小，相應(yīng)地原型濾波器的階數(shù)越高。設(shè)系統(tǒng)劃分信道數(shù)目為K，信道的抽取因子為M ，定義過采因子為F，F(xiàn)滿足K＝FM 。第k個信道的示意圖如圖1所示。其中wk＝－2πk／K，k＝0，1，2，…，K －1。

圖1 信道k的示意圖

信道k的輸出為：

令i＝qK ＋p，q＝（－!，＋!），p＝0，1，2，…，K－1，則有：

式中，珔hp（m）具有如下形式：

可見，hp（q）是由原型低通濾波器h（n）按K 倍抽取得到的第p支路的系數(shù)；進(jìn)一步對hp（q）內(nèi)插F倍，即得到系數(shù)h－p（m）；Sp（m）是由輸入S（n）按 M倍抽取得到的第p支路的信號。上述p的取值范圍為p＝0，1，2，…，K －1。

根據(jù)以上推導(dǎo)，得到過采因子任意的信道化接收機(jī)模型如圖2所示。

圖2 過采因子任意的信道化接收機(jī)模型

2 優(yōu)化的信道化多相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本節(jié)在選取過采因子的基礎(chǔ)上，分析傳統(tǒng)多相結(jié)構(gòu)信道化接收機(jī)存在的處理速率低、占用資源多等問題，然后提出優(yōu)化的信道化設(shè)計(jì)方法。

過采因子的選擇對信道化的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度及系統(tǒng)計(jì)算量有直接影響，文獻(xiàn)［5］從理論上分析了過采因子與系統(tǒng)計(jì)算量的關(guān)系，但未考慮系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性。由于FPGA硬件中各多相支路的數(shù)據(jù)是通過移位寄存器鏈或RAM來進(jìn)行整形排列，過采因子選取不當(dāng)會導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度急劇增加甚至無法實(shí)現(xiàn)，也不利于提高處理速率［6－7］。綜合考慮，這里選取過采因子F＝2，此時原型低通濾波器的過渡帶寬度與通帶相等，相鄰信道重疊一半。對于F＝2，圖2中的指數(shù)項(xiàng)ejwkMm變?yōu)椋?/p>

此時信道化接收機(jī)模型如圖3所示。

圖3 過采因子為2的信道化接收機(jī)

圖3 直接用于硬件實(shí)現(xiàn)的主要問題是占用資源多、處理速率低、速率不匹配。設(shè)圖中寬帶輸入信號的采樣率為fs，信號依次延遲分別進(jìn)K個支路，則每個支路的數(shù)據(jù)率為fs／M 。由于支路個數(shù)多達(dá)K 路，導(dǎo)致I／O和串并轉(zhuǎn)換消耗較多資源。K個支路獨(dú)立并行卷積運(yùn)算，需占用大量的DSP計(jì)算資源，若原型低通濾波器的長度為L，則卷積運(yùn)算共需使用2L個實(shí)數(shù)乘法器，這是很大的乘法器開銷，尤其在數(shù)字陣列系統(tǒng)中，其占用的乘法器資源將急劇增加。再者，IFFT的串行輸入數(shù)據(jù)率為2fs，這與支路的數(shù)據(jù)率不匹配，增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

為此，提出信道化接收機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，從3個方面來改進(jìn)傳統(tǒng)信道化的結(jié)構(gòu)。一是減少多相并行支路的路數(shù)，這可降低I／O數(shù)量和串并轉(zhuǎn)換資源開銷。由于支路K／2至支路K－1的輸入信號是支路0至支路K／2－1的輸入信號的一個樣點(diǎn)的延遲，所以可將多相支路的路數(shù)減少一半，由K 路降為K／2路。同時，可根據(jù)處理帶寬和支路數(shù)據(jù)率進(jìn)行支路復(fù)用，進(jìn)一步減少支路路數(shù)。二是提高卷積運(yùn)算的處理速度，以降低乘法器的開銷。乘法器是FPGA的主要計(jì)算單元，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要考慮因素，若卷積運(yùn)算的速度提高至N倍，則需要的乘法器數(shù)量將降為1／N 倍?？赏ㄟ^提高支路的卷積輸入數(shù)據(jù)率來實(shí)現(xiàn)乘法器在多個支路間的復(fù)用，乘法器工作于較高速率，分時對多個支路的信號進(jìn)行濾波。三是將支路濾波的速率與IFFT運(yùn)算的速率設(shè)計(jì)為一致，這可避免跨時鐘轉(zhuǎn)換的問題，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。設(shè)寬帶輸入信號的采樣率為fs，有N 個多相支路，則各支路的濾波速率為fs／N ，且IFFT的等效總速率為2fs，因此使用2fs／（fs／N）＝2 N個IFFT模塊即可保證IFFT與卷積濾波的速率相一致，使信道化的全部運(yùn)算工作于相同速率上。

3 應(yīng)用分析

以某系統(tǒng)中信道化接收機(jī)的具體設(shè)計(jì)來分析驗(yàn)證本文方法的可行性。信道化的輸入寬帶IQ信號采樣率為500M，劃分32個子信道，原型低通濾波器的階數(shù)為為191，F(xiàn)PGA采用Xilinx V7系列。依據(jù)提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，得到信道化接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4中，輸入信號以2路并行的形式送給2個多相支路，每個支路的數(shù)據(jù)率為250M，各支路接24個實(shí)數(shù)乘法器進(jìn)行濾波運(yùn)算，2個支路一共使用48個實(shí)數(shù)乘法器。乘法器的輸入系數(shù)每個周期更新一次，系數(shù)的存儲深度為16。支路的延遲抽頭通過移位寄存器鏈實(shí)現(xiàn)，抽頭間隔為8。2個支路每個周期并行輸出2個卷積結(jié)果，16個周期產(chǎn)生一幀IFFT所需的32個樣點(diǎn)。各支路分為上卷積部分和下卷積部分，上卷積部分用于產(chǎn)生偶數(shù)幀IFFT所需的數(shù)據(jù)，下卷積部分用于產(chǎn)生奇數(shù)幀IFFT所需的數(shù)據(jù)。共使用4個IFFT模塊。系統(tǒng)中卷積和IFFT等所有處理都工作于250M速率。

圖4 優(yōu)化的信道化接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖

與圖3所示的傳統(tǒng)信道化接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。依據(jù)圖3來設(shè)計(jì)，則并行多相支路路數(shù)為32，每個支路的數(shù)據(jù)率為31.25M，各支路接12個實(shí)數(shù)乘法器，卷積運(yùn)算共需384個實(shí)數(shù)乘法器。由于32個支路濾波輸出的等效速率為1G，即IFFT總的速率需達(dá)到1G，若IFFT模塊的處理速率與支路濾波的速率相同，則需要的IFFT模塊數(shù)量多達(dá)32個。另一方面，若減少IFFT的資源開銷，則其速率與卷積運(yùn)算的速率不一致，會引入跨時鐘問題。

在FPGA中實(shí)現(xiàn)了如圖4所示的信道化接收機(jī)。利用寬帶LFM信號對其進(jìn)行在線實(shí)測，從ILA采集的信道化處理后各信道的輸出結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的信道化接收機(jī)功能正確。

通過某系統(tǒng)中信道化接收機(jī)的具體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，提出的方法的優(yōu)勢得到了驗(yàn)證：相比傳統(tǒng)的信道化接收機(jī)，本文方法能大幅降低硬件資源的開銷，處理速率匹配便于應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，尤其在處理大帶寬高采樣率信號時優(yōu)勢明顯；且當(dāng)瞬時帶寬增加或信道數(shù)發(fā)生變化時，本方法除濾波器系數(shù)發(fā)生改變外，所設(shè)計(jì)的處理結(jié)構(gòu)基本不變，增加了可移植性。

4 結(jié)束語

寬帶數(shù)字陣列偵察系統(tǒng)逐漸成為電子偵察的發(fā)展方向，而寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)作為該系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)高靈敏度接收、形成高增益多波束、DF、處理突發(fā)跳頻信號等功能的關(guān)鍵。針對傳統(tǒng)寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)存在的占用硬件資源多、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、吞吐率不高的問題，本文在推導(dǎo)任意過采因子信道化接收機(jī)模型的基礎(chǔ)上，提出信道化的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，減少多相支路的個數(shù)，提高濾波速率，并使信道化的所有運(yùn)算處理都工作于相同速率。本設(shè)計(jì)方法在某系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明能節(jié)省硬件資源、處理速度快、便于實(shí)現(xiàn)，該方法在寬帶數(shù)字陣列偵察系統(tǒng)中有實(shí)際應(yīng)用價值?！?/p>