宽带数字接收机的关键技术研究及实现

论文摘要

电子战接收机是电子侦查系统的重要组成部分,它要求在很宽的带宽范围内,对频率信息进行快速、高精度的测量。传统的模拟接收机测频精度较低,多信号分辨与处理能力较差,已经无法满足实际的测频需要。随着数字信号处理理论、算法和大规模集成电路的快速发展,宽带数字接收机已经成为电子侦察系统发展的必然趋势。其中数字接收机能够将输入信号进行A/D变换、数据存储,然后采用许多性能优异、灵活的数字信号处理方法,直接从输出的数字化数据中获得更多信息。因此宽带数字接收机具有瞬时带宽宽、测量参数精度高、分辨能力强的优点。本文的主要工作围绕着宽带数字接收机的关键技术及其实现展开了研究。首先分析了数字接收机的理论模型,针对该结构模型中后端数字处理器件工作速率较低,无法与高速ADC相匹配的问题,简要介绍了两种数据率转换方法,即带通采样和数字下变频技术。又探讨了几种可行的数字接收机结构:欠采样的多信道并行数字接收机结构;数字信道化接收机结构;引导式数字接收机结构。其次对数字接收机中最重要的测量参数之一,即频率参数估计进行研究。介绍了正弦信号频率估计方法。详细分析了几种具有同时多信号处理能力的数字测频算法,并对它们的测频性能进行了仿真。其中主要研究了多路延迟结构的高分辨率谱估计的MUSIC类频率估计方法,在此基础上针对传统MUSIC类算法需要特征值分解、计算量大的缺点,提出了基于多级维纳滤波（Multi-Stage Wiener Filter,MSWF）的MUSIC频率估计方法。实验结果证明MSWF的MUSIC算法和常规子空间分解MUSIC算法具有几乎一样的频率估计精度,但是其运算复杂度却大大降低,使得该方法更适合现代电子战中信号实时处理的要求。然后根据数字信道化接收机要求具有实时分析处理大量数据能力的特点,本文研究了一种高效数字并行分析系统,即采用多相滤波技术实现信道化,并对其性能进行了分析。本文还在基于多相滤波器组粗测频的基础上,采用灵活的测频算法进行窄带,相对慢速的高精度测频,其中简要介绍了直接相位差算法、瞬时自相关算法、曲线拟合算法、线性拟合算法和过零检测算法。在这些测频算法的基础上,根据实际信号环境以及测频精度的要求,本文提出了将加权相位差分算法应用于数字信道化接收机后续精测频中,取得了很高的测频精度。最后从数学模型上描述了整个接收机的工作流程,并对系统进行了仿真和性能分析。此外,本文还针对系统的信号检测过程,提出了一种基于单纯形一模拟退火算法的小波阈值去噪的信号检测方法,该方法为今后信号检测方面的研究提供了一个新的思路,具有一定的理论指导意义。最后在FPGA上实现了多相滤波算法和瞬时精测频算法,并在此基础上研制出了数字信道化接收机的原理样机,随后针对它的每一部分的设计进行了较详细地说明。此外,还对整个数字信道化瞬时测频接收机进行了大量的硬件测试实验,得到了一些真实,可靠的实验数据,并取得了令人满意的测频结果。可见,按照本文所研究的数字信道化瞬时测频算法设计的数字接收机具有结构简单、实时性好、测频精度高、易于在大规模可编程器件中实现等优点,有很好的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 电子战接收机的发展历程
• 1.2.1 模拟接收机的研究现状
• 1.2.2 宽带数字接收机的研究现状及发展趋势
• 1.3 宽带数字接收机的研究内容
• 1.4 本文的主要工作和章节安排
• 第2章 宽带数字接收机及其相关技术
• 2.1 引言
• 2.2 电子侦察环境及其对宽带数字接收机的性能要求
• 2.3 宽带数字接收机的关键技术概述
• 2.4 带通采样技术
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 带通信号与带通采样
• 2.4.3 带通采样的缺点
• 2.5 数字下变频技术
• 2.5.1 数字下变频原理
• 2.5.2 数字下变频的缺点
• 2.6 宽带数字接收机的实现方案
• 2.6.1 欠采样多通道并行数字接收机结构
• 2.6.2 数字信道化接收机结构
• 2.6.3 引导式数字接收机结构
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于频谱分析的信号频率估计
• 3.1 引言
• 3.2 正弦信号频率估计
• 3.2.1 频率估计的经典方法
• 3.2.2 离散时间序列瞬时频率估计
• 3.2.3 信号频率估计的新进展及瞬时频率估计方法研究展望
• 3.3 基于DFT的频率估计
• 3.3.1 基于单延迟和FFT欠采样的频率估计方法
• 3.3.2 幅度谱累积-比相的频率估计方法
• 3.4 基于多路延迟和高分辨率谱分析的频率估计
• 3.4.1 阵列信号模型
• 3.4.2 多路延迟的数字测频结构模型
• 3.4.3 MUSIC算法对信号频率的估计
• 3.4.4 修正MUSIC算法对信号频率的估计
• 3.4.5 多级维纳滤波技术的MUSIC算法对信号频率的估计
• 3.5 本章小结
• 第4章 数字信道化接收机的理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于多相滤波器组的数字信道化方法
• 4.2.1 数字信道化接收机系统介绍
• 4.2.2 多相滤波器组高效算法的推导
• 4.3 后续精测频
• 4.3.1 直接相位差法
• 4.3.2 瞬时自相关算法
• 4.3.3 曲线拟合法
• 4.3.4 基于三点的线性拟合法
• 4.3.5 过零检测法
• 4.3.6 几种算法的仿真比较
• 4.4 数字信道化瞬时测频算法
• 4.4.1 相位差分频率估计算法
• 4.4.2 加权相位差分频率估计算法
• 4.4.3 仿真实验和性能分析
• 4.5 数字信道化输出的检测
• 4.5.1 时域信号检测
• 4.5.2 小波变换信号检测
• 4.5.3 信道判决
• 4.6 本章小结
• 第5章 数字信道化接收机的硬件实现
• 5.1 引言
• 5.2 宽带数字接收机设计方案
• 5.2.1 宽开式数字信道化接收机
• 5.2.2 引导式数字信道化接收机
• 5.3 数字信道化瞬时测频接收机的FPGA实现
• 5.3.1 系统结构
• 5.3.2 A/D和FPGA的接口
• 5.3.3 FIR滤波器
• 5.3.4 FPGA实现多相滤波器
• 5.3.5 溢出和符号位扩展
• 5.3.6 FFT
• 5.3.7 协调旋转数字计算机（CORDIC）算法
• 5.3.8 检测与测频
• 5.3.9 原理样机测试结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录