直接数字中频正交采样实现

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直接中频采样数字正交输出的最小二乘实现

直接中频采样数字正交输出的最小二乘实现
杜永强
【期刊名称】《系统工程与电子技术》
【年(卷),期】2000(022)009
【摘要】提出了数字正交接收机中正交(I,Q)通道恢复的最小二乘实现方法,详细分析了该方法的性能.针对现代雷达中的几种典型信号进行了仿真计算.结果表明,适当选取系统参数可使正交输出的镜像功率(IP)低于-60dB,满足现代雷达相参信号处理的要求.
【总页数】4页(P8-10,89)
【作者】杜永强
【作者单位】南京船舶雷达研究所,210003
【正文语种】中文
【中图分类】TN957.51
【相关文献】
1.直接中频正交采样的Bessel内插实现 [J], 朱荣新;方姚生;杨志敏
2.直接中频采样实现正交相干检波的研究 [J], 王吉滨;孟宪德;冀振元
3.直接中频采样的最小二乘实现 [J], 杜永强
4.二次雷达数字接收机的中频带通采样和数字正交解调及其实现 [J], 罗丽;黄勇
5.雷达中频信号直接采样与正交相干检波的设计与实现 [J], 察豪;刘冬利
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基于FPGA的数字正交混频变换算法的实现,数字正交,实时处理.

基于FPGA的数字正交混频变换算法的实现，数字正交，实时处理，多相滤波，FPGA0引言传统的正交下变频是通过对模拟I、Q输出直接采样数字化来实现的，由于I、Q两路模拟乘法器、低通模拟器本身的不一致性、不稳定性，使I、Q通道很难达到一致，并且零漂比较大，长期稳定性不好，不能满足高性能电子战设备的要求。

为此，人们提出了对中频信号直接采样，经过混频来实现正交数字下变频的方案，这种下变频的方法可以实现很高精度的正交混频，能满足高镜频抑制的要求。

采用可编程器件FPGA对该算法流程进行实现，能满足0 引言传统的正交下变频是通过对模拟I、Q输出直接采样数字化来实现的，由于I、Q两路模拟乘法器、低通模拟器本身的不一致性、不稳定性，使I、Q通道很难达到一致，并且零漂比较大，长期稳定性不好，不能满足高性能电子战设备的要求。

采用可编程器件FPGA对该算法流程进行实现，能满足在高采样率下的信号时实处理要求，在电子战领域中有着重要的意义。

1 数字正交混频变换原理所谓数字正交混频变换实际上就是先对模拟信号x(t)通过A／D采样数宁化后形成数字化序列x(n)，然后与2个正交本振序列cos(ω0n)和sin(ω0n)相乘，再通过数字低通滤波来实现，如图1所示。

为了能够详细地阐述该算法的FPGA实现流程，本文将用一个具体的设计实例，给出2种不同的实现方法(不同的FPGA内部模块结构)，比较其优劣，最后给出结论。

该设计是对输入信号为中频70 MHz，带宽20 MHz的线性调频信号做数字正交混频变换，本振频率为70 MHz(即图1中的2个本振序列分别为cos(2π70Mn)和sin(2π70Mn))，将其中频搬移到0 MHz，分成实部(real)和虚部(imag)2路信号。

然后对该2路信号做低通滤波，最后分别做1／8抽取输出。

数字正交采样和脉压的高效算法及实现_苏涛

数字正交采样和脉压的高效算法及实现苏　涛　强生斌　吴顺君(西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室　西安710071)【摘要】　在高数据采样率,特别是大时宽带宽积条件下,时域的数字正交采样和脉冲压缩包含大量的乘加运算。

用一种新算法在频域实现数字正交采样和脉压可显著降低运算量,并在保证性能不损失的前提下,优化算法,进一步减少运算量,并采用通用并行D SP完成系统的硬件设计。

【关键词】　数字正交采样,频域处理,并行通用DSPAn Efficient Alg orithm Realizing the Quadrature Sam pling andPulse Co mpressio nSU Tao　QIANG Sheng-bin　W U Shun-jun(Key La b fo r Radar Sig nal Processing,Xidia n Univ ersity　Xi′an710071)【Abstract】　T he co mputa tio n burden o f the quadratur e sampling and pulse compressio n is huge w hen the data ra te is hig h and the time-bandwidth pr oduct is no t small.Her e a frequency do main pro cessing algo rithm is sug g ested,its perfo rma nce and co mputa tio n r equirement is ana ly zed.After the o ptimization,this me tho d is applied using multi-DS P para llel pr ocessing technolog y.【Key words】　qua dratur e sampling,frequency do main processing,parallel DSP1　引言现代雷达广泛采用数字正交采样和脉冲压缩两种技术。

直接数字中频正交采样

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National Lab of Radar Signal Processing
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Xidian University
§2.1 信号采样理论带通信号采样定理说明：
带通采样的结果:[nB,(n+1)B]＝>[0,B]
n为奇数，频谱反折； n为偶数，频谱平移；
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National Lab of Radar Signal Processing
低通信号采样定理（Nyquist采样定理）：
一个频带限制在（0，fH）内的时间连续信号 x(t)，如果以 fs ( fs ≥2 fH ) 的采样频率对其进行等间隔采样，则x(t)将由得到的采样值完全确定。低通信号采样定理说明：
采样前加抗混叠模拟低通滤波器； 2 fH －Nyquist采样频率
过采样－ fs >2 fH 欠采样－ fs <2 fH
Xid号的原因：
•复信号可以用极坐标表示： z (t ) = a (t ) ⋅ e
jϕ ( t )
则解析信号可很容易获得信号的三个特征参数
a(t ) = Re 2 [ z (t )] + Im 2 [ z (t )] = x 2 (t ) + H 2 [ x(t )] 瞬时包络：
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National Lab of Radar Signal Processing
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Xidian University
正交采样的实现方法
直接中频采样＋数字正交相干检波
x(n) BPF
(f0, B)
x(t)
A/D fs
数字处理
xI(n) xQ(n)
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National Lab of Radar Signal Processing

某型PD雷达直接中频正交采样的研究

ｄｅｍｏｎｔａｅｈｒｇｈｔｅａｔａｒｍｅｅｎｔｅＰＤａａ．ｓｒｔｄｔｏｕｈｃｕｌｐａａｔｒｉｈｒｄｒ
Ｋｅｏｄ：ＤｒｄｒｑａｒｔｒａｌｇｑａｒｔｒｔｒｏａｉｍｉｏｅｕｎｙｒｊｃｉｎｙｗｒｓＰａａ，ｕｄａｕｅｓｍｐｉ，ｕｄａｕｅｉｅｐｌｔｎ，ｒｒｆｑｅｃｅｔｎｎｏｒｒｅｏ
Ｖｏ．３Ｎｏ３１５，．
Ｍａ．１ｒ２００
火力与指挥控制
ＦｉｅＣｏｔｏｒｎｒｌ＆ＣｏｍｍａｄＣｏｔｏｎｎｒｌ
第３５卷第３期２１００年３月
文章编号：０２０４（０００ — １４０１０— ６０２１）３０１ —３
（ｒＦｒｅＲａａａｅＡｉｏｃｄｒＡｃｄｍｙ，ｕａ３０９Ｃｈｎ）Ｗｈｎ４０１ｉａ
ＡｂｔａｔＱｕｄａｕｅｄｕｌｈｎｅｓｓｍｐｉｇｕｉｇａａｏｉｃｉｓｈｓｗｉｅｙｂｅｓｄｉＤｓｒｃ：ａｒｔｒｏｂｅｃａｎｌａｌｓｎｎｌｇｃｒｕｔａｄｌｅｎｕｅｎＰｎ
ｒｄｒｕｔｓｄｆｉｕｔｔｂａｎｐｒｅｔｂｌｎｅＷｈｎｔｅｅｈｉｎｌａａ，ｂｔｉｉｉｃｌｏｏｔｉｅｆｃａａｃ．ｆｅｈｃｏｓｇａｏｅｄｐｌｒｆｅｕｎｙｉｎｔｅｏｗｈｓｏｐｅｒｑｅｃｓｏｒｚｐｓｅｈｕｄａｕｅｄｕｌｈｎｅｓｗｉｈｕｂｌｎｅｍｐｉｕｅｎｂｋｔｅｉｆｅｃｏｓｓｅａｓｄｔｅｑａｒｔｒｏｂｅｃａｎｌｔｎａａｃｄａｌｄａｄｐｅ，ｈｎｌｎｅｔｙｔｍｔｓｕｉｒｖｍｅｔｆｃｏｉｈｒｓｌｓｆｏｔｅｍｉｒｒｆｅｕｎｙｉａａｙｅｎｉｌｔｄＢｓｎｉｅｔＩｍｐｏｅｎａｔｒｗｈｃｅｕｔｒｍｈｒｏｒｑｅｃｓｎｌｓｄａｄｓｍｕａｅ．ｙｕｉｇｄｒｃＦｓｇａｑａｒｔｒｓｍｐｉｇｉｎｌｕｄａｕｅａｌｍｅｈｄ，ｔｅｙｔｍｄｔｃｉｎｅｆｒｎｅｓｒｍｏｅａｄｈｓｓｌｏｎｔｏｈｓｓｅｅｅｔｐｒｏｍａｃｉｐｏｔｄｎｔｉｏｉａｓ

数字方法中频信号相干检波实现

数字方法中频信号相干检波实现中航雷达与电子设备研究院陈斌陈文俊[摘要]本文阐述了雷达中频信号相干检波的原理，根据该原理使用FPGA对特定的雷达中频信号进行采样来实现正交数字相干检波，设计所使用软件是Mentor Graphics的FPGA Advantage，完成了从计算机仿真到硬件实现全过程并且获得了较高的性能，目前已投入实际应用中。

一、引言现代雷达大多采用全相参体制，因而相参信号处理是现代雷达中不可缺少的一部分。

传统的正交I﹑Q通道检波器处理如图1所示，雷达接收到的中频信号分别用正交的两路相参信号混频，然后通过低通滤波器，得到I﹑Q两路基带信号，并用两路A/D变换器转换成数字信号送出。

图1 传统正交相干解调处理框图在雷达接收系统中，I﹑Q两个通道间的幅度不一致性以及相位正交误差是影响系统性能的重要因素。

模拟相干检波由于使用模拟乘法器﹑低通滤波器，器件本身存在不一致性﹑不稳定性，使I﹑Q两路通道存在较大的误差，所造成的镜频虚假信号电平很难低于-30dB，幅度误差一般只能达到0.5dB，而相位误差高达°3。

这极大限制了系统性能的提高，如导致雷达副瓣较高，对高性能的信号处理（如数字波束形成）已远远不能满足要求。

为了克服I﹑Q支路的幅相不平衡，可以用一路A/D变换器直接对中频带限信号进行采样，经数字处理产生零中频数字信号。

采用数字技术进行检波，I ﹑Q 两路信号的一致性好，精度高，但受A/D 芯片性能和后续数字信号处理能力的限制，目前提出的实现方法均要先将雷达中频信号下变频到一个便于处理的低中频，通过抗混迭滤波器限制带宽后送给A/D 变换电路进行数字化，由于前端预处理仍采用模拟乘法器和滤波器，其零点漂移和插入损耗对系统的性能仍会有一定的影响。

随着电子技术的高速发展，目前的器件水平和信号处理能力已经完全可以直接将雷达中频信号进行数字化，从而方便灵活的进行后端的信号处理。

二、基本原理雷达中频信号相干检波数字实现的原理为：根据窄带信号抽样定理选定f S =)12/(40−M f （M 为正整数），且（f S ≥2B ）。

中频正交采样原理及其实现

多相滤波法仿真
30.1M正弦信号， 40M采样
-64dB
3、插值法
设A/D变换输入的窄带中频信号为：
式中：A(t) 为幅度，假设采样频率
为中频，
为初相，为回波脉冲宽度。
以此采样率对窄带中频信号采样，则第N个采样点离散形式为：
式中，
为采样间隔。将
代入上式得到：
式中：K＝0、1、2……M。
结论：中频信号经过采样后，可交替得到复包络的同相和正交分量，时间相差一个周期
➢数字方法
直接中频采样＋数字正交相干检波
x(t) BPF
A/D
后续数字处理
fs
➢实现方法
低通滤波法多相滤波法 Bessel插值法
xI(n) xQ(n)
带通采样定理
设一个频率带限信号x(t)，其频带限制在果其采样速率满足：
内，如
n取能满足
的最大正整数（0,1,2,……)，则用
进行等间隔采样所得到的信号采样值能准确地确定原始信
➢准确的解析表示主要用于数学分析，实际中要得到它是非常困难的．这是因为实现理想Hilbert变换的阶跃滤波器是难以真正实现的，而相比之下，得到基带信号(零中频信号)就要容易得多，其实现方法如图下所示，图中的LPF为低通滤波器。
➢模拟方法实现正交变换的缺点：
需要产生正交的两个本振信号cos(w0t)和 sin(w0t)。当这两个本振信号不正交时，就会产生虚假信号。为使虚假信号尽可能地小(虚假抑制足够大)，就必须对上述两个正交本振的正交性提出很高的要求
只取正频部分得到一个新信号z(t)．[由于z(t)只含正频分量，故z(t)不是实信号，而是复信号]，z(t)的频谱Z(f) 可表示为：

接收机直接中频采样的方法与实现

ＣＨＥＮＤａｎ，ＨＵＡＮＧＧｅｎｕａ－ｑｎ
（．ＣｌｇｆＡｕｏｔｎａｄＩｆｒｔｎＥｇｎｅｉｇ，ＸｉａｉｅｓｔｆＴｃｎｌｇ，Ｘｉａ０８，Ｃｉａ１ｏｌｅｏｔｍａｉｎｎｏｍａｉｎｉｅｒｅｏｏｎ ’ｎＵｎｖｒｉｏｅｈｏｏｙｙ ’ｎ７０４１ｈｎ；
２ｉａｌｃｒｎｃＥｎｉｅｒｇＲｅｅｒｈＩｓｉｔ，Ｘｉａ０，Ｃｈｎ）．Ｘ ’ｎＥｅｔｉｏｇｎｅｉｓａｃｎｔｕｅｎｔ ’ｎ７０１１０ｉａ
【ｓｒｃ】Ｔｅｔｄｔｎｌｍｔｏｆｐｃｓｎｎｅｅｉｅｆｑｅｃｉａｓｉｆｔａａｙｅ．ｈｎｂｓｄｏｈＡｂｔａｔｈｒｉｏａｅｄｏｒｅｓｇｉｒｄａ —ｒｕｎｙｓｎｌｓｉｎｌｄＴｅａｅｎｔｅａｉｈｏｉｔｍｔｅｇｒｓｚ
陈丹，黄根全
（．西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安７０４；１１０８
２．西安电子工程研究所，陕西西安７００１１０）
【分析，窄带信号采样定理的基础上得出了利用现有的高速数字器件可以实在
ｎｒｂｎｉａｓｍｌｇｔｅｒ，ｅｉｓｏｔｃｕｅｈｃａｅｎｅｉｅｉｐｅｉｔｌｃｍｏｅｔａｍｗａｄｓｎｌａｐｉｈｏｙａｆｋｎｆｓｕｔｒｓｗｉｂｓｄｏｘｓｈｇｓｅｄｄｇａｏｐｎｎｓｇｎｗｄｒｈｔｄｈｉ

CH2雷达信号中频正交采样技术123

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Modern Radar Signal Processing
Key Lab.for Radar Signal Processing
§2.3 采样率转换技术
1.整数倍抽取：
xD(m)＝x(mD) x(n) X(t):---D=2的抽取 xD(m) n
m
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Modern Radar Signal Processing
Key Lab.for Radar Signal Processing
§2.3 采样率转换技术
2.整数倍内插：实现框图
XI (ejω)
X(e )
jω
↑I
HLP(e )
低通滤波器截止频率为π/I
jω
XI (e )
'
jω
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Modern Radar Signal Processing
Key Lab.for Radar Signal Processing
§2.3 采样率转换技术
2.整数倍内插：频谱图
(a)原始谱
X ( e jω )
-2π
-π
0
π
2π
ω
(b)滤波前
X I (e j ω )
X I (e jω ) = X (e jω I )
π 2π ω
-2π
-π
0Leabharlann (c)滤波后X I (e j ω )
-2π
-π
0
π
2π
ω
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Modern Radar Signal Processing
ω
H (e
jω
)
-π/D
'
π/D
ω
X ( e jω )

基于多相滤波原理的数字正交采样技术

基于多相滤波原理的数字正交采样技术作者：罗星华苏涛来源：《现代电子技术》2008年第03期摘要：针对传统正交采样方法存在运算数据量大，镜频抑制比小及硬件实现资源消耗大等方面的不足，分析了一种基于多相滤波结构的数字正交采样方法。

首先对多相滤波法实现数字正交变换的原理进行了分析，然后根据多速率信号处理理论推导并给出了基于多相滤波结构的子滤波器的实现方法，最后，通过仿真验证了该方法的有效性。

实验结果表明该方法较之传统的低通滤波法有很大的优越性。

关键词：中频采样；正交采样；多相滤波；镜频抑制比中图分类号：TN911.7 文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)0302704Digital Quadrature Sampling Techniques Based on Polyphase FilteringLUO Xinghua,SU Tao(National Key Lab of Radar Signal Processing,Xidian University,Xi′an,710071,China)Abstract：In view of the deficiency of the traditional quadrature sampling such as greater data stream,smaller image frequency ratio and vaster cost of resources,a new method based on polyphase filter is given in this paper.First,it gives an analysis of the principle of digital quadrature transformation based on polyphase filtering,then presents the method to implement branch filters based on the structure of polyphase filter according to the theory of multirate signalprocessing.Finally,a simulation by Matlab demonstrates the validity of this means，and results of the experiment also show its superiority over the traditional method.Keywords：IF sampling;quadrature sampling;polyphase filtering;image frequency ratio1 引言在信号处理领域，对接收到的信号进行正交采样，可保留信号的幅度和相位信息，因而得到了广泛应用。

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ity
4阶插值改进：
Q5
Q1 I2 Q3 I4 Q5 I6 Q7 I8
+ ×8 +
+ -
ˆ I5
1 16
ˆ 1 8I I I I I I I5 4 6 4 6 2 8 16
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National Lab of Radar Signal Processing
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Xidian University
§3.2 正交采样的实现方法

数字方法: 直接中频采样＋数字正交相干检波
x(t) x(n) BPF
(f0, B)
A/D fs
数字处理
xI(n) xQ(n)

实现方法:
低通滤波法 Bessel插值法多相滤波法
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Xidian University
3. 多相滤波法

原理说明
对一路序列做3/4分数延时，
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对另一路序列做1/4分数延时 ——时间对齐 National Lab of Radar Signal Processing
以
采样，可得
x(n) a(nts )cos(2 f0nts (nts ))
2 f 0 n(2M 1) cos( (nt )) a(nt )sin 2 f 0 n(2M 1) sin( (nt )) a(nts ) cos s s s 4 f0 4 f0
a (nts ) cos( (nts )) cos n (2 M 1) a( nts ) sin( ( nt s )) sin n (2 M 1) 2 2 n n I (n) cos( Mn ) Q (n) sin( Mn ) 2 2 (1) n / 2 I (n)，niseven n＋1 M+1 (-1) (1) 2 Q(n)，nisodd
§3.1 数字正交采样的基本原理

带通信号 x t a t cos 0t t xI t cos 0 t xQ t sin 0t
4 f0 fs fs , f s 2 B;其中B为信号带宽，M为整数，ts 1 fs 2M 1
一样;这样两路信号通过低通滤波器时由于非理想滤波所引起的失真是一致的,对Ｉ、Ｑ双路信号的幅度一致性和相位正交性没有影响,从而具有很好的负频谱对消功能,可以达到很高的精度；
处理信号的带宽较宽

缺点：
数据采集时需要较高的采样率，数据输出速率没有降
低；
滤波器阶数相对较高，实现复杂
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常用Bessel插值相应的系数
1+8

4阶：[-1，9，9，-1]/16； 6阶：[3，-25，150，150，-25，3]/256； 8阶：[-5,49,-245,1225,1225,-245,49,-5]/2048; 10阶：[35,- 405,2268,-8820,39690,39690,
-8820,2268,- 405,35]/65536;
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插值处理：Bessel插值法
插值公式工程使用：
1 1 1 1 4阶Bessel插值公式为： Iˆ5 I 4 I 6 I 4 I 6 I 2 I 8 2 8 2 16
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2.插值法
偶延时 (-1)n BPF ADC 抽取 I(n)
IF
奇
fs
-(-1)n
Q(n) 插值抽取
插值函数：辛格函数，Hilbert函数，Bessel插值等
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0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0

VHDL设计

process(d_4d) begin TT(0)<=d_4d XOR data(0); TT(1)<=d_4d XOR data(1); TT(2)<=d_4d XOR data(2); TT(3)<=d_4d XOR data(3); TT(4)<=d_4d XOR data(4); TT(5)<=d_4d XOR data(5); TT(6)<=d_4d XOR data(6); TT(7)<=d_4d XOR data(7); TT(8)<=d_4d XOR data(8); TT(9)<=d_4d XOR data(9); TT(10)<=d_4d XOR data(10); TT(11)<=d_4d XOR data(11); sig<=TT+d_4d; end process;

将A/D采样放在混频之前，采用数字混频与低通滤波，提高了精度与稳定性。 National Lab of Radar Signal Processing
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低通滤波法－－频谱分析
•fs=4 f0/3=2 fs2=4 fs1 , f0=3 fs1
after sampling
H I (e ) e
j j
j
j 3 / 4
，
HQ (e j ) e j / 4
则I和Q输出频谱为
I ( e ) X I (e )e
j 3 / 4
Q(e j ) X Q (e j )e j / 2 e j / 4 X Q (e j )e j 3 / 4
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Xidian University
插值处理：Bessel插值法
n(n为偶数)阶Bessel中点插值公式为：
y0 y1 1 2 y0 2 y1 12 32 4 y1 4 y2 f ( x0 h / 2) 2 4 2 2!2 2 4!2 2 12 32 52 (2n 1) 2 2 n y n 1 2 n y n (1) n 2n (2n)!2 2
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Xidian University 对于时间上“对不齐”的现象，可以采用两路分别用一个延时滤波器来进行校正（相当于分数倍的插值），这两个滤波器的频率响应满足 H q (e j ) j e 2 H I (e j ) H (e j ) H (e j ) 1 I q 例如可选

MATLAB实现：
sa=ss.*kron(ones(1,(N+N1)/4),[1 1 -1 -1]); %符号修正
其处理时序如下：
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FPGA实现

FPGA实现
使输入信号与采样信号的四分频时钟相异或再加一，即可以完成符号的变换 A B 异或值
•注意：由于器件延时等原因，实际输出数据不一定和仿真完全
一致，所以实际调试时最好采集变换后的数据验证一下。
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Bessel插值法仿真
30.1M正弦信号， 40M采样
-100dB
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Xidian University

结论：
可直接由采样值交替得到信号的同相分量I(n)的偶数项和正交分量
Q(n)的奇数项，不过在符号上需要进行修正

Ｉ、Ｑ两路输出信号在时间上相差一个采样周期。
对其进行时域的插值或进行频域的滤波，二者是等效的。
同时过渡带要窄，这样在同样的采样率下，就可以允许
更宽的输入信号。
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滤波器设计优化

由于滤波器的输入数据交替为0，因此可以对滤波
器进行简化，I、Q路的系数分别简化为：
hI (n) h(2n) hQ (n) h(2n 1)
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Xidian University
1. 低通滤波法
cos(2πf0 tn ) LPF x(t) BPF
(f0, B)
↓2
xI(n)
A/D
fs=2B
x(n)
LPF －sin(2πf0 tn ) ↓2 xQ(n)
采样后信号的频谱：
-3fs/4 - fs/2 fs/4
Frequency shift
0 fs/4 fs/2
3fs/4
数字混频后的信号频谱
-3fs/4 - fs/2 fs/4
Results of filter
0 fs/4 fs/2
3fs/4
输出信号的频谱