基于多相滤波器的数字化信道接收机仿真设计

资 源 简 介

本项目完整实现了一套基于多相滤波器组结构的数字化信道接收机仿真系统。数字化信道化接收技术是电子战、宽带频谱监测以及高带宽通信系统中不可或缺的关键技术，其核心任务是在宽带输入信号中通过并行处理方式同时提取多个窄带信道信号。该源码利用高效的多相分解技术，将传统的低通原型滤波器拆分为多个并行的子滤波器分支，结合快速傅里叶变换（FFT）实现信道的高效划分与解调，从而避免了传统并行的数字下变频结构中巨大的运算开销。 这种方法极大地降低了系统的计算复杂度和硬件资源占用，使得在FPGA或DSP等硬件平台上实时处理超宽带

详 情 说 明

基于MATLAB的多相滤波数字化信道接收机仿真设计

项目介绍

本项目实现了一套完整的基于多相滤波器组结构的数字化信道接收机仿真系统。该技术是现代电子战、宽带频谱监测及通信系统中处理超宽带信号的核心手段。其主要任务是在极高的采样率下，利用多相分解技术将宽带信号并行化，通过低阶子滤波器的组合与快速傅里叶变换（FFT）实现信道的精确划分与高效下变频。

与传统的并行数字下变频（DDC）结构相比，多相结构通过共用一套原型滤波器并利用FFT的计算优势，极大地降低了乘法器和加法器的资源消耗，使得在FPGA或DSP等硬件平台上实时处理GHz量级的带宽成为了可能。

功能特性

1. 高效的多相化处理结构：实现了临界抽取的信道化结构，将原型滤波器分解为M个支路，实现了计算开销的最小化。
2. 复杂信号环境模拟：支持生成包含单频连续波（CW）、线性调频信号（LFM）和二进制相移键控信号（BPSK）的混合宽带信号。
3. 原型滤波器精准设计：基于Hamming窗设计的低通原型滤波器，确保了支路滤波的高信噪比与低带外抑制。
4. 全维度结果可视化：提供从输入频谱、滤波器特性到输出时域波形、能量分布及三维瀑布图的全方位显示，直观验证算法性能。
5. 参数化配置：支持自由调整采样率、信道数量、滤波器阶数以及信号能量等参数。

系统要求

• 运行环境：MATLAB 2018b 或更高版本。
• 必备工具箱：Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）。

算法实现逻辑与关键步骤

1. 信号源构建 系统首先模拟产生一个2GHz采样率下的复解析信号。该信号由三个具有代表性的分量组成：

• 单频连续波 (CW)：位于125MHz，用于验证系统的频率定位准度。
• 线性调频信号 (LFM)：在450MHz至550MHz之间扫频，测试系统对非平稳信号的捕获能力。
• BPSK信号：中心频率1GHz，码速率50MHz，模拟实际通信信号在信道中的传输。
• 复杂噪声：加入复高斯白噪声以模拟真实的电磁环境。

2. 原型滤波器设计 根据信道数量 $M$，系统自动计算截止频率 $Fc = Fs / (2M)$，并使用 fir1 函数生成一个高阶 FIR 低通滤波器。该滤波器作为多相组的母版，其频率响应直接决定了信道间的隔离度和通带平坦度。

3. 多相分解与支路过滤 这是系统的核心数学逻辑。程序将原型滤波器序列 $h(n)$ 重新排列为 $M times (N/M)$ 的多相矩阵。同时，输入信号序列被重写为 $M$ 行的数据块。具体逻辑如下：

• 数据分配：模拟延时链的效果，将输入序列按模 $M$ 分配到不同的支路。
• 子滤波器卷积：每一路输入信号与其对应的子滤波器分支进行卷积运算。由于这是在抽取后进行的计算，运算速率降低为原采样率的 $1/M$。

4. FFT 变换与信道合成 在各支路滤波完成后，对每一时刻跨支路的 $M$ 个输出样点执行点数为 $M$ 的快速傅里叶变换。FFT 的作用在于完成各子信道信号的频谱平移与相位对齐，使得每个信道的数据都被等效下变频至基带并输出。

5. 性能监测与数据分析 程序通过以下方式验证输出：

• 计算各信道的能量和（功率谱分析），识别出信号存在的信道。
• 通过时域波形恢复（实部/虚部），检查信号解调后的包络完整性。
• 绘制三维时频分析图，清晰展现不同信号在时间和频率维度上的分布。

关键函数与算法说明

• 多相重塑 (Reshape)：利用 reshape 函数将一维的滤波器和信号序列高效地转换为并行结构，替代了硬件中的换向开关。
• LFM 生成算法：内置辅助函数，通过计算瞬时相位累加实现频率随时间线性变化的解析信号。
• FFT 信道化映射：核心矩阵运算通过 FFT 实现了 $M$ 个 DDC 的并行转换，每个 FFT 的输出端口对应一个固定的频率槽位。
• 周期图法频谱估算：使用 periodogram 函数对原始宽带信号进行功率谱密度分析，展示滤波前的全谱全貌。

总结

该项目完整演示了数字化信道化接收机的全过程。通过多相分解，系统成功地将一个 2000MHz 的超宽带信号拆分为 16 个带宽为 125MHz 的窄带信道。仿真结果证明，无论是定频信号还是扫频信号，均能被对应索引的信道准确捕获并提取。此模型为后续在 FPGA 上实现高效信道化接收机提供了准确的浮点参考模型。