數字相關器的工作原理是什么呢？

來源：美國布魯克海文儀器公司 2025年05月04日 07:19

　　數字相關器作為軟件無線電的典型應用，在擴頻通信中成為的技術。在傳統的擴頻通信中，采用模擬器件來實現解擴單元，而用本產品可以增加系統的靈活性和穩定性。因此，對數字相關器的研究具有較大的意義。

　　數字相關器采用DSP+FPGA的結構，一方面使設計更加靈活，同時也降低了生產的代價。從通用性上考慮，它采用零中頻的采樣系統。提出接收端如何正確地把信道中的模擬信號通過正確的零中頻采樣及數字相關器后恢復成數字信號。下面給出了數字相關的算法及仿真結果，用DSP+FPGA實現的算法流程圖，最后給出了系統的實測結果。

　　數字相關器的工作原理是什么呢？

　　產品在空間頻率域上計算任意兩路信號之間的互相關運算結果，其形式是一個復數。其中相位部分包含了可見度函數的相位，偏離圖像中心（相位中心）的變化源會在可見度函數的相位上產生相應變化。

　　數字相關器能夠得到天線陣列中每兩個天線接收之間的互相關輸出，從而得到可見度函數在空間頻率域的分布。這種分布通過后端圖像合成處理單元做Fourier變換和“去卷積”處理后便能得到太陽的射電圖像。

　　太陽射電成像的最終目標是在多個頻率上合成太陽射電圖像，我們首先把整個觀測頻率波段分成一系列的頻率平面“切片層”，在數字信號處理中稱為“頻譜通道化”，一般用多相濾波器組或多相FFT來實現。每個頻率通道輸出代表所要觀測的頻率信號。在每個頻率“切片層”上對所有天線的信號進行量化和互相關運算，就得到不同頻率的互相關輸出。

　　數字相關器在每個頻率“平面”上的計算輸出類似一個相關矩陣。早期的數字相關器由于數字電路的性能所限，多采用模擬濾波器組和1-bit相關，模擬通道信號被數字采集后，在相關之前先被量化成“-1”或“+1”2種狀態，這2種狀態可以用1個bit位來編碼，以降低后續相關運算和數據傳輸的壓力。

　　隨著大規模數字集成電路的發展，尤其是高性能現場可編程門陣列（FPGA）芯片的出現，數字信號處理和運算能力有了飛躍式提升，頻譜通道化在數字信號處理單元中實現，與模擬濾波器組相比，更加穩定，性能精度也更好。后續的相關運算也不斷提升精度，2-bit相關、4-bit相關等。如果將頻譜信號傳輸到GPU中做后續處理，還可以實現更高精度的相關運算。

　　太陽射電觀測的特點是：信號變化范圍大（從寧靜到爆發的射電流量可增長數千倍到上萬倍）、變化快（毫秒級）。這要求射電望遠鏡后端的信號處理系統有足夠的動態范圍，并能夠實時處理動態信號變化。數字相關器作為信號處理系統的核心部分，不僅實現了太陽射電信號從模擬域到數字域的轉化，還使快速射電成像從可能變為現實。

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