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本书旨在研究调制滤波器组技术，探索调制滤波器组优化设计方法在数字接收机中的应用。将数字滤波器组重构技术、频率响应屏蔽技术、快速滤波器组技术等进行有机融合，针对电子侦察、通信领域的数字接收机应用进行具体的系统设计，为数字接收机性能提升提供新思路和解决方案。本书分为7章：第1章对数字接收机进行了整体概述；第2～4章围绕调制滤波器组理论和优化设计方法进行介绍；第5～7 章为调制滤波器组技术在电子侦察、通信、阵列信号处理领域的应用研究。本书兼顾调制滤波器组理论和数字接收机应用，适合高等院校电子信息、通信工程相关专业高年级本科生及研究生使用，也可供相关研究人员、工程技术人员参考使用。

第1章  数字接收机概述	1
1.1  引言	1
1.2  数字接收机的发展与应用	1
1.2.1  数字接收机在通信领域的应用	2
1.2.2  数字接收机在电子战领域的应用	3
1.3  数字接收机的基本构架	5
1.3.1  射频直接采样结构的数字接收机	5
1.3.2  中频采样结构的数字接收机	7
1.3.3  零中频采样结构的数字接收机	8
1.3.4  窄带数字接收机与宽带数字接收机	9
1.4  数字接收机的核心处理器	10
1.4.1  高速模/数转换器	10
1.4.2  ASIC处理器	11
1.4.3  FPGA处理器	12
1.5  调制滤波器组技术	13
1.5.1  数字正交变换	13
1.5.2  多相滤波器组	14
1.5.3  重构滤波器组	16
1.5.4  快速滤波器组	17
1.5.5  频率响应屏蔽方法	18
1.6  本章小结	20
本章参考文献	20
第2章  数字滤波器组理论与设计方法	24
2.1  引言	24
2.2  数字滤波器组基本理论	25
2.2.1  信号采样理论	25
2.2.2  信号的抽取与插值	27
2.2.3  采样率变换性质	29
2.2.4  滤波器组多相分解	30
2.3  调制滤波器组技术	32
2.3.1  调制滤波器组频带划分方式	32
2.3.2  滤波器组与信道化	34
2.3.3  临界抽取与非临界抽取	35
2.3.4  调制滤波器组混叠与盲区	36
2.4  调制滤波器组结构种类及设计方法	37
2.4.1  实信号调制滤波器组结构设计	38
2.4.2  复信号调制滤波器组结构设计	42
2.4.3  实信号无混叠无盲区滤波器组结构设计	45
2.4.4  调制滤波器组结构应用与仿真分析	47
2.5  基于多相滤波器组的信号完美重构技术	49
2.5.1  信号完美重构理论	50
2.5.2  信号精确重构条件	50
2.5.3  基于多相结构的完美重构滤波器组	52
2.5.4  信号完美重构滤波器组结构仿真分析	54
2.6  快速滤波器组技术	56
2.6.1  快速滤波器组基本结构	56
2.6.2  快速滤波器组复杂度分析	60
2.6.3  快速滤波器组结构仿真	62
2.7  本章小结	65
本章参考文献	65
第3章  基于频率响应屏蔽的滤波器设计方法	67
3.1  引言	67
3.2  滤波器组复杂度定义	67
3.3  频率响应屏蔽技术	68
3.3.1  FRM滤波器基本结构	68
3.3.2  内插FRM滤波器	70
3.3.3  FRM滤波器改进结构	72
3.3.4  二阶FRM滤波器结构	73
3.4  窄过渡带FRM滤波器类型	74
3.4.1  窄通带窄过渡带FRM滤波器	74
3.4.2  宽通带窄过渡带FRM滤波器	75
3.4.3  中通带窄过渡带FRM滤波器	77
3.5  窄过渡带FRM滤波器仿真	77
3.5.1  窄通带窄过渡带FRM滤波器仿真	77
3.5.2  宽通带窄过渡带FRM滤波器仿真	78
3.5.3  中通带窄过渡带FRM滤波器仿真	79
3.6  本章小结	80
本章参考文献	80
第4章  低复杂度调制滤波器组结构	82
4.1  引言	82
4.2  基于改进动态旋转因子的滤波器组无乘法器设计方法	82
4.2.1  动态旋转因子算法及改进	83
4.2.2  传统截位与动态截位	84
4.2.3  无乘法器定点IFFT设计与仿真	85
4.2.4  基于FPGA的无乘法器定点IFFT实现	86
4.3  基于CEM-FRM低复杂度分析滤波器组结构	88
4.3.1  基于CEM-FRM技术原理	88
4.3.2  基于CEM-FRM低复杂度分析滤波器组结构设计	92
4.3.3  基于CEM-FRM低复杂度分析滤波器组结构复杂度分析	93
4.3.4  基于CEM-FRM低复杂度分析滤波器组结构仿真	95
4.3.5  基于XSG的FRM分析滤波器组实现	97
4.4  基于MMF-FRM低复杂度滤波器组结构	100
4.4.1  MMF-FRM方法	100
4.4.2  MMF-FRM滤波器纹波特性	103
4.4.3  基于MMF-FRM的滤波器组结构推导	105
4.4.4  基于MMF-FRM的多相分支屏蔽滤波器	108
4.4.5  基于MMF-FRM滤波器组结构复杂度分析	109
4.4.6  基于MMF-FRM的滤波器组结构仿真分析	110
4.5  基于CEM-FRM的动态综合滤波器组结构	115
4.5.1  基于CEM-FRM低复杂度综合滤波器组结构设计	116
4.5.2  基于CEM-FRM低复杂度综合滤波器组结构复杂度分析	119
4.5.3  基于CEM-FRM低复杂度综合滤波器组结构仿真	121
4.5.4  基于XSG的低复杂度CEM-FRM综合滤波器组实现	125
4.6  基于CFM-FRM的多尺度可配置滤波器组结构	128
4.6.1  FRM滤波器组多相分解分析	128
4.6.2  CFM-FRM方法	130
4.6.3  基于CFM-FRM的多相DFT滤波器组	133
4.6.4  多尺度可配置滤波器组实现方法	139
4.6.5  多尺度可配置滤波器组仿真验证与分析	141
4.6.6  多尺度可配置滤波器组硬件仿真	145
4.7  基于蜂群算法优化的FRM滤波器组优化设计	146
4.7.1  理论推导	146
4.7.2  人工蜂群算法	150
4.7.3  算法在FRM滤波器组优化设计的应用	153
4.7.4  基于ABC算法优化的FRM滤波器组结构仿真	155
4.7.5  基于XSG的ABC算法优化的低复杂度FRM滤波器组
实现	158
4.8  本章小结	164
本章参考文献	164
第5章  调制滤波器组在电子侦察接收机中的应用	167
5.1  引言	167
5.2  电子侦察接收机需求与特性	167
5.2.1  电子侦察接收机功能	167
5.2.2  电子侦察接收机技术指标	169
5.3  电子侦察接收机结构类型	171
5.3.1  瞬时测频接收机	171
5.3.2  数字信道化接收机	172
5.4  基于调制滤波器组的数字信道化接收机	174
5.4.1  瞬时带宽选择	174
5.4.2  信号采样率选择	175
5.4.3  接收机动态范围	175
5.4.4  子信道数与灵敏度关系	176
5.5  基于FPGA的电子侦察信道化接收机设计与实现	177
5.5.1  高速数据率转换设计与实现	179
5.5.2  多相滤波器组模块设计与实现	180
5.5.3  并行FFT模块设计与实现	182
5.5.4  信号幅度和相位提取模块设计与实现	182
5.5.5  瞬时测频功能模块设计与实现	184
5.6  数字信道化接收机性能测试与分析	184
5.6.1  信号包络与瞬时相位提取测试	185
5.6.2  信道化接收机灵敏度与动态范围测试与分析	187
5.6.3  多信号信道化测试	188
5.6.4  瞬时测频性能测试与分析	189
5.7  本章小结	190
本章参考文献	190
第6章  调制滤波器组在通信接收机中的应用	192
6.1  引言	192
6.2  多载波调制技术应用	193
6.2.1  OFDM调制技术	193
6.2.2  FMT调制技术	195
6.3  多载波通信接收机结构	197
6.3.1  信道子带划分方式	197
6.3.2  滤波器组多载波通信系统模型	197
6.3.3  基于调制滤波器组的OFDM结构	198
6.3.4  基于调制滤波器组的FMT结构	200
6.4  滤波器组多载波通信系统结构仿真与分析	203
6.4.1  基于调制滤波器组的OFDM结构仿真	203
6.4.2  基于调制滤波器组的FMT结构仿真	204
6.5  星载通信接收机中的信道化技术应用	207
6.5.1  星载通信中数字信道化特点	207
6.5.2  星载通信中信道化基本结构	209
6.6  基于调制滤波器组的星载信道化器	210
6.6.1  非均匀星载信道化器	210
6.6.2  子信道分解与综合	211
6.6.3  基于多相滤波的星载信道化器结构	213
6.6.4  星载信道化器低复杂度解决方法	214
6.6.5  星载信道化器结构仿真与分析	217
6.7  本章小结	221
本章参考文献	222
第7章  多通道数字信道化技术在阵列信号处理中的应用	224
7.1  引言	224
7.2  阵列信号处理应用需求	225
7.2.1  多通道信道化处理	225
7.2.2  信号I/Q提取与测频	226
7.2.3  脉冲宽度和到达时间测量	232
7.2.4  到达角测量	233
7.3  阵列信号处理平台核心构架	233
7.3.1  早期阵列信号处理平台构架	233
7.3.2  现代阵列信号处理平台构架	235
7.4  多通道阵列信号处理中的数字信道化器应用	235
7.4.1  通用多通道阵列信号处理硬件平台	235
7.4.2  并行多通道数字信道化器	236
7.4.3  窄过渡带信道化器低复杂度实现方法	237
7.5  多通道数字信道化技术在阵列信号处理中的应用案例	238
7.5.1  阵列信号处理案例需求分析	239
7.5.2  8阵元阵列信号处理软硬件设计方案	239
7.5.3  数字信道化器设计与实现	242
7.5.4  数字信道化器测试分析	249
7.6  本章小结	252
本章参考文献	252

随着数字化、信息化时代的到来，数字接收机作为新一代信息技术中必不可缺的重要设备，被广泛应用于雷达、通信、电子战等领域，是国防军事、先进高效航空器高端装备等国家重大战略需求领域的关键核心技术。本书围绕新一代信息技术在先进高效航空器高端装备中的应用需求，以国防军事和国家重大战略需求为目标导向，探索研究调制滤波器组理论在工程应用中的关键科学问题，阐释调制滤波器组理论和数字接收机应用之间的关联性和规律性，解决工程应用中的“卡脖子”问题，为雷达、通信、电子战等领域数字接收机性能提升提供新的思路。本书在阐述雷达、通信、电子战等领域数字接收机应用需求的基础上，提出具有统一化表征的低复杂度动态可重构滤波器组结构模型，揭示了调制滤波器组优化设计约束条件和规律性，为雷达、通信、电子战等领域数字接收机应用提供了新技术途径。本书以工程应用为目标导向，旨在揭示基础理论和工程应用背后规律性的学术思想；内容上以基础理论和生产实践应用为主，为调制滤波器组技术在电子侦察、通信等领域数字接收机应用和工程实现提供了有益参考。
全书共7章。第1章为数字接收机概述，从数字接收机典型应用出发，介绍了数字接收机的基本架构，并引出调制滤波器组技术在数字接收机中的应用。第2章主要介绍了数字滤波器组理论与设计方法，包括调制滤波器组、多相滤波器组、信号完美重构滤波器组、快速滤波器组等。第3章主要介绍了基于频率响应屏蔽的滤波器设计方法，对内插、一阶、二阶频率响应屏蔽滤波器设计方法进行了详细阐述，并给出了几种窄过渡带频率响应屏蔽滤波器的应用。第4章主要对调制滤波器组结构的低复杂度设计进行了详细阐述，包括CEM-FRM、MMF-FRM、CFM-FRM及蜂群优化无乘法器设计方法。第5章对调制滤波器组技术在电子侦察接收机中的应用进行阐述，分析了电子侦察接收机应用需求和技术指标，给出了调制滤波器组FPGA实现实例及测试方法。第6章主要介绍了调制滤波器组在通信接收机中的应用，以多载波通信、星载信道化器设计与应用为例，分析了调制滤波器组结构设计特点及应用需求。第7章阐述了多通道数字信道化技术在阵列信号处理中的应用，分析了现代阵列信号处理应用需求和处理器架构，给出了调制滤波器组设计与FPGA实现实例，为数字接收机性能提升提供了新的思路。
本书适合高等院校电子信息、通信工程类专业高年级本科生及研究生使用，也可供相关研究人员、工程技术人员参考使用。
本书第3章、第4章、第5章、第7章由张文旭编写，第1章、第2章由赵忠凯编写，第6章由郭立民编写。许多研究生对本书的撰写做出了有益贡献，感谢崔鑫磊博士、赵小琪博士、吴振南博士、骆康博士、陈亚静硕士、史方明硕士、赵文童硕士、袁兵华硕士、何俊希硕士、张春光硕士、姚雨双硕士、张铭昊硕士等为本书算法提供的程序仿真和实验工作。
本书的研究工作得到了国家自然科学基金（No.61301200、No. 62471154）、黑龙江省自然科学基金（No. LH2020F020、No. LH2024F033）、山东省自然科学基金（No. ZR2024MF114）、黑龙江省博士后科研启动金（No. LBH-Q16052）、黑龙江省优秀青年教师基本研究支持计划（No. YQJH2023279）、航空科学基金（No.202200200P6002）及中央高校基本科研业务费专项基金（No.3072024GH0801、No.3072024XX0809）的资助，在此表示感谢。感谢中国航空工业集团电磁频谱协同探测与智能认知联合技术中心、哈尔滨工程大学现代船舶通信与信息技术工业和信息化部重点实验室、哈尔滨工程大学雷达与电子战（REW）团队的支持。
本书在编写过程中参阅的国内外文献和书籍均列于各章参考文献中，在此向作者表示衷心的感谢！感谢电子工业出版社为本书的出版提供的大力支持。
限于作者的知识水平和时间，书中难免有不妥和疏漏之处，恳请读者批评指正。

张文旭     
2024年12月

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调制滤波器组技术及其在数字接收机中的应用