（电路与系统专业论文）数字变频仿真.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rm s i n2 0 10 u n i v e r s i t yc o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n ti d ：5 10 7 1 2 0 2 0 4 1 弋c h i n an 。m a l u ni v e r s 彳弘 s i m u l a t i o no fd i g i t a lf r e q u e n c yc o n v e r s i o n d e p a r t m e n t ：d e p t o f e l e c t r o n i cs c i e n c e & t e c h n o l o g y m a j o r ：i ! 曼型i ! 坐鱼s y 墨! 星堕 r e s e a r c hf i e l d ： 旦i g i ! 垦! ! m 垒g 曼苎班型! 垒! 里! q 曼曼墨墨i n g m e n t o r ： 墨墨q 鱼i 型曼! q ! 垒墨墨q ! 丝堡丝2 旦丝堡丝星 m a s t e rc a n d i d a t e ：塑丝地鲣丝 m a y , 2 0 1 0 l i i i ii i ii ii i iii i i ii ii ii y 17 4 2 0 3 6 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文豢窑乏勒乏馓 ，是在华东 师范大学攻读砸博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期：沙lo 年堂月万日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 数喀丧躺真 系本人在华东师范大学攻读学位期间在导 师指导下完成的硕老博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范 大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主 管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网送交学位论文的印刷版和电 子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校 将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文 的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文宰， 于 年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名二霉垂虹 本人签名 【a 年s 月巧日 牛“涉密 学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密 委员会审定过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论 文“涉密”审批表方为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学 位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权) 。 何云丕学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 华东师范大学信息科学技术学院 郑正奇教授主席 通信工程系 华东师范大学信息科学技术学院 刘锦高教授 通信工程系 华东师范大学教育科学学院教育 毛敏副教授 信息技术系 华东师范大学硕上学位论文摘要 摘要 软件无线电是以通用的可编程器件或数字信号处理器件构造硬件平台，以软 件定义不同功能的，近年来发展迅速。数字变频技术一直是软件无线电的研究重 点，也是影响软件无线电系统性能的关键部分之一，在软件无线电系统的设计中， 通常需要花费大量的资源和精力对数字上变频和数字下变频部分进行设计。本文 重点研究了软件无线电中的数字变频部分，并在l a b v i e w 中分别对数字上变频 和数字下变频进行仿真，同时结合n i 的高速数字化仪以及高速数据流盘技术， 构建一个数字变频完全在计算机c p u 上运算的实验系统。本文研究的主要内容 包括以下几个方面： 1 ) 在总结软件无线电中数字变频技术的基本结构，技术特点以及研究现状 的基础上，阐述了数字变频技术相关的理论基础，包括信号采样定理，多速率信 号处理以及高效多速率数字滤波器。 2 ) 在掌握数字上变频和数字下变频的基本原理的基础上，对数字变频中涉 及到的多速率滤波器和数字正交混频进行了深入研究，对滤波器的设计进行了详 细的分析，包括c i c 滤波器、半带滤波器以及f i r 滤波器。并通过l a b v i e w 图 形化编程工具实现数字上变频和数字下变频的软件仿真。 3 ) 阐述了基于n i 数据采集的高速数据流盘技术，对高效的数据流盘架构以 及高效的数据流盘程序结构进行了总结和分析，得出实现高速数据流盘不仅仅需 要高速的存储设备，还需要合理的数据流盘架构，更需要高效的程序结构。 4 ) 结合数字变频技术和高速数据流盘技术，分析及解决实验过程中遇到的 问题，并构建一个数字变频在c p u 完成的实验系统，并采用电视信号和声音信 号进行系统性能的分析。 关键字：数字上变频数字下变频数据流盘数据采集l a b v i e w 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s o f t w a r er a d i oi sar e v o l u t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i t sh a r d w a r ep l a t f o r m i sc o n s t r u c t e db yu s i n g g e n e r a l - p u r p o s ep r o g r a m m a b l ed e v i c e so rd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r s ，a n di t s f u n c t i o n sa r ed e f i n e db ys o f t w a r e d i g i t a lr a d i of r e q u e n c y t e c h n o l o g yh a sb e e nt h er e s e a r c hf o c u sa n dak e yp a r to fs o f t w a r er a d i os y s t e ma l lt h e t i m e i nt h es o f t w a r er a d i os y s t e md e s i g n ，w eu s u a l l yt a k eal o to fr e s o u r c e sa n d e n e r g yf o rt h ed e s i g no fd i g i t a lu pc o n v e r s i o na n dd i g i t a ld o w nc o n v e r s i o n i nt h i s p a p e r , w ef o c u so nt h ed i g i t a lf r e q u e n c yc o n v e r s i o np a r to fs o f t w a r er a d i o ，a n dm a k e s i m u l a t i o n so fd i g i t a lu pc o n v e r s i o na n d d i g i t a ld o w nc o n v e r s i o ni nl a b v i e w f i n a l l y , c o m b i n e dw i t hn ih i g h - - s p e e dd i g i t i z e ra n dh i g h - s p e e dd a t as t r e a m i n g t e c h n o l o g y , w eb u i l dat e s ts y s t e mt h a tt h ed i g i t a lf r e q u e n c yc o n v e r s i o no p e r a t i o ni s p r o c e s s e db yc o m p u t e r t h ef o l l o w i n ga r et h em a j o rw o r kd o n ei nt h i sp a p e r ： 1 ) f i r s t l y , w es u m m a r i z et h eb a s i cs t r u c t u r e ，t h et e c h n i c a lf e a t u r e sa n dt h e c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fd i g i t a lf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，a n dd i s c u s st h et h e o r i e s r e l a t e dt od i g i t a lf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gs i g n a ls a m p l i n gt h e o r y , m u l t i - r a t es i g n a lp r o c e s s i n ga n de f f i c i e n tm u l t i - - r a t ed i g i t a lf i l t e r 2 ) s e c o n d l y , b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fd i g i t a lu pc o n v e r s i o na n dd i g i t a l d o w nc o n v e r s i o n ，w et a k em o r ea t t e n t i o n so nt h em u l t i - r a t ed i g i t a lf i l t e ra n dt h e d i g i t a lq u a d r a t u r em i x i n g a f t e rm a k ead e t a i l e da n a l y s i so ft h e s ed i g i t a lf i l t e r s ， i n c l u d i n gt h ec a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b ( c i c ) f i l t e r , h a l fb a n df i l t e ra n df i n i t ei m p u l s e r e s p o n s e ( f i r ) f i l t e r , w ei m p l e m e n tt h es i m u l a t i o no fd i g i t a lu pc o n v e r s i o na n dd i g i t a l d o w nc o n v e r s i o ni nl a b v i e w , w h i c hi sa p e r f e c tg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gt 0 0 1 3 ) t h e n ，w ed i s c u s st h eh i g h s p e e dd a t as t r e a m i n gt e c h n o l o g yw h i c hb a s e do n n id a t aa c q u i s i t i o n t h r o u g ht h es u m m a r ya n da n a l y s i so ft h ee f f i c i e n td a t as t r e a m i n g a r c h i t e c t u r ea n dt h ee f f i c i e n tp r o g r a ms t r u c t u r eo fd a t as t r e a m i n g ，w ec o n c l u d et h a tt o r e a l i z et h eh i g h - s p e e dd a t as t r e a m ，w en o to n l yn e e dh i g h s p e e ds t o r a g ed e v i c e s ，b u t a l s on e e dar e a s o n a b l ed a t as t r e a ms t r u c t u r ea n de f f i c i e n tp r o g r a ms t r u c t u r eo fd a t a s t r e a m i n g 4 ) f i n a l l y , c o m b i n e d 谢md i g i t a lf r e q u e n c y c o n v e r s i o nt e c h n o l o g ya n d l l i 曲- s p e e dd a t as t r e a m i n gt e c h n o l o g y , w ew i l la n a l y z ea n ds o l v et h ep r o b l e m st h a t i i 华东师范大学硕士学位论文 a b s t ra c t e n c o u n t e r e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t t h e nw eb u i l dat e s ts y s t e mt h a tt h ed i g i t a l f r e q u e n c yc o n v e r s i o no p e r a t i o ni sp r o c e s s e db yc o m p u t e ra n dt a k et e l e v i s i o ns i g n a l s a n dv o i c es i g n a l st ot e s tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：d i g i t a lu pc o n v e r s i o n ( d u c ) ，d i g i t a ld o w nc o n v e r s i o n ( d d c ) ，d a t a a c q u i s i t i o n ，h i g h s p e e dd a t as t r e a m i n g ，l a b v i e w i i i 华东师范大学硕士学位论文目录 目录 摘要兽i a b s t r a c t i i 第一章绪论。l 1 1 课题背景及意义1 1 2数字变频综述2 1 3虚拟仪器与l a b v i e w 综述3 1 4 本文工作安排4 第二章数字变频基础理论分析。6 2 1 信号采样理论6 2 1 1 n y q u i s t 采样定理6 2 1 2带通采样定理7 2 2采样率转换8 2 2 1信号抽取9 2 2 2信号插值1o 2 3 多速率滤波器1 l 2 3 1c i c 滤波器1 1 2 3 2 半带滤波器1 3 2 3 3f i r 滤波器1 5 2 4本章小结l8 第三章数字变频技术1 9 3 1基本原理1 9 3 1 1 数字上变频原理1 9 3 1 2 数字下变频原理2 l 3 2高效滤波器的设计与仿真2 3 3 2 1c i c 滤波器设计2 3 3 2 2半带滤波器设计2 5 3 2 3f i r 滤波器设计2 6 3 3数字变频的实现与仿真2 7 3 3 1 数字上变频实现与仿真2 7 i v 华东师范大学硕士学位论文目录 3 3 2 数字下变频实现与仿真3 0 3 3 3 数字上下变频结合仿真3 3 3 4本章小结3 4 第四章高速数据流盘技术3 5 4 1数据流盘的基础3 5 4 1 1数据传输介质3 5 4 1 2数据存储介质3 6 4 2数据流盘架构3 8 4 2 1基于p c i 总线3 8 4 2 2基于p c ie x p r e s s 总线3 9 4 2 3直接读写磁盘结构3 9 4 3数据流盘编程4 1 4 3 1 l a b v i e w 的优势。4 l 4 3 2数据流盘程序结构4 1 4 4本章小结4 4 第五章实验结果与分析4 6 5 1问题分析与解决4 6 5 1 1数据计算的连续性4 6 5 1 2数据存储速度分析4 9 5 2实验结果与分析5 1 5 2 1 电视信号实验51 5 2 2音频信号实验5 6 5 3 本章小结5 9 第六章总结6 0 6 1课题总结6 0 6 2后续工作6 0 参考文献6 2 鸳i c 谢6 5 v 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 【3 】是指可重新编程或者可重构的无线电系统， 换句话说，软件无线电是以通用的可编程器件或d s p 器件为硬件平台，以软件 定义系统功能，可以在不同时候完成不同的功能。软件无线电技术因其优越的可 重构特性，在军用和民用领域都得到了广泛的应用，并对无线通信的发展做出了 卓越的贡献。软件无线电的基本思想是模数转换和数模转换尽量靠近射频段，对 信号尽可能的进行数字化处理，数字化处理过程通过c p u 或d s p 处理器等完成， 通过运行不同的软件算法，完成不同功能的信号处理或信号通信，因此，软件无 线电具有极大的灵活性。 一个完整的软件无线电系统的基本结构如图1 1 所示。 图1 1 软件无线电基本结构 包括天线射频部分、高速数据处理的a d c d a c ( 模数数模转换) 、d d c d u c ( 数字下上变频) 部分和低速的基带信号处理部分。其中，高速处理部分在整 个系统中具有极其重要的地位。a d c d a c 的作用是模拟信号和数字信号的相互 转换，其中位数( 分辨率) 和采样速率决定了信号的量化精度和采样速率， d d c d u c 的主要作用是改变信号的采样速率并实现频谱搬移，完成信号在高速 和低速状态下的转换。 虚拟仪器技术【l0 】是利用各种多功能数据采集设备完成信号的调理、采集与测 量，然后再利用计算机软件实现信号的分析、处理和存储，最后呈现结果。其中， 主要的理论就是数据采集和数字信号处理。数据采集的任务【l o 】就是采集传感器 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，送入计算机进行相应的计算 和处理，得到需要的结果。数据采集是美国n i 公司l a b v l e w 图形化编程语言 的核心技术之一，也是l a b v i e w 与其他编程语言相比的优势所在，可以说数据 采集是l a b v i e w 最大的功能。目前，n i 出产了许多各种采样速率的数据采集卡， 能够完成大部分情况下数据采集任务，同时，l a b v i e w 数字信号处理方面也非 常优秀，l a b v i e w 的信号处理工具包不仅能完成各种复杂的信号处理，而且还 大大简化了信号处理的流程。 本课题希望能利用l a b v i e w 在信号处理和数据采集上的优势，实现软件无 线电中的高速处理部分。a d c d a c 部分通过高速数据采集卡完成，而d d c d u c 部分完全由计算机软件完成。这种把软件无线电数字变频部分完全由计算机软件 来实现的方式，能够能加灵活的设计变频中的各种算法，也是未来软件无线电的 发展。 1 2 数字变频综述 数字变频技术是软件无线电技术中的关键技术之一，包括发射端的数字上变 频( d i g i t a lu pc o n v e r s i o n ，d u c ) 和接收端的数字下变频( d i g i t a ld o w n c o n v e r s i o n ，d d c ) 。简单的说，数字上变频是把信号搬移到更高的载波频率上， 而数字下变频则是把信号搬移到更低的载波频率上。目前数字变频的实现主要有 三种实现方式【l l 】：一种是专用的数字变频j 卷片实现，该方式灵活性、可编程性差， 但是针对性强，比如a n a l o gd e v i c e s 公司推出的1 4 位数字上变频器件a d 9 8 5 7 9 1 ； 一种是基于d s p 实现，其中数字变频功能用软件完成，通用性、灵活性比较好， 开发调试比较容易，性能也比较好，但是功耗比较大；一种是基于f p g a 的实现 【4 】【8 】，f p g a 是在专用a s i c 价格低但可编程性差与d s p 的可编程高但功耗高之 间的一种折中方案，应用f p g a 实现数字变频，可以根据不同的系统需求，采用 不同的结构来完成相应的功能，具有很大的灵活性，是目前使用较多的方式。另 外，还有一种基于通用处理器的实现方式【1 1 1 ，即通过计算机的c p u 实现，该方 式与其他三种方式最大的区别在于很难做成一个实时的同步系统，但是计算机的 体系结构的开放性、灵活性、可编程性和人机界面等方面的能力非常强，开发调 试非常容易，却是软件无线电的未来发展方向。 近来，m 公司也推出了进行数字变频处理的高速数字化仪，比如带有正交上 2 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 变频的p x i 5 4 4 1 p x i e 5 4 4 2 d 和带有正交下变频的p x i e 5 6 2 2 t 7 p x i 一5 1 4 2 【6 等。这 类高速数字化仪含有o s p ( o n b o a r ds i g n a lp r o c e s s i n g ) 模块，通过板上的f p g a 模块完成复杂的信号处理计算。虽然这类带有o s p 的板卡的性能非常好，但是 价格也非常惊人。 数字变频技术中的核心算法是正交数字混频和多速率滤波。正交数字混频一 般通过与数控振荡器( n c o ) 产生正交本振信号相乘实现，文献【1 2 】介绍了软件 无线电中n c o 的设计。多速率滤波器是数字变频中计算量最大的部分，滤波器 的好坏决定着信号处理的质量。目前，主要使用半带滤波器、积分梳状( c i c ) 滤波器以及f i r 滤波器级联实现多速率插值或抽取滤波器。半带滤波器的由于计 算量较小，适合做2 肘倍的插值或抽取滤波器而被广泛使用：c i c 滤波器具有结 构简单、需要存储量小、不需要乘法和滤波器系数存储等优点，非常适合作为变 速率滤波器。这两种高效滤波器是数字变频中运算量最大的部分，现在研究的热 点就是提出更加高效的滤波算法1 1 3 15 1 ，以减少数字变频中的运算量，提高运算 速度。更多关于高效多速率滤波器的原理和设计将在后续章节中深入讨论。 1 3 虚拟仪器与l a b v i e w 综述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 最初由美国国家仪器( n i ) 公司提出，是基 于计算机的仪器，由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部分组成。虚拟仪 器是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念仪器，它将许多由硬件完 成的信号处理工作交由计算机软件进行处理，这种硬件功能软件化的特点，使虚 拟仪器快速成为当前测试仪器的发展方向之一。目前，根据模块化硬件功能的不 同，虚拟仪器主要有以下几种体系结构口6 1 p 1 2 ：g p i b 仪器、v x i 仪器、p x i 仪器、 p c d a q 仪器以及基于现场总线的仪器等。 随着计算机技术的高速发展，虚拟仪器的功能也是越来越强大。虚拟仪器具 有以下主要特点【2 5 】p l ： 尽可能的采用通用的硬件模块，各种仪器的差异主要体现在软件上。 最大限度的发挥计算机的能力，拥有强大的数据处理功能，可以构造出 功能强大的仪器。 可以自定义和制造各种仪器，以满足不同的需求。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，它的理论基础主 3 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 要是数据采集技术和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较广泛的计算机语 言和开发环境是美国n i 公司的l a b v i e w 。 l a b v i e w l 2 5 】p 2 ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种 图形化的编程语言和开发环境，被广泛的应用于工业界、学术界以及各种研究实 验室。l a b v i e w 提供了与遵从g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 等协议的硬件及 数据采集卡通信的全部功能，内置了t c p f i p 、a c t i v e x 等软件标准函数库，极大 的提高了开发速度，而且，l a b v i e w 编程简单，形象生动，易于理解和掌握， 因此，l a b v i e w 能够快速被各业界接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控 制软件，特别是在测试测量、控制、仿真等领域，应该优先考虑使用l a b v i e w 。 数据采集技术是l a b v i e w 的核心技术之一，也是l a b v i e w 的优势所在。 l a b v i e w 中内置了信号采集、测量分析与数据显示等功能，提供了丰富的与数 据采集硬件相配合的软件资源，能够方便的将现实世界中的各种物理量采集到计 算机中，从而为计算机在测控领域发挥其强大的功能奠定了基础。数据采集的系 统架构如图1 2 所示。 被 测 对 象 信 口 可 调 理 多功能 数据采集卡 数据分析 数据处理 数据存储 虚拟仪器 面板 ； ( 数据显示) j 图1 2 数据采集系统系统结构 数据采集的数据需要传送到计算机中进行分析、处理或存储，因此，可能需 要高效率的数据存储技术。高速数据流盘【2 8 】是即持续以较高的传输速度的向存 储器中传输数据，直到存储器满为止，极大的提高了数据采集系统的实时性和高 效性。但是，实现高效率的数据流盘，并不是采用高速的总线加上高速读取的磁 盘就可以实现的，还需要采用合理的数据流盘架构。n i 提供的基于p c i p c i e 、 p x i p x i e 数据流盘方案都是高速流盘中的不错选择。 1 4 本文工作安排 通过以上分析与介绍，在计算机c p u 上实现数字变频算法具有更大的灵活 性，随着电子技术日新月异的迅猛发展，将会成为未来无线电的发展方向。另外， 4 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 l a b v i e w 的强大功能以及n i 数据采集设备的高性能也构建一个由计算机完成数 字变频计算的实验系统成为可能。本课题的目的就是在深入研究软件无线电中数 字变频技术的基础上，结合n i 的高速数据流盘技术，实现一个数字变频在计算 机上计算的实验系统。本文的具体工作安排如下： 第二章，介绍数字变频相关的理论基础，包括信号采样定理，采样速率变换 原理，以及多速率滤波器的原理。 第三章，主要介绍数字上下变频的基本原理，并通过l a b v i e w 对数字上 下变频进行仿真。其中包括对数字上下变频中使用的高效多速率滤波器：半带 滤波器、c i c 滤波器以及f i r 滤波器进行设计和分析。 第四章，介绍高速数据流盘技术，包括对高速数据流盘的存储介质、各种高 速数据流盘架构以及各种数据流盘的编程方式进行了分析和设计。 第五章，结合数字变频技术和高速数据流盘技术，分析及解决实验过程中遇 到的问题，并构建一个数字变频在c p u 完成的实验系统，并采用电视信号进行 系统性能的分析。 第六章，对全文所作的工作进行总结。 5 华东师范大学硕士学位论文第二章数字变频理论基础 第二章数字变频基础理论分析 数字变频技术是软件无线电的核心技术之一，是以数字信号处理为核心的。 本章介绍数字变频技术中必不可少的一些基础理论，包括信号的采样理论，多速 率信号处理理论，多速率滤波器等。 2 1 信号采样理论 信号的数字化处理是软件无线电中的核心。尽可能的将模拟信号数字化，使 其变换为更加适合数字信号处理器( d s p ) 或计算机处理的数据流，这是进行数 字变频以及其他数字信号处理的前提条件。模拟信号的数字化涉及到一系列的采 样理论，本节将对n y q u i s t 采样定理，带通采样定理进行介绍。 2 1 1n y q u i s t 采样定理 赖奎斯特( n y q u i s t ) 采样定理【l l 】p 7 0 ：设有一个频带限制在( o ，厶) 内的连续信 号x ( t ) ，如果以不小于z = 2 f 的采样速率对x ( ，) 进行等间隔的采样，则可以根 据采样得到离散x ( 甩) 序列恢复出原始信号x ( r ) 。 从n y q u i s t 采样定理可以看出：以不低于信号最高频率两倍的频率对一个带 限信号进行采样，则可以通过采样值确定原信号。这个最低采样频率2 厶称为 n y q u i s t 频率。n y q u i s t 采样定理实际上明确了这样一个事实：可以采用离散数字 信号代替模拟信号。 从时域上看，采样过程就是将信号与周期行冲激函数相乘。假设原信号的频 谱x ( f ) ，单位周期冲激函数频谱为t ( 力，采样后信号的频谱为五( 力，则它 们的关系为： w ) = 去w m ( 舻；墨w 吲 其中，艿l ( ，) ：芝8 ( f 一，叽) ，六= 。式( 2 - 1 ) 说明， ( 2 1 ) 抽样信号的频 谱是无穷多个间隔为z 的原信号频谱叠加而成的。 同时，从采样信号的频谱图( 图2 - 1 ) 中，可以看出，当z 2 厶时，采样信 号的频谱是原信号的周期性重复而没有发生重叠现象( 图2 - l - b ) ；当z 系统的单位冲激响应h ( n ) 在有限个n 值处不为零； 系统函数日( z ) 在h o 处收敛，极点全部在z = o 处( 因果系统) ； 结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中( 例 1 5 华东师范大学硕士学位论文 第二章数字变频理论基础 如频率抽样结构) 也包括有反馈的递归部分。 假设f i r 滤波器的单位冲激响应为h ( n ) ，其长度为n ( o n 矩形窗： f l0 布莱克曼窗： ，、 0 4 2 0 5 c o s 丝+ 0 0 8 c o s 丝，0 聆n 一1 w ) = 一1一1 7 ( 2 2 7 ) 10 ， 其他 凯撒窗： w ( 刀) ：t ，( p 4 1 - 1 - 2 n ( n - 1 ) 2 ) i o ( p ) ，o 刀( 2 2 8 ) l 0 ， 其他 其中，l o ( x ) 是第1 类贝塞尔函数。 几种窗的基本参数比较如表2 - 1 所示。 表2 - 1 窗函数基本参数比较 窗函数旁瓣峰值过渡带宽阻带最小衰减 矩形窗1 3 d b 4 ，r n 2 1 d b 汉宁窗 3 l d b 8 7 r n 4 4 d b 海明窗4 1 d b 8 1 r n 5 3 d b 布莱克曼窗 5 7 d b 、2 冗| n 7 4 d b 凯撒窗( = 7 8 6 5 ) 5 7 d b 1 0 冗 8 0 d b 从表2 - 1 中可以看出，凯撒窗函数的性能相对好一些，而且它可以通过改变 1 7 华东师范大学硕士学位论文第二章数字变频理论基础 值来调整主瓣和旁瓣电平，值越大，主瓣越宽，旁瓣电平越小。 利用窗函数法设计线性相位f i r 滤波器就可以按照以下三个步骤进行： 确定滤波器的性能要求，确定各临界频率和滤波器单位脉冲响应长度n ； 根据性能要求和n 值，合理的选择冲激响应函数办( 玎) 的奇偶对称性，从 而确定理想频率响应日。( p 归) 的幅频和相频特性； 选择适当的窗函数w ( 刀) ，求得f i r 滤波器的单位冲激响应厅( 刀) 。 由于窗函数设计法是从时域出发的，因此，具有结构简单、直观，便于理解 的好处。 等波纹法【2 4 】是以“最大误差最小化”为优化准则的最佳滤波器，即在通带内 滤波器的频率响应与理想滤波器的频率响应之间的最大误差最小。同窗函数设计 法相比，等波纹法具有以下两个优点：一是通带波纹、阻带波纹和过渡带宽可以 独立控制；二是通带截止频率和阻带截止频率可准确控制。因此，等波纹设计法 设计的f i r 滤波器经常用来作为整形滤波器。 2 4 本章小结 本章主要介绍了数字变频技术设计的理论基础，包括采样定理、采样率转换 以及数字变频中常用的多速率滤波器。首先介绍了采样定理，包括赖奎斯特采样 定理和在频率较高的信号处理中应用广泛的带通采样定理；其次介绍了通过内插 或抽取进行采样率变换；然后介绍了可以防止镜频干扰和混叠干扰多速率滤波 器，对数字变频中常用的c i c 滤波器、半带滤波器以及多速率f i r 滤波器进行 了介绍。 1 8 华东师范大学硕士学位论文第三章数字变频技术 第三章数字变频技术 数字变频技术是软件无线电中的关键技术之一，本章将在分析理解数字上变 频和数字下变频基本原理的基础上，对数字变频中涉及到的多速率滤波器进行详 尽的分析与设计，并通过l a b v i e w 实现了这些多速率滤波器，包括c i c 滤波器、 半带滤波器以及f i r 滤波器。同时，还将对实现信号频谱上下搬移的数字正交 混频进行推导论证。最后，在l a b v i e w 上实现对数字上变频和数字下变频的仿 真。 3 1 基本原理 3 1 1 数字上变频原理 数字上变频( d i g i t a lu p c o n v e r s i o n ，d u c ) 的作用是把基带信号上变频到载 波频率上，是软件无线电中发射机中的核心技术之一。其工作原理是：基带信号 经过内插滤波器提高采样率，并滤除由于信号内插产生的镜频噪声，然后与数控 振荡器( n c o ) 产生的正交本振信号进行数字混频，计算得到上变频的中频或 射频信号。 从数学上来看1 1 1 p 7 5 ，任何一个无线电信号均可以表示为： s o ) = 口o ) c o s 2 7 r f d + 缈o ) 】 ( 3 1 ) 式3 - 1 中，口( ，) ，妒( f ) 分别表示该信号幅度调制信息和相位调制信息，z 为 信号的载频。对上式进行数字化，则： s ( ，z ) = 口( 咒) c o s 2 夕l 兀刀+ 认咒) 】 ( 3 2 ) 为便于进行信号调制，把上式进行正交分解，则： s ( 功= ，( 功c o s ( c o ：) + q ( n ) s i n ( c on ) ( 3 3 ) 式3 3 中，q = 2 万z ，i ( n ) = a ( n ) c o s 妒( n ) ，q ( n ) = 一a ( n ) s i n 伊( n ) 。从上式来看， 只要先根据调制方式求出正交基带信号，( ，z ) ，9 ( 聆) ，然后分别与两个正交本振 c o s ( c o o n ) ，s i n ( c o o n ) 相乘( 混频) ，然后求和就能得到信号s ( n ) 。 上述数学模型中，正交基带信号的采样率和输出信号的采样率一致，而如果 根据n y q u i s t 采样定理，输出信号的采样率应该大于信号最高载频的2 倍以上。 1 9 华东师范大学硕士学位论文第三章数字变频技术 高采样率就意味着大数据量，鉴于基带信号的带宽比载频小很多，根据带通采样 定理，采样率为信道带宽的两倍以上就能满足要求，可以大大降低数据量。但是 为了保证产生的基带信号与后面的采样速率相匹配，在进行正交混频之前，必须 通过信号插值把低采样率的基带信号提升到高采样率上，因此数字上变频两个核 心部分是内插滤波器和正交数字混频。 内插滤波就是在原信号样点周围增加新的样点值，达到增加信号采样率的目 的，信号在时域上内插，则在频域上会产生镜频噪声，所以需要加上低通滤波器 进行镜频噪声的过滤。内插滤波器一般采用多速率的半带滤波器和c i c 滤波器 级联得到，如图3 1 所示。 n 级半带滤被器 母一d 互 虹亘卜 z 2 灭 2 再戳 图3 1 上变频内插滤波器结构 由图3 1 可见，内插滤波器一般由n ( n = o ，l ，2 ，n ) 级半带滤波器和一级 c i c 滤波器组成，n 级半带滤波器完成2 倍的采样率变换，若c i c 滤波器的插 值倍数为r ，则整个的采样率变换为2 m 疋。 正交数字混频采用复混频正交结构【1 1 1 实现上变频，其结构如图3 2 所示。 ，0 ) q 0 ) 图3 2 正交混频上变频结构 图3 2 中，n c o ( n u m e r i c a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 即数控振荡器提供正交载 波，载波角频率为哝。 通过内插滤波器与正交数字混频后，信号能准确的上变频到载波频率。数字 上变频的完整结构如图3 2 所示。 华东师范大学硕士学位论文第三章数字变频技术 图3 3 数字上变频结构 影响数字上变频性能主要是内插滤波器的性能和数字本振信号与输入信号 的混频乘法计算中引起的误差，不如相位偏移误差、数字精度误差等。为了在信 号的连续处理中，避免误差逐级扩大而影响到信号的失真，应该在信号处理中尽 量避免引入误差。 3 1 2 数字下变频原理 数字下变频( d i g i t a ld o w o c o n v e r s i o n ，d d c ) 的作用与数字上变频相反， 即获取载波频率上的基带信号，是软件无线电接收机的核心技术之一。其工作原 理是：首先将信号与数控振荡器( n c o ) 产生的正交本振信号相乘，然后通过， 抽取滤波器，滤除基带信号的带外信号，提取有用信号，并降低基带信号的采样 速率，以有利于后续处理。因此，数字下变频的核心部分为数字正交混频与抽取 滤波两部分。 数字正交混频是将输入信号与数控振荡器产生的正交本振信号相乘，然后通 过低通滤波，滤除基带信号的带外信号。结构框图如图3 4 所示。 图3 4 正交混频下变频结构 2 1 歹( 功 彰0 ) 华东师范大学硕士学位论文第三章数字变频技术 图3 - 4 中，e o s ( c o 。n ) ，s i n ( c o c n ) 为正