（电路与系统专业论文）软件无线电中的采样率转换的研究.pdf

软件无线电巾的采样率转换的研究 摘要 软件无线电是近年来在无线通讯领域提出的一种新的体系结构。目的是把硬件作为无 线通信的基本平台，把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件实现。其中值得关注的 一个问题是，软件无线电要求可以处理尽量多的通讯标准，而不同的标准具有不同的信号 采样率，如g s m 是5 4 1 6 k s a m p l e s s ，i s 9 5 是2 4 5 7 6 m s a m p l e s s 。一个很好的解决办法就 是，在软件无线电中应用一个统的高采样率采集天线接收的所有信号，然后在d s p 部分 中应用采样率转换( 通常是降采样) 方法得到我们所需要的特定采样率下的信号。需要注 意的是软件无线电对采样率的特殊要求：采样率转换在将数字信号从一个采样频率转换到 另一个采样频率的同时，必须保护好某一个限定频带内的信息，也就是通讯传递的内容： 另外一点是采样率转换一定要足够快，满足软件无线电通讯的实时性，可以实现任意转换 因子的采样率转换，且易于在数字系统中实现。 因此，我们得出结论，在软件无线电中实现采样率转换的关键是如何设计采样率转换 滤波器使其具有抗频谱混叠的性能，用什么样的结构来实现采样率转换滤波器使其具有很 好的硬件性能。f a r r o ws t r u c t u r e 是一种已经大量应用于内插领域中的内插滤波器结构。它 可以满足第二点要求，具有很好的硬件性能，但不具备足够的抗混叠性能。f a r r o ws t r u c t u r e 的i 型转置结构满足了很好的抗混叠性能，被提出应用在软件无线电的采样率转换当中， 但是其结构在计算效率等硬件性能上又有欠缺。此外奇数段基于分段多项式函数的内插滤 波器也被提出，在某些情况下，它是一种很好的选择。 本篇论文的贡献在于：1 根据l i 型转置结构，提出一种新的应用在软件无线电当中的 采样率转换滤波器，我们将会看到它既满足了抗混叠性能，又满足了很好的硬件性能。2 根据奇数段内插滤波器，提出了种奇数段抽取滤波器，并推导该滤波器的i i 型转置实现 结构，将其和f i r 抽取滤波器级联，得到一种可以应用在软件无线电当中的采样率抽取系 统。3 开发了一个基于软件无线电概念的硬件平台，目的是实现软件无线电中的数字信号 处理算法，例如采样率转换滤波器的实现。 软件无线电巾的采样率转换的研究 a b s t r a c t t h es o r w a r ed e s i g n e dr a d i o ( s d r ) i san e ws y s t e mp r o p o s e di nc o m m u n i c a t i o ni nr e c e n t y e a r s t h ea i mi st oi m p l e m e n tm o r ea n dm o r ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n sb ys o f t w a r ei na h a r d w a r ep l a t f o r m o n eo ft h ek e y si ns d ri st om a n a g em o r ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sw i t h d i f f e r e n ts a m p l er a t e s ，e g ，g s mw i t h5 4 1 6 k s a m p l e s s ，i s 一9 5w i t h2 4 5 7 6 m s a m p l e s s ag o o d s o l u t i o ni st or e c e i v ea l lk i n d so fs i g n a l sf r o ma n t e n n aw i t ht h es a m eh i i g hs a m p l er a t ea n dt og e t t h es i g n a li ns o m es t a n d a r db ys a m p l er a t ec o n v e r s i o n ( s r c ) i nd s p t h em o s ti m p o r t a n t k e y s t o n ei st os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fs r ci ns d r ：t op r o t e c tt h ei n f o r m a t i o nw h i c hi st h e c o n t e n tc o m m u n i c a t e di nac e r t a i nf r e q u e n c yb a n dw h e ns r cw o r k s ；s r ci sq u i c ke n o u g ht o s a t i s f yt h er e a lt i m ei ns d r a n dc a nb ei m p l e m e n t e di nd i g i t a ls y s t e mw i t ha r b i t r a r yc o n v e r s i o n f a c t o r s s ow ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o n ：t h ek e yt oi m p l e m e n tt h es r ci ns d ri sh o wt od e s i g ns r c f i l t e rw i t hg o o da n t i - a l i a s i n ga n dw h i c ha r c h i t e c t u r ew i t hg o o dh a r d w a r ep e r f o r m a n c ec a nb e u s e dt oi m p l e m e n tt h es r cf i l t e r f a r r o ws t r u c t u r eh a sb e e nu s e dt oi m p l e m e n tt h ei n t e r p o l a t i o n f i l t e rm o s t l y i th a sg o o dh a r d w a r ep e r f o r m a n c et os a t i s f yt h es e c o n dr e q u i r e m e n tb u th a sb a d a n t i - a l i a s i n g t h eit r a n s p o s e df a r r o ws t r u c t u r ew i t hg o o da n t i a l i a s i n gh a sb e e np r o p o s e dt ob e u s e df o rs r ci ns d r b u ti t sc o m p u t i n ge f f i c i e n c yi s n t g o o d o na n o t h e rh a n d t h e p o l y n o m i a l - b a s e df i l t e rw i t ho d dn u m b e ro fp o l y n o m i a ls e g m e n t sf o ri n t e r p o l a t i o nh a sb e e n p r o p o s e d i ns o m ei n s t a n c ei t sag o o dc h o i c e t h ec o n t r i b u t i o n so ft h i s a r t i c l ea r e ：1 ) t op u tf o r w a r dan e ws r cf i l t e rw i t hg o o d a n t i a l i a s i n ga n dg o o dh a r d w a r ep e r f o r m a n c ei ns d rb a s e do ni it r a n s p o s e df a r r o ws t r u c t u r e ；2 1 t op u tf o r w a r dc r e a t i v ep o l y n o m i a l - b a s e df i l t e rw i t ho d dn u m b e ro fp o l y n o m i a ls e g m e n t sf o r d e c i m a t i o nb a s e do nt h a tf o ri n t e r p o l a t i o n ，t op r o v ei t si i t r a n s p o s e df a r r o ws t r u c t u r ea n d c a s c a d ei tw i t hf i rd e c i m a t i o nf i l t e rt og e tas r cs y s t e m ( d e c i m a t i o n ) i ns d r ；3 ) t od e v e l o pa h a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h ei d e ao fs d rt or u nd s pa r i t h m e t i ci ns d r ，e g ，s r cf i l t e r 4 软件无线屯中的采样率转换的研究 引言 针对目前多种无线通信标准和体制之间无法兼容的弊端，一种名为“软件无 线电”的技术概念成为人们关注的焦点。 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 的概念是由美国科学家j o e m i t o l a 于1 9 9 2 年 5 月在美国电信系统会议上首次明确提出的。其基本概念是将硬件作为无线通信 的基本通用平台，而用软件实现尽可能多的无线及个人通信功能。这是无线通信 领域继固定到移动、模拟到数字之后的第三次革命。 灵活性和开放性是软件无线电的主要特点。灵活性是指软件无线电系统可 以与其它任何电台进行通信，可以作为其它电台的射频中继，可以通过无线加载 的方法来增加软件模块或更新软件。开放性是指软件无线电系统由于采用了标准 化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可 以随需要而不断升级，实现不同体制、电台的兼容。 去年1 1 月国际电联终于通过第三代移动通信系统( 3 g ) 的无线接口规范， 在这个规范中3 g 的无线接口并未达到一个统一的标准，而是将一些第二代( 2 g ) 就已有和面向3 g 的无线输技术放在一起，统统收入3 g “家族”，这给移动用户的 漫游带来很大的限制。而软件无线电是最有希望解决这些问题的技术，它可以研 制一个完全可以编程的硬件平台，基站和移动台的所有功能均通过软件编程实 现，通过注入不同的软件，形成不同标准的移动用户终端和基站，保证各种移动 设备之间的无缝集成，使得一机在手，漫游天下。这也促使软件无线电技术全球 化，成为未来移动通信的关键技术。 在软件无线电系统中，由于信号占据很宽的频带范围，加上不同体制之间 的编码、复用、调制方式不同，从而要求软件无线电系统有很强的数据处理能力 和快速输入输出( i o ) 能力。软件无线电系统要能达到不同系统、体制f b j 的互 联互通，要传输包括视频数据在内的多媒体信息，对系统各方面的要求将相当高。 迄今为止，软件无线电还主要处在研究当中；其尚待解决的关键技术问题 包括：宽带多频段天线，a d 和d a 转换器，d s p ( 数字信号处理技术) ，实 时操作系统等。本文研究的主要问题是数字信号处理技术中的数字采样率转换问 题，同时针对采样率转换滤波器实现的需要，提出了一个基于软件无线电概念的 硬件实验平台。 在软件无线电中，要求可以在一个硬件平台上处理不同标准的通讯信号， 而不同标准的通讯信号具有不同的采样率。一个很直接的解决方法就是为每个标 准设置一个精准时钟，进行采样；但很显然，这是一个不切实际的想法，其硬件 消耗太大，特别是当软件无线电应用到手机等移动通讯设备当中时，多个时钟所 占用的空间实在太大。此时应当考虑其它可行的解决之道，而数字采样率转换正 软件无线电中的采样率转换的研究 是一个很可行的解决方案。在数字信号处理应用当中，经常需要通过现有的离散 时间信号采样值，得到任意位置的信号采样值，这就是数字采样率转换。应用数 字采样率转换，可以使用一个高采样率的a d 对所有标准的通讯信号进行统一 采样得到数字信号，然后对该数字信号进行数字采样率转换，得到相应标准采样 率下的数字信号。 数字采样率转换的实现形式多种多样，有f i r 滤波器( 直接实现，多项结 构，半带滤波器等) ，f a r r o ws t r u c t u r e 结构滤波器( f i r 滤波器的组合) ， 积分梳状滤波器等等。其中，f a r r o w s t r u c t u r e 结构滤波器是一种可以实 现任意系数采样率转换的滤波器，同时很方便在a s i c 结构中实现，是一种可以 应用在软件无线电中的理想选择。国际上对将该结构应用于内插领域有过一些研 究，本篇论文对该结构的两个转置结构以及奇数段的转要结构进行研究，并对将 其应用在软件无线电中进行了探讨。 此外，软件无线电对硬件的要求非常高，希望构造一个通用化，丌放性的 平台。基于这样的概念，本文设计了一个较为通用化的硬件平台，既可以作为一 些软件无线电相关算法的研究平台，也可以作为其它高速信号处理的实验平台。 本论文的编排结构如下：第一章绪论，较详细的介绍软件无线电，采样率 转换的相关知识，其中在软件无线电当中应用采样率转换的必要性足本篇论文的 实际意义所在，而如何满足采样率转换在软件无线电中的特殊要求将是指导本篇 论文的方针；第二章详细介绍基于分段多项式函数的滤波器及f a r r o ws t r u c t u r e 结构，这类结构是本篇论文的基础；第三章将根据i i 型转置f a r r o ws t r u c t u r e 提 出一种新的应用在软件无线电当中的采样率转换滤波器；第四章提出一种具有奇 数段的采样率抽取滤波器，并和f i r 滤波器组成抽取系统，应用到软件无线电当 中；为了使软件无线电中的采样率转换滤波器得到实现，在第五章中介绍了一个 基于软件无线电概念的实验性硬件平台开发过程；最后，我们将总结前面的成果， 并展望未来的研究方向。 6 软件无线电中的采样率转换的研究 第一章软件无线电及采样率转换 这一章是本篇论文的基础部分。首先，介绍软件无线电的由来，特点，关键技术等， 并阐述为什么需要采样率转换；其次，将介绍采样率转换的定义，基本原理，以及在软件 无线电中实现采样率转换时的特殊要求，包括频谱和硬件两方面；最后将介绍软件无线电 对硬件平台的要求。 1 1 软件无线电 1 1 1 软件无线电的由来 软件无线电晟初是在军事通信中提出的，软件无线电作为军用技术已有3 0 年以上的历 史，但是由于不同部队用于不同目的的无线电台在工作频段、调制方式上存在差异而无法 瓦通。如果需要互通，就需要作进一步的改进，如美国部分推出的j t r s ( 战术合作无线系 统) 的意向合同，其目的就是能实现基于软件无线电技术的可以互操作、互工作的系统。在 民用通信方面，由于新标准的不断涌现、新老通信体制共存，不同体制的系统的互联变得 复杂与困难，加上各种通信设备的大量出现、使无线电频谱越来越挤，传统的以硬件为幕 础的无线通信系统已难以适应发展的需求，软件无线电正是最好的解决方案。 1 1 2 软件无线电的定义与基本结构 所谓软件无线电( s o t t w a r ed e f i n e dr a d i o ，简称s d r ) ，就是采用数字信号处理技术， 在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端 接牧、中频处理以及信号的基带处理等等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制 协议部分全部由软件编程来完成。这些软件通常是d s p 、a s i c 、f p g a ( 现场可编程序的 逻辑序列) 里的软件。 其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的”数字模拟”转换器，尽早地完成信 号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之，软件无线电 是一种基于数字信号处理( d s p ) 芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。 下面是软件无线电的一个基本结构框图： 电话 图像 数据 传真 窄带 a d d a 转换器 图1 1 软件无线电基本结构框图 时 实件 菇? 时处 一 实 软什无线电巾的采样率转换的研究 1 1 3 软件无线电的特点及优势 软件无线电在尽可能早的完成数模转换以后，用软件定义并实现无线设备的功能。软 件模块由各种算法库组成，通过加载软件算法或是升级软件就可以实现业务功能的扩张和 采用新的通信标准。所以，软件无线电具有充分数字化、灵活多编程、模块化设计、多频 段转换、多业务支持等特点。 软件无线电的优势体现在很多方面：如对技术和产品的研究开发而言，传统的无线通 信系统只对单一的标准进行产品开发，从标准相对稳定到设计和开发专用芯片，再到产品 设计和实现是一个以年为单位的过程，开发周期长、开发成本高。上述情况导致在标准制 定进程中，大多数新技术不能被应用，限制了新技术的发展和应用，导致商用产品和当时 技术水平的巨大差异。s d r 将提供一个新概念和通用无线通信平台，在此平台上，可能基 于软件来实现新业务和使用新技术，大大降低了开发成本利周期，使产品能跟上技术发展 的水平。未来的新业务将由用户来开发，只有使用s d r 的概念，才可能让用户像使用p c 一样，用s d r 设备去开发所需的新业务。 另外，从最终用户的角度看，基于s d r 技术用户的设备，是为用户提供了一个通用 的终端设备平台。它应当能支持多达5 8 种国际上通用的标准，而且可以通过空间加载软 件技术达到用户设备升级的目的。只有这样，用户才不需要关心他所在的地区和运营商的 问题，从而实现真正意义的全世界漫游。用户也有可能获得他所希望得到的新业务。 除上述两点外，软件无线电还具有为设备制造商降低投资风险，提高经济效益，为运 营商降低投资风险等诸多优势。因此，软件无线电技术是一个非常有前景的技术，可以广 泛应用在多频多模手机，卫星通信等无线通讯领域。 1 1 4 软件无线电的关键技术 软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。它与数字和模拟信号之间的转换、 计算速度、运算量、存储量、数据处理方式等问题息息相关，这些技术决定着软件无线电 技术的发展程度和进展速度。宽带多频段天线、a d a 转换器件、实时操作系统及d s p ( 数 字信号处理器) 技术是软件无线电的关键技术。 1 1 4 1 宽带多频段天线 理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段，通常来说，由于 l ! 】部阻抗不匹配，不同频段电台的天线是不能混用的。而软件无线电要在很宽的工作频率 范围内实现无障碍通信，就必须有一种无论电台在哪一个波段都能与之匹配的天线，所以， 实现软件无线电通信，必须有一副可通过各种频率信号而且线性性能好的宽带天线。软件 无线电台覆盖的频段为2 m h z 2 0 0 0 m h z 。就目前水平而言，研制一种全频段天线是不可 能的。一般情况下，大多数系统只要覆盖不同频段的几个窗口，不必覆盖全部频段，故可 软件无线电中的采样率转换的研究 采用组合式多频段天线的方案。即把2 m h z 2 0 0 0 m h z 频段分为2 m i - i z 3 0 m h z 、3 0 m h z 5 0 0 m h z 、5 0 0 m h z 2 0 0 0 m h z 三段。这不仅在技术上可行，而且基本不影响技术使用要求。 1 1 4 2a ，d a 转换器件 在软件无线电通信系统中，要达至巾尽可能多的以数字形式处理无线信号，必须把a d 转换尽可能地向天线端推移，这样就对a d 转换器的性能提出了更高的要求。为保证抽样 后的信号保持原信号的信息，a f t ) 转换要满足n y q u i s t 抽样准则，而在实际应用中，为保证 系统更好的性能，通常抽样率为带宽的2 5 倍。软件无线电通信系统一般采用低分辨率的模， 数转换器，但是由于其分辨率很低，所以信号处理的精度就会降低，增加转换器的精度成 为一大热点。对于更高的转换带宽要求，可以用并行a d 转换的方法完成。 1 1 4 3 实时操作系统 软件无线电实现的重要基础是处理器速度的提高，然而在一定的处理速度限制下，需 要有效的实时应用处理软件和实时操作系统支持，才能充分发挥处理器的性能。与通用操 作系统相比，实时操作系统对处理任务的时间调度控制更加明确，可以更有效地面向高速 数字信号处理分配有限的处理资源。针对不同的通信体制的共同点，采用、开发高效而灵 活的实时操作系统和实时应用软件。完成多种通信模式的软件实现，并且随着移动通信的 继续发展，增加具有新的功能的系统模块，提供更先进的服务。 1 1 4 4d s p ( 数字信号处理器) 技术 主要完成电台内部数据处理、调制解调和编码解码等工作。由于电台内部数据流量大。 进行滤波、变频等处理运算次数多，必须采用高速、实时、并行的数字信号处理器模块或 专用集成电路才能达到要求。要完成这么艰巨的任务，必须要求硬件处理速度不断增加， 芯片容量扩大。同时要求算法进行针对处理器的优化和改进。这两个方面的不断提高将是 数字信号处理技术发展的不懈动力。只有这样，才能实现电台内部软件的高速运行和多种 功能的灵活切换和控制。在芯片速度条件限制下，对数字信号处理器的速度要求是非常高 的，利用更高速度的d s p 芯片组进行并行处理。各个芯片厂商正在努力提高芯片的处理速 度，利用多种并行处理、流水线、专用硬件结构来提高芯片的数据处理能力。 对于一些固定功能的模块如滤波器、下变频器等，可以用具有可编程能力的专用加速 芯片来实现，而且这种芯片的速度要高于通用d s p 芯片。 例如用f p g a ( 现场可编程门阵 y 0 ) 就可以同时满足速度和灵活性两方面的要求，支持软件无线电中的动态系统设置的功 能。通常来说系统的分配方式是：计算密集型的部分在d s p 内部完成。功能相对固定的部 分，就由f p g a 来完成。 而本篇论文所讨论的重点位于此部分。 软件无线屯巾的采样率转换的研究 1 。1 5 为什么需要采样率转换一本篇论文所关注的重点 如前所述，软件无线电终端必须能够处理多种通讯标准，而这些标准通常基于不同的 主时钟频率，使用不同的采样频率【l 】。，最直接的解决办法就是在一个终端里为每一个标准 提供一个专用时钟；而这种方法不仅代价昂贵，而且限制了将软件无线电应用到手机等移 动通讯设备中的可行性。因此必须考虑其它可行的方案。而采样率转换正是一种可以满足 软件无线电要求的解决方案：在终端系统里只使用一个固定主时钟，而使用软件进行采样 率转换得到所需要的特定通讯标准下的数字信息。 软件无线电中的理想处理情况是：宽带天线接收的通讯信号经过射频模拟前端以后， 立刻经模数转换器转换为数字信号，然后送入由d s p 所驱动的一个数字信号处理引擎( 包 含多个专用加速器) ，计算后的数字信号直接输出，或者通过模数转换器转换成模拟信号 输出。这个过程只使用一个主时钟控制。如下图所示： 图1 2 软件无线电单一时钟驱动结构图 由于通讯模拟信号很快被转换成数字信号，因此所需要的特定标准下的数字信息在数 字信号处理引擎中通过采样率转换进行。采样率转换既可以通过某些算法在d s p 中实现， 也可以设计成不同的采样率转换滤波器( 功能固定) ，运行在特定的加速器当中，如f p g a 。 考虑到速度等原因，显然后者应是我们研究的重点所在。 接下来，我们将从基本概念出发，详细考察采样率转换以及它在软件无线电当中的特 殊要求。 1 2 采样率转换( s r c ：s a m p l er a t ec o n v e r s i o n ) 1 _ 2 1 采样率转换的定义及分类 采样率转换是指【3 】：在多抽样率系统中，将以某一抽样率= l ，得到的抽样信号经 过数字处理方法转换为以另一抽样频率如= l 疋得到的抽样数据。其中，多抽样率系统是 指在一个系统中存在着两个或两个以上的抽样率；抽样率转换的比例有多种情况。这里， 我们默认抽样信号即为抽样，量化和编码后的数字信号。 采样率转换根据e e = 1 ，d ( l d 均为整数) 的比值可以分为一下几类【3 】； 整数倍抽取( 1 = l ，d 1 ) ，d 称为抽取( d e c i m a t i o n ) 因子，山d 表示抽样率降低为原来的 1 d ，其系统框图如下所示，其中的数字滤波器 ( ”z ) 为抗混叠滤波器，防止抽取后频谱 产牛混叠，截至频率为万d ： 兰! 业1 磊燮斗下卜盟2 图1 3 整数倍抽取结构图 整数倍内插( j 1 ，d = 1 ) ，j 称为内插( i i n t e i p o l a t i o n ) 因子，个，表示零值内插器，相邻抽 样点之间补1 1 个零，其系统框图如下所示，其中的数字滤波器h ( m t 2 ) 为低通平滑滤波器， 截至频率为疗1 ： 型斗“也功面上幽 1 ji 。、_ _ 图1 4 整数倍内插结构图 比值为有理数的抽样率转换( i 1 ，d 1 ) ，其系统框图如下所示，通常先内插，再抽取， 并且合并抗混叠滤波器和低通平滑滤波器为h ( r t 3 ) ，截至频率为m i n q r l ，：, r d ) ： 鱼坠盯坚斗丽习鲨堕旧鹏乏! 图1 5 有理数倍采样率转换结构图 还有一种采样率转换，其比值为无理数，即五，e 无法表示成一个有理数形式。这种 转换，与上面三种转换都可以统一用图1 6 来表示。 1t 2 2 采样率转换的原理 抽样率转换的原理可以通过这样一个重建立重采样【2 】的过程说明：以采样周期互得到 的数字信号经过理想的数摸转换器后，重建立为模拟信号；然后再对这个模拟信号以t 的 采样周期重新采样，得到所需采样频率下的数字信号。如下图所示： 软件无线电中的采样率转换的研究 f i d e a llowpass i 一，丘 d i g i t a l - t o - a n a l o g f i l t e r c o n v e r t e r 图1 6s r c 重采样重建立原理图 x ( k r , ) 首先经过一个理想的d a 转换成模拟信号： k ( r ) = x ( m ) 皖( 卜蝎) ； t 一- 啦 以( r ) 是模拟单位脉冲函数。随后，j 。( f ) 经过模拟重建滤波器 ( 力，得到： y ( f ) = p 。( f ) 厅( f f ) d f = y x ( k t , ) h ( f 一女五) ； ( 1 2 ) 最后，对_ y ( ，) 以疋为周期进行采样得到： y ( 1 t 2 ) = e x ( k e ) h ( t r ：一女正) ；o 令嘎= ( ”，+ z ，) 正，其中： ，l “2 i ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 】5 ) 假设模拟重建滤波器 ( ，) 在一 q 2 - t 咽2 ( 偶数) 段以外为零，我们可以得到： 1 2 - 1 y ( ，疋) = 乏：x 【五( ”，一后) 】 【五( + 胁) 】 ( 1 6 ) k = - ，2 当= 乏= 争 ，= ( i d r ) ( m o d i ) ( 1 7 ) ，【o ，1 ) 称为数字延时，表示所需要计算的新采样值相对于输入采样值的延时。 ( 1 6 ) 式为采样率转换过程中所必需的滤波任务建立了一个全数字描述。其中，脉冲响 应 ( f ) 的采样时间为正( i + 卢f ) k - n 2 ，n 2 1 】，也就是说对于每一个输出采样值，都需 要使用一组不同的脉冲响应的采样值，具体使用哪组由p t 来决定。因此，采样率转换过程 软件无线屯中的采样率转换的研究 实际上是一个时变滤波过程，而这个过程的关键是如何设计和实现这个时变滤波器砸) 。 下面我们会进一步说明，滤波器设计的优劣主要由它的抗混叠和抗镜频能力决定。 1 2 3 采样率转换的实现方法 采样率转换系统的关键是如何设计和实现其中的滤波器。由于f i r 滤波器具有很大优 越性，如非常稳定，易于实现线性相位，并容易实现高效结构，因此，在采样率转换系统 中，绝大多数为采用f i r 滤波器的直接实现结构或多项结构；但也有其它形式的滤波器很 适合进行采样率转换，如积分梳状滤波器。在第二章中我们会着重介绍f a r r o ws t r u c t u r e ， 此类结构将是本文讨论的重点。 现在，我们要考虑一下在软件无线电中实现采样率转换的特殊要求。 1 2 4 采样率转换在软件无线电中的特殊性 1 2 4 1 与传统内插问题的区别 当采样率转换被引入到数字通讯收发器的信号处理领域当中时，其主要任务发生了改 变：和著名的内插问题不同，s r c 在将数字信号从一个采样频率转换到另一个采样频率的 同时，必须保护好某一个限定频带内的信息f 】。 软件无线电中s r c 必须在每个模数转换和数摸转换接口进行，根据信号的特性和所需 要保存的信息量，采取不同的采样率转换方法。而 5 】所建议的内插方法只不过是适合某一 种特殊情况的解决方案。传统上著名的内插适合解决“计算列表函数中间值”的数学问题。 但是在通讯信号处理领域，列表元素中的值由信号采样结果代替：当我们比较二者有何不 同的时候，可以明显发现在s r c 中使用经典的内插方法是无法满足要求的。内插的目的是 为了平滑曲线，曲线的采样值即为列表元素，可以说内插是一种时域近似：而在信号处理 领域，计算列表元素中间值的目的通常不是平滑曲线，而是为了保存信号所携带的信息。 不同的频带携带不同的信息，当我们将视线从时域转换到频域的时候，会更好的明白软件 无线电中采样率转换的特点。 1 2 4 2s r c 的频谱解释 如采样率转换原理图所示s r c 是一个重建立重采样过程，其关键是如何设计时变滤 波器h q ) 。而考虑滤波器的设计时，又必须明白，软件无线电中的采样率转换实际上是： 计算数字信号的中间值，以使信号的某一特定频带不受到扭曲。由此我们可以明白滤波器 设计的关键是其频谱的抗混叠和抗镜象能力。下面是与s r c 原理图相联系的频谱说明图。 软件无线电巾的采样率转换的研究 i x ( 力l 1 日ib o i t o r 8 娜鼬g 出 正五帅l 五2 ，正， 如& t 瓦1 i t tf r 22 五f 图1 7s r c 原理频谱说明图 如图1 7 中( a ) 示，如果对于带限信号x ( o 来说。采样周期正足够小，则采样后频谱重 复引起的镜频将不会对原信号频谱造成混叠，见( b ) 。理想的重建立过程意味着 ( 力是理想 的低通滤波器，可以消除所有镜频，但实际中这是不可能也是不必要的。只要保证在s r c 过程中，频带的某一部分不受到扭曲，我们可以放松对低通滤波器的限制，如允许阻带不 完全衰减( 镜频不完全消除) 等，参见( c ) ( d ) 。象任何采样一样，重采样过程引起了频谱的 重复；而重复出现的镜频和原频谱重叠，产生了混叠扭曲，如( e ) 所示。 由此我们可以得到结论：解决s r c 问题的首要问题是设计滤波器i ，( f ) ，丽滤波器的主 要问题是控制混叠；因此任何s r c 系统所必须遵守的首要准则是抗混叠。 1 4 软什无线电巾的采样率转换的研究 1 2 4 3 在软件无线电中实现采样率转换的硬件要求 s r c 在软件无线电中的实现除了要考虑滤波器的设计，还要考虑如何用合适的硬件结 构实现这些滤波器，并且这点同样是不能忽视的重点。 软件无线电应用在无线通讯领域中时，要求其各部分工作都要具有很强的实时性。因 此我们需要寻找一些计算效率高的有效结构实现s r c 滤波器。并且，软件无线电用软件实 现特定的通讯信号处理功能并非一定是在d s p 中使用软件实现，毕竟，在传统的d s p 中运 行某些算法消耗太大，难以成为有效的解决方案，比如s r c 。因此可以将s r c 这一特定信 号处理功能运行在某一个专用硬件中，形成s r c 加速器，由d s p 驱动。 在软件无线电终端里，要求可以根据当前运行的通讯标准和相应需要，对硬件结构进 行重新配置，改变s r c 滤波器的频率转换因予，通带宽度，阻带衰减等丰要参数，因此， 我们要求实现s r c 滤波器的硬件结构可以重新配置。同时由于通讯标准的多样化，我们需 要s r c 可以实现任意转换因子的采样率转换。 此外，在选取硬件实现结构时，功耗是一个主要问题，尤其是在移动通讯系统里的移 动通讯终端上；我们需要选取合适的硬件结构有效的实现必要的滤波任务。 1 3 软件无线电中的硬件结构 从软件无线电的定义可知，软件无线电需要在一个可编程控制的通用硬件平台上，采 用数字信号处理技术，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能；它需要使高速a d 和 d a 尽量靠近天线，尽早完成模数转换以后，在数字域进行各种处理。因此，软件无线电 对其硬件设计及采用的芯片具有很高的要求。 除了通用性，其硬件平台还需要具有开放性，因此必将采用总线式的结构。工业控制 总线的总线标准很多，例如i s a 、p c i 、e i s a 、v e s a 、v m e 等。i s a 总线和v m e 总线在 目前的数字信号处理和工业控制中用得较多，而v m e 总线比i s a 总线更有优势。1 s a 总 线的数据为1 6 位，地址总线为2 4 位，地址空间1 6 m b ，其总线带宽仅有几兆赫；而v m e 总线数据宽度为3 2 位，地址总线共有3 2 根，地址空间有4 g b ，总线带宽为几十兆赫。v v i e 针对多处理器系统设计，而i s a 总线是单处理器系统总线，故在采用多处理器时系统的调 度能力较低，而在软件无线电中为了提高处理能力，往往采用多处理器系统。因此v m e 总线已经被广泛用于工业控制之中，具有众多的支持者和强大的生命力。 在第五章中，我们将介绍一个根据软件无线电概念设计的实验平台，通用性和开放性 是它的两个特点。设计这个实验平台的主要目的是针对软件无线电中的数字信号处理算法， 例如s r c 。因此它简化了对软件无线电其它环节的考虑。平台主要具备高速a d ，d a ， d s p 和f p g a ，单片机等。由于该平台的目的不是针对整个软件无线电系统，现有资源已 软件无线电中的采样率转换的研究 基本满足要求，因此未使用v i v l e 总线，而采用一些扩展接口来实现平台的开放性。 软什无线电中的采样率转换的研究 第二章基于分段多项式函数的滤波器及f a r r o ws t r u c t u r e 在1 2 4 中介绍了在软件无线电中实现采样率转换时所需要注意的问题。由此了解到， 实现采样率转换的关键是s r c 滤波器的设计与实现：滤波器的设计着重在它的抗混叠性能 上；而滤波器的实现则着重在它的计算效率、转换因子范围，可配置等硬件性能上。在本 章中，将详细介绍基于分段多项式函数的滤波器及f a r r o ws t r u c t u r e ，我们会看到它非常符 合软件无线电中s r c 滤波器对硬件性能的要求。而在下一章中，会侧重于滤波器设计的抗 混叠性能。 2 1 为什么是基于分段多项式函数的滤波器 虽然采样率转换和内插在对滤波器的性能要求上有所不同( 详见第三章) ，但它们对 滤波器的硬件实现要求一致。因此，可以由讨论内插滤波器的实现入于，此类文章非常广 泛，在【7 中作者详述了内插滤波器的实现和优化方法等。 内插和采样率转换的原理相类似，可根据( 1 6 ) 式得到一个结论：内插滤波器实际上也是 一个时变滤波器。这个时变滤波器的实现形式多种多样。( 1 6 ) 式描述了一个数字滤波器形 式，而这个时变数字滤波器通常可以由一个具有分数延时的f i r 滤波器来实现，称为f d 滤波器。【2 9 对f d 滤波器的设计及应用作了一个精彩的回顾。在多数应用中，都希望可以 在计算中实时控制分数间隔，进而控制内插位置。通常的做法是设计一组f d 滤波器，将 滤波器系数存储在内存中，每次分数间隔改变时，从内存中调出相应系数组对滤波器进行 配置。这种做法的缺点是需要大量的系数存储器，其容量由滤波器的长度、分数间隔的分 辨率决定。 在采样率转换中也有同样的问题，如果依照( 1 3 ) ( 1 6 ) 以数字滤波器的形式来实现s r c 滤波器，那么滤波器采样值的存储空间也许会非常大。计算一个输出，需要一组滤波器采 样值，选用哪组滤波器采样值由( 1 3 ) 中的正和瓦来决定。如果采样率转换因子为整数倍 或有理数倍转换，那么( 1 3 ) 式所描述的系统就是一个周期性时变系统，计算中所需要的滤 波器采样值是某一组确定的值，可以将这些值预存起来，使用特定的系统来实现采样率转 换，例如多相滤波器组【3 】。但是当采样率转换因了是无理数或者分子分母都非常大的有理 数时，存储滤波器采样值的空间将会变得非常大以致没有任何可行性。而在软件无线电中， 面对多种多样的移动通讯标准，我们正是需要采样率转换可以处理各种转换因子。 为了避免滤波器的系数或采样值存储问题，希望使用一些简单函数来描述滤波器的冲 激响应，然后通过这些函数实时计算滤波器的系数或采样值。 软件无线电中的聚样率转换的研究 在内插中常使用的函数是三角或s i n e 函数。此类内插滤波器的系数可以通过采样三角 或s i n e 函数表达式来实时计算滤波器系数，对滤波器进行配置。采样相位直接由分数间隔 决定。但是当三角或s i n e 函数的采样值无法直接轻易获得时，这些值通常就被存储起来等 待调用。这样反而又回到了存储问题上来。此外，这类基于三角或s i n e 函数的内插滤波器 不具备很好的频率特性，特别是面对宽带信号时，不能提供足够的选频性能。 显然，对于软件无线电中的采样率转换，三角和s i n e 函数也同样不适合用来表达s r c 滤波器的冲激响应。为了使软件无线电中的采样率转换可以处理各种的采样牢转换因子， 我们需要实时计算s r c 滤波器的采样值，为此需要寻找一个合适的简单函数用来描述s r c 滤波器的冲激响应。分段多项式正是这样一个简单函数。 基于分段多项式的滤波器已经大量应用于内插领域 6 7 11 】。它最大的优点是可以通 过一种称为f a r r o ws t r u c t u r e 1 9 的结构来实现。该结构由一组并行f i r 滤波器构成，具有 固定的系数，很适合在d s p 或v l s i 中实现。任意位置的内插输出可以通过以一个分数因 予加权各f i r 滤波器输出来获得，操作简单。 2 2 基于分段多项式函数的滤波器原理 前面我们提到，如果可以将内插滤波器的冲激响应用分段多项式函数来表示，则可以 避免滤波器系数存储空间过大的问题，通过实时计算这个简单函数，我们可以得到想要的 滤波器采样值及系数；另外，这种基于分段多项式的滤波器通过f a r r o ws t r u c t u r e 来实现， 很适合应用在数字处理芯片中。由此可知，这种基于分段多项式的滤波器也符合了软件无 线电中s r c 滤波器对硬件的要求：实时计算，易于实现。其原理【7 】【8 如下： 分段多项式函数的阶数设为m 每一段多项式可以表示为： ( ，) ：j m 兰= 0 c ，( 州，眩k ( 2 1 ) 1 0e l s e 其中表示段长，n 表示该段位置。则滤波器脉冲响应表示为： 2 - 1 m = h 。( 卜”) ( 2 2 ) 将( 2 3 ) 代入( 2 1 ) ，并用输入采样周期z 代替，得到： 站g 佗 一 彪一 ，一 一 ： o 一 软件无线皇主望墨壁皇茎堂塑里塑一 矗( f ) =塾峙鹏一w 根据 ( ，) 中，值的范围可得： 一n t , 2 ，e k t , n t , 2 ， 刊鲁一芸 _ - k - l t 五2 + 萼 一n t , 2 兰f 五，2 j l f j z 亏一譬s l j t 疋) ，重 采样后产生的镜频不易产生混叠，因此其对滤波器的要求是：只需要衰减好重建立之前信 号的镜频成分( 1 z 的整数倍位置上) ，而对前述的抗混叠性能没有太高的要求。 f a r r o ws t r u c t u r e 所实现的滤波器的传输零点集中在输入采样率1 正的整数倍位置，主 要衰减重建立之前信号频谱的镜频成分，而不是重采样之后的频谱混叠成分。它很适合内 插滤波器的实现，却不具备足够的抗混叠性质。即使通过一些特定的优化程序扩展滤波器 软件无线电中的采样率转换的研究 州耻毫鼢砂小舯。叫“， b - ， 驴卜争孙 b z ， = 磷，”r n t 2 ， 舻倒专删 b 。， 图3 1 上面的几个公式描述了的段长为疋时 现结构，如下图所示： 女+ 1 ) li i t + 2 ) 疋 t 与i t ，示意图 基于分段多项式的采样率转换滤波器的一种实 软件无线电中的采样率转换的研究 图3 2i 型转置f a r r o ws t r u c t u r e 结构图 可以证明对f a r r o ws t r u c t u r e 应用易位定理【3 可得到上面的结构，因此称这种结构为 f a r r o w s t r u c t u r e 的转置结构。用该结构实现的滤波器的传输函数，零点集中在1 l 的整数 倍位置上