软件无线电数字下变频及抽取技术研究.doc

软件无线电数字下变频及抽取技术研究软件无线电数字下变频及抽取技术研究.txt什么叫乐观派？这个。就象茶壶一样，屁股被烧得红红的，还有心情吹口哨。生活其实很简单，过了今天就是明天。一生看一个女人是不科学的，容易看出病来。 本文由刘邦之胄贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 成绩： 软件无线电大作业 软件无线电数字下变频及抽取技术研究 班级： 学号： 姓名： 日期： 0107xx 0107xxxx 2010-12-17 1 目录 摘要 3 Abstract 3 1 引言 4 2 级联积分梳状滤波器原理 4 3 多路抽取和符号率转换问题 5 3.1 问题的提出 5 3.2 解决问题的思路 6 4 抽取和内插6 5 实时处理结构8 6 结语 9 参考文献 9 2 摘要 数字采样及数字下变频技术是研究软件无线电接收机的重要内容之一。其中针对多 种速率信号的采样，对可变的信号符号率与固定的系统采样率进行实时匹配问题，是研 究多速率信号数字化所遇到的难点问题之一 文中通过抽取和内插技术的组合解决了这 一问题。并在此基础上着重研究了高速抽取和内插的多项滤波结构，为数据率的快速匹 配奠定了基础。 关键词: 关键词:多相滤波；符号率转换；子带抽取；数字下变频：软件无线电 Abstract Digital sampling and digital down-conversion technologies are important contents for study of software defined radio receiverSampling，which is aiming at multiple rate signals，and real time matching for the variable information symbol rate and fixed system sampling rate，are hard problems in researching the digitization of multi-rate signalIn this paper，these problems are solved by the combination of decimation and interpolation technologiesBased on this， the polyphase filter structure of the high-speed decimation and interpo1ation is emphatically studied，thus laying a foundation for the rapid-rate data match words: symbol conversion； subband decimation； digital down Key words: polyphase filter； conversion software defined radio 3 1 引言 软件无线电是将无线电发信机的数字化点(A/D，D/A)尽可能靠近天线，理想情况是 在天线的后端进行射频采样，数字化后，所有的处理都可用具有软件定义的无线通信功 能模块来完成。由于受ADC器件的限制，无法直接对射频信号进行采样。因此，目前的 方案是在中频进行数字化，即把射频信号经过一次或者多次混频后，将信号搬移到几十 MHz的中频段，再进行ADC的带通采样。但是，带通采样后的数据量仍然极大，这对数据 进行后处理的DSP器件或FPGA器件不堪重负。软件无线电接收机在中频接收的是系统的 整个频段，但对单个用户来说却只占用其中一个很窄的信道，因此数字下变频部分要完 成的任务： (1)将包含所有信道的宽带信号进行信道分离，分别提取需要的窄带信道； (2)对于分离后的窄带信号，降低对其的采样频率，从而降低此信道的数据量，以减 轻基带处理部分对DsP或FPGA的计算要求的压力。 当抽取率尺较大时，若要一次完成抽取，则要求抗混叠滤波器的通带带宽非常窄， 过渡带非常陡，则滤波器的阶数必然要求达到几百甚至几千阶，如此大的运算量是DSP 或FPGA器件无法实时处理完成的。因此，当抽取率很高时，通常采用多级抽取技术，这 样做比单级抽取所需的计算量小得多。多级抽取实现的途径一般采用以抽取率为2的抽 取器为基本单元，若抽取率R=R12k，则在第一级采用运算简单的级联积分梳状抽取 (Cascaded Integrator-Comb，CIC)滤波器，其抽取率为RI；其后，为K个半带滤波器和2 倍抽取器。 2 级联积分梳状滤波器原理 级联积分梳状抽取滤波器的基本结构的主要组成部分为抽取器(抽取因子为R)。 在抽 每一级积分器都是单极点， 反馈系数 取器左边是由N个采样频率为fs的级联积分器组成。 -1 为1的滤波器，它的传输函数为HI(z)=1/(1一z )；而在右边是由N个采样频率为fs/R的级 联微分器组成。每一级微分器可以延时从此延时参数M滤波器的设计参数，可用来控制 滤波器的频率响应，在CIG滤波器设计中，它的值严格限制为1或2。每一级微分器的传 输函数为(参考输入采样频率fs/R)：Hc=1-z-RM；最后一级滤波器的输出采样率是fs/R。因 此，整个CIC滤波器的传输函数为 从式中可以看出，级联CIC抽取滤波器是由N个矩型滤波器级连而成，故名级联梳状 滤波器。从结构上看，级联CIC抽取滤波器中只有加法运算而没有乘法运算，故在实现 上是很方便的。 级联CIC抽取滤波器具有低通的频率特性。 设z=ej2f/R， 其中厂是用采样频率fs/R归一 化后的频率。带入H(z)得到它的频响。R、M和N是作为滤波器设计参数，通过选择它们 来控制从零频到采样频率届之间可以接受的通带宽度。计算H(z)的幅频特性为 |H(f)|=(sinMf)/sin(f)/R)。由上式可见，在f=1/M整数倍时，滤波器的传输函 4 数幅频响应等于零。因此，微分器的延时参数M作为控制滤波器零点的设计参数。对任 何CIC滤波器而言，它的传输函数一定有RM个零点。这些零点在z平面中是均匀分布在单 位圆上，仅在z=0时，不为零。随着N的增加，z的零点阶数也随之增加，即向零点频率 收敛方向的频率衰减加剧。随着滤波器级数N的增加，旁瓣电平的衰减也增大。同时， 随着零点的阶数的增加，带内衰减也同样加大，从而，造成了滤波器通带带宽的变窄。 在有些应用场合，这是无法接受的。 为了补偿由于随着N的增加，引起通带内频率的衰减，一般采用在级联CIC抽取滤波 器之后再级联一个低通滤波器来补偿。 这个补偿滤波器的组成一般采用半带滤波器和普 通FIR滤波器，此FIR滤波器组要求对级联CIC抽取滤波器带内的衰减进行补偿且具有较 陡直的滚降特性。补偿滤波器的采样频率为CIC滤波器抽取后的采样频率。如果将补偿 滤波器设计成FIR滤波器，那么当通带内的误差容限要求很高时，则要求FIR滤波器的阶 数增加。 3 多路抽取和符号率转换问题 3.1 问题的提出 对于下变频系统来说，要解决两个问题： 1)接收下来的是系统的整个频段(0，fs/2)。而对于一个通信用户而言只占用其中一 个很窄的信道，如TACS系统中，系统频段为15 MHz，而信道带宽只占25 kHz。数字下变 频把数字中频信号变换到基带，将所需要的信道从宽带信号提取出来，降低采样速率， 以减轻基带部分对DSP处理速度的压力。 2)基带处理要求下变频器输出的信号是符号率的整数倍，而对于带通采样来说，采 样率区间随着载波频率而变化，对多速率信号的带通采样就很难保证实现整数倍的符 号，这就需要在数字下变频的系统中增加速率变换功能。广义的数字下变频功能框图如 图1所示。 图1 数字抽取功能 5 3.2 解决问题的思路 对于问题1)，假设数字下变频的宽带采样信号为c(n)，将它搬到基带需要乘以一个 复指数：x(n)=c(n)e-2nf，其中，fc是所需要信道载波频率：fs为采样速率；频率搬移后 的信号通过一个低通滤波h(n)即可滤出所需要的用户信道。 把式(1)和式(2)合在一起(即频率搬移和滤波一步完成)得到： (3)式中，c(m)是合成后的滤波器的系数。这样，只需直接计算抽取后的那些y(n)， 避免了汁算中间信号x(n)，这种软件实现方法改进是：混频、滤波、抽取结合在一起完 成，并且把大量的运算通过与滤波器的结合转移到低采样率处完成。其代价是需要事先 计算好不同信道的复系数c(m)以及需要较大的数据存储空间。 对于问题2)，不能因为多速率信号不确定的符号率，而把采样率的设计变得很复杂，只 能取满足无失真的非整数倍符号率的采样率，然后在增加速率变换电路，通过抽取和内 插方法的结合，实现分数倍采样率转换，组成一个多抽样率系统。如图2所示。 图2 分数倍采样率 处理包含内插、滤波和抽取3个部分，其T1、T2、T3是速率周期。 因为T2=T1/Nl，T2=T3/N2，所以T3=(N2N1)Tl，实现了小数倍抽取。由于内插会 产生镜像频谱，所以在内插和抽取之间加入了抗镜像混叠的滤波器。以下介绍整数抽取 和内插的基本实现方法及其高效结构。 4 抽取和内插 抽取：把原始序列x(n)每隔D1个数据取一个，以形成一个新序列xD(m)。 D为正整数，称之为抽取因子。 xD(m)和x(m)之间的对应关系可用下式表示: 6 或写成x(m)与一脉冲串序列的相乘 则 由采样定理， 对模拟信号盖(f)采样时， 若保证fs2B则采样后就不会产生频谱混叠： 采样后再抽取的话要考虑抽取后的采样率是否仍然满足采样定理， 否则会产生频谱混叠 为满足在不同M下都保证fs2MB，可在抽取之前先对x(n)进行滤波压缩其频带，用抗混 叠滤波器滤掉频率大于fs/2D的分量，然后再进行抽取就不会产生频谱混叠。 内插：和抽取相反，内插是提高信号的采样率。在采样序列x(n)每相邻的两个点之间补 (L-1)个零，以形成一个新序列 设原始序列为x(n)，则内插后的序列xL(n)为 则 由此可知，内插后的信号频谱为原始序列谱经L倍压缩后得到的频谱，在XL(ejw)中不 仪含有X(ejw)的基带分量，而且还含有高频成分，为了从XL(ejw)中恢复出原始谱，则必须 对内插后的信号进行低通滤波。 7 5 实时处理结构 在软件无线电的接收机中，采样率转换模块工作在非常高的时钟频率上，数字抗混 叠滤波器的实时性问题将足重要的研究课题。 采用多相滤波结构能大大降低对处理速度 的要求，提高实时处理的能力，下面对此进行数学上的分析和论证。 设数字滤波器的冲击响应为，则其Z变换定义为 对求和式展开可重写为 令 则 式(12)即为数字滤波器的多相滤波结构，结合到抽取器的等效关系，即可得到抽取 器的多相滤波结构，如图3所示。 图3 抽取器的多相滤波结构 由图3可以直观得看出，此时的数宁滤波器EK(z)位于抽取器之后，即在降速后进行 滤波，大大降低了对处理速度的要求，而且每一支路滤波器的系数eK(N)由原先的N个减 少为N/D个，可以减小滤波运算的累积误差，提高计算精度。同理可以得出内插器的多 相滤波结构表示形式： 8 其中RK(z )=E(I-1-K)(z )，其结构图如图4所示。 抽取器和内插器采用多相滤波结构后，既可大幅降低对处理速度的要求又能提高运 算精度。 I I 图4 内插器的多相滤波结构 6 结语 基于软件无线电的高频宽带多模式、 多速率信号的数字化处理， 是国家863和国家自 然科学基金重点支持的课题，高频宽带软件无线电技术的最终实现，将为通信技术的发 展特别是对电子对抗水平的提高，起到至关重要的作用。数字信号的实时多比例抽取， 解决了多速率信号与采样率之间的整数倍调整问题， 在宽带射频(中频)软件无线电技