基于希尔伯特变换的数字下变频器

1、第 4卷第 2期2005年 5月 淮阴师范学院学报 (自然科学版 JOURNA L OF H UAIY IN TE ACHERS CO LLEGE (NAT URA L SCIE NCE E DITION V ol 14N o 12May. 2005 基于希尔伯特变换的数字下变频器李 鸣 1, 颜 彪 1, 周 平 2, 杨 娟 1(1. 扬州大学 信息工程学院 , 江苏 扬州 225009; 2. 淮阴师范学院 物理系 , 江苏 淮安 223001摘 要 :数字下变频器 (DDC 是实现软件无线电的关键部件之一 . 本文首先对模拟 I 2Q 下变频 器和数字 I 2Q 下变频器的基本结构进行

2、了分析 , 然后着重研究了基于希尔伯特变换的数字 I 2Q 下变频器 . 最后通过例举 HSP50214B 进一步说明了通用可编程 DDC 的典型设计结构 .关键词 :软件无线电 ; 数字下变频器 ; 希尔伯特变换中图分类号 :T N911172 文献标识码 :A 文章编号 :167126876(2005 0220112204 收稿日期 :2004212225 基金项目 :江苏省国际科技合作计划项目 (BZ 2001036 作者简介 :李鸣 (19842 , 女 , 安徽毫州人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为通信信号处理 .0 引言数字下变频器 (Digital DownC onverte

3、r ,DDC , 它主要完成下变频 、 采样率压缩和低通滤波这三部分功能 . DDC . 其原因有二 :一是为了降低 DSP , KH z 以下 , 这就 . 一是单信道方式 (或称为实数变换 , 即只有一个数据输 出信道 ; , 它产生两个相位相差 90°的数据输出信道 (简称为 I 2Q 信道 . 其中 后者能够精确地保留输入带通信号的幅度和相位信息 , 具有以下优点 :1 如果对两路输出都进行数字化 , 则输入信号的带宽可以翻一倍 ;2 I 2Q 信道变换中保留了幅度信息 . 从 I 2Q 信道输出中 , 或者可以得到一个信号的幅度 , 或者能够 检测出同时存在多信号的情况 ;

4、3 如果只存在一个信号 , 则可以利用 I 2Q 信道来确定瞬时频率 .在实际应用中 , 获得数字 I 、 Q 信道的方法很多 . 本文首先分析模拟 I 2Q 下变频器和数字 I 2Q 下变频 器的基本结构 , 然后着重研究基于希尔伯特变换的数字 I 2Q 下变频器 . 最后还给出通用可编程 DDC 的 典型设计结构 , 并例举 HSP50214B 来进一步说明 .1 模拟 I 2Q 下变频器采用模拟 I 2Q 下变频器是接收机设计中最常用的方法 . 模拟下变频器由模拟方法产生 I 2Q 信道 , 其 优点是具有较宽的带宽 (可覆盖几千兆赫兹的带宽 , 而不足之处是两信道之间的平衡性差 . 该

5、方法使用 一个 90°的移相器 , 由两种方法来实现 , 即在输入支路中引入 90°移相或在本振中引入 90°移相 . 模拟 I 2Q 下变频器通过两路相参检波和双路 A/D 采样产生复信号 , 其结构如图 1所示 (在本振中引入 90°移 相 1.由于两个相似的模拟分量难以在很宽的频率范围内达到平衡 , 因此 , 两路正交通道之间的幅度一致 性和相位正交性难以得到保证 , 实际中很难实现模拟 I 2Q 信道下变频器的平衡输出 .随着数字信号处理 技术的不断发展 , 人们又提出利用数字方式产生具有高平衡度 I 2Q 信道的方法 .图 1 模拟 I 2Q

6、下变频器结构图 2 数字 I 2Q 下变频器数字方式产生 I 2Q 信道的方法通常有希尔伯特变换和特殊采样方案两种 . 在该方式中 ,I 信道的数据从单信道的下变频器得到 ,Q 信道的数据通过对 I 数据进行处理产生 , 从而把 I 2Q 信道输出之间的不平衡度保持在最低限度 2.211 希尔伯特变换函数 x (t 的希尔伯特 (Hilbert 变换定义为 x (t 与函数 h (t 的卷积 , 这可表示为Hx (t x h (t =x (t 3h (t =x (t 3=- t -d 其中 , 3表示卷积 , Hx (t 和 x h (t 表示时域中的一个希尔伯特变换 , h (t =t. 频

7、域中的希尔伯特 变换可表示为X h (f =X (f (f 由于 h (t 的傅立叶变换为Fh (t H (f =j , f 1, ( ,所以 , 只要将 X (f 的负频率乘以 j -.当输入信号 x (t 2f i t X (f =2(f +f i -(f -f i j , 而正频率部分乘以 -j , 得X h (f =2-(f +f i -(f -f i =F-cos (2f i t 对等式两边同时取傅立叶反变换 , 得Hsin (2f i t =-cos (2f i t 上式表明 , 正弦函数的希尔伯特变换就是负的余弦函数 , 结果是将输入信号移相了 -j. 同理 , 如输 入信号是余

8、弦函数 , 则其希尔伯特变换为正弦函数 , 结果也移相了 -j. 因此 , 希尔伯特变换可以提供 90°的相位变化而不影响频谱分量的幅度大小 .212基于希尔伯特变换的数字 I 2Q 下变频器图 2基于希尔伯特变换的 数字 I 2Q 下变频器结构图 基于希尔伯特变换的数字 I 2Q 下变频器的结构如图 2所示 1. 中频信号首先被直接采样 , 然后分成上下两路 , 一路信号经过延迟单元 , 另一路信号经过希尔伯特变换网络 , 从而得到正交数字信号 .在数字接收机中 , 输入信号被数字化并进行快速傅立叶变换 (FFT 以确定 X (f , 其时域希尔伯特变换 x h (t 是利用对 H

9、 (f 的定义 , 并通过 FFT 反变换来获得 . 此外 , 在离散域中 , 数据的点数必须有限 (例如为 2M +1点 . 对输入信号进行数字化并取其点数为有限值 , 这相 当于给输入信号加了一个矩形窗 , 用一个有限冲激响应滤波器 FIR 就可以近似理想的希尔伯特变换 3. 实际 应 用 中 , 通 常 采 用 半 带 滤 波 器 (Half 2Band Filter ,HBF 和 级 联 积 分 梳 状 滤 波 器 (Cascaded Integrator 2C omb Filter ,CICF .311第 2期 李 鸣等 : 基于希尔伯特变换的数字下变频器3 典型 DDC 的设计与应

10、用通用可编程 DDC 的典型设计结构如图 3所示 4. DDC 中数字抽取链 DDCH (Digital Decimation CHain 本质上是采样率变换的多级实现 , 主要完成采样率压缩和低通滤波的功能 . CICF 通常以级联形式被安 排在 DDCH 首级 , 以承担较大的抽取因子 . H BF 在实现采样变换因子为 2时特别有效 , 可以通过选取不 同级数的 H BF 抽取器级联 , 从而达到改变 H BF 级抽取因子的目的 . 面向滤波整形功能的可编程 FIR 滤 波器在 DDCH 中也是必不可少的 . 此外 , 为了实现采样率的非整数倍变换 , 通常在最后加一级重采样 (Resa

11、m pling .图 3 例 HSP50214B 5, 其大体可分为 13个部分 , 具体结构如图 4. , 使用相当灵活 , 可以解调 AM 、 FM 、 FSK 信号 .在 为 级级联 , 可承受的抽取因子为 432之间的整数 ; 级联 H BF 抽取级为 5级 H BF ; 可编程 FIR 级可用的滤波器最高阶数为 255, 它还可承担 116之间的整数倍抽 取 ; 重采样级的抽取因子可以是 14之间的非整数 . 为了恢复前面由于连续抽取而损失的时间分辨率 , 进一步降低可编程 FIR 级的采样率 , 并更充分利用滤波整形功能 ,HSP50214B 还在整个 DDCH 的最后部 分增加了

12、两级 BFH 内插级 , 这是 HSP50214B 在设计方面的独到之处 .图 4 HSP50214B 内部结构框图411淮阴师范学院学报 (自然科学版 第 4卷4 结论由于软件无线电中的大部分功能都希望用软件来完成 , 所以运算量非常大 , 即使采用较快的器件 , DSP 也不能自身用软件实现下变频功能 . 因此 , 可编程下变频器在软件无线电的实现中至关重要 , 它可 将必须处理的操作减少到可用 DSP 中软件处理的水平 , 同时还完成下变频 、 采样率压缩和低通滤波等 功能 . 基于希尔伯特变换的数字 I 2Q 下变频器的主要优点就是数字化程度高 , 而且易于用 FPG A (现场可 编

13、程逻辑器件 实现 . 随着软件无线电技术的发展和器件水平的不断提高 , 数字 I 2Q 下变频器将会得到 越来越广泛的应用 .参考文献 :1 黄英 , 李景文 , 刘敏 . 软件无线电技术在中频接收机中的应用 J.无线电通信技术 ,2004,30(1 :1820.2 James Tsui 著 . 杨小牛 , 陆安南 , 金飚译 . 宽带数字接收机 M.北京 :电子工业出版社 ,20021165185.3 何正权 , 何旭 . 多次采样与希尔伯特变换 J.电子科技大学学报 ,1997,26(5 :504510.4 程水英 , 陈鹏举 , 武传华 . 带通信号的正交调制与数字下变频器的结构设计 J

14、.无线通信技术 ,2001,17(4 :1719.5 胡延平 , 李纲 , 皇甫堪 , 等 . 中频数字化接收机系统设计与实现 J.电子技术应用 ,2001,27(7 :4547.A Digital Dow nconverter LI Ming 1, Y ANGJuan 1(1. C ollege In , University , Jiangsu Y angzhou 225009, China (T eachers C ollege , Jiangsu Huaian 223001,China Abstract : The Downconverter is one of the key com ponents in im plementing s oftware radio. This paper an 2alyzes the basic structures of analog and digital I and Q downconverters and then studies the digital I and Q down 2converter based on Hilbert trans form.