直接数字中频正交采样实现.ppt

1、05:53,1,3 数字正交采样及其实现方法,基本原理 正交采样的实现方法 低通滤波法 Bessel插值法 多相滤波法 滤波器设计 三种方法的性能比较,05:53,2,3.1 数字正交采样的基本原理,带通信号 以 采样，可得,05:53,3,结论： 可直接由采样值交替得到信号的同相分量I(n)的偶数项和正交分量Q(n)的奇数项，不过在符号上需要进行修正 、两路输出信号在时间上相差一个采样周期 。 但在信号处理中，要求得到的是同一时刻的I和Q之值，所以需要对其进行时域的插值或进行频域的滤波，二者是等效的。,05:53,4,符号修正 令M奇数，则可得符号修正系数为1 -1 -1 1 1 -1 -1

2、 ； 令M偶数，则可得符号修正系数为1 1 -1 -1 1 1 -1 ； MATLAB实现： sa=ss.*kron(ones(1,(N+N1)/4),1 1 -1 -1); %符号修正 其处理时序如下：,05:53,5,FPGA实现,FPGA实现 使输入信号与采样信号的四分频时钟相异或再加一，即可以完成符号的变换 VHDL设计 process(d_4d) begin TT(0)=d_4d XOR data(0); TT(1)=d_4d XOR data(1); TT(2)=d_4d XOR data(2); TT(3)=d_4d XOR data(3); TT(4)=d_4d XOR dat

3、a(4); TT(5)=d_4d XOR data(5); TT(6)=d_4d XOR data(6); TT(7)=d_4d XOR data(7); TT(8)=d_4d XOR data(8); TT(9)=d_4d XOR data(9); TT(10)=d_4d XOR data(10); TT(11)=d_4d XOR data(11); sig=TT+d_4d; end process;,A B 异或值 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0,05:53,6,3.2 正交采样的实现方法,数字方法: 直接中频采样数字正交相干检波 实现方法: 低通滤波法 Bessel插值法

4、 多相滤波法,05:53,7,1. 低通滤波法,将A/D采样放在混频之前，采用数字混频与低通滤波，提高了精度与稳定性。,05:53,8,低通滤波法 频谱分析,fs=4 f0/3=2 fs2=4 fs1 , f0=3 fs1,采样后信号的频谱：,数字混频后的信号频谱,输出信号的频谱,05:53,9,滤波器设计要点,此时信号的处理带宽最大为B= fs/2。 实现时为获得较高的镜频抑制比，设计的滤波器要尽可能接近理想状况 设计的低通滤波器阻带衰减要有一定的深度，最好使衰减后的镜频分量不大于量化噪声，这样可以较好的滤除附近的高频； 同时过渡带要窄，这样在同样的采样率下，就可以允许更宽的输入信号。,05

5、:53,10,滤波器设计优化,由于滤波器的输入数据交替为0，因此可以对滤波器进行简化，I、Q路的系数分别简化为： n=0,1,N/2-1 式中，h(n)为FIR原型滤波器的系数，N为h(n)的阶数。这样，滤波器的阶数降低了一半，同时完成了1/2抽取。,05:53,11,优点： 低通滤波法对双路信号同时作变换,所用的滤波器系数一样;这样两路信号通过低通滤波器时由于非理想滤波所引起的失真是一致的,对、双路信号的幅度一致性和相位正交性没有影响,从而具有很好的负频谱对消功能,可以达到很高的精度 ； 处理信号的带宽较宽 缺点： 数据采集时需要较高的采样率，数据输出速率没有降低； 滤波器阶数相对较高，实现

6、复杂,05:53,12,2.插值法,插值函数： 辛格函数，Hilbert函数，Bessel插值等,05:53,13,插值处理：Bessel插值法,n(n为偶数)阶Bessel中点插值公式为：,特点： 1. n阶Bessel插值公式中只有n/2个不同的系数; 2. 分母为2的整数次幂。,05:53,14,常用Bessel插值相应的系数,4阶：-1，9，9，-1/16； 6阶：3，-25，150，150，-25，3/256； 8阶：-5,49,-245,1225,1225,-245,49,-5/2048; 10阶：35,- 405,2268,-8820,39690,39690, -8820,226

7、8,- 405,35/65536;,1+8,05:53,15,插值处理：Bessel插值法,插值公式工程使用：,4阶Bessel插值公式为：,式中，,为已知点，,为,的中值点。,05:53,16,4阶插值改进：,05:53,17,基于Bessel插值的正交相干检波ASIC设计,05:53,18,Bessel插值时序图,注意：由于器件延时等原因，实际输出数据不一定和仿真完全 一致，所以实际调试时最好采集变换后的数据验证一下。,05:53,19,-100dB,30.1M正弦信号，40M采样,Bessel插值法仿真,05:53,20,3. 多相滤波法,原理说明,对一路序列做3/4分数延时， 对另一路

8、序列做1/4分数延时 时间对齐,05:53,21,对于时间上“对不齐”的现象，可以采用两路分别用一个延时滤波器来进行校正（相当于分数倍的插值），这两个滤波器的频率响应满足,例如可选 ， 则I和Q输出频谱为,05:53,22,3. 多相滤波法,实现框图,采用两个不同的延时滤波器对I、Q两路都进行滤波，得到正交的信号。 分数延时滤波器的设计可以利用滤波器的多相网络结构。,05:53,23,3. 多相滤波法,分数延时滤波器设计 利用内插器的多相网络结构,05:53,24,多相滤波法 频谱分析,fs=4 f0/3=2 fs2=4 fs1 , f0=3 fs1,采样后信号的频谱：,符号变换后的信号频谱,

9、输出信号的频谱,奇偶抽取后信号的频谱,05:53,25,3. 多相滤波法,分数延时滤波器设计 滤波器系数的确定,05:53,26,多相滤波法的ASIC设计,05:53,27,多相滤波法仿真,-64dB,30.1M正弦信号，40M采样,05:53,28,3.3 滤波器的设计,FIR滤波器方法 窗函数法 矩形窗、Hamming窗、 Blackman窗、契比雪夫窗等 Kaiser窗：越大，过渡带越宽，阻带衰减也越大 优点：应用简单，理解简单，计算量小 缺点：缺乏灵活性 最佳方法Remez法 等波纹最佳一致，功能强大而且非常灵活，可自己设置通带、阻带的宽度,05:53,29,3.3 滤波器的设计,常用

10、窗函数重要特征总结,05:53,30,3.3 滤波器的设计,Matlab中的实现 remez法 Nf=63; f=0 0.25 0.60 1; a=1 1 0 0; bb=remez(Nf,ff,aa); 窗函数法（fir1） bb=fir1(Nf,0.25); % Hamming窗函数 bb=fir1(Nf,0.25,Kaiser(Nf+1,10); Kaiser窗函数 bb=100*fir1(Nf,0.25,Blackman(Nf+1); % blackman窗 bb=fir1(Nf,0.25,chebwin(Nf+1,30); % 契比雪夫窗 系数量化 bb=round(bb.*(215

11、-1)/max(bb); % normalize 16bit,FDATool,05:53,31,3.3 滤波器的设计,优化设计 线性相位FIR滤波器h(n)满足对称性，即 h(n)=h(N-1-n). 如8阶的滤波器系数为h0h7,则有h0=h7,h1=h6,h2=h5,h3=h4. 输入为x0-x7,则输出y=x0*h0+x1*h1+ +x7*h7 =(x0+x7)*h0+(x1+x6)*h1+(x2+x5)*h2+(h3+h4)*h3。 FPGA实现，利用其内部的乘加模块，则可以分解为 y1=(x0+x7)*h0+(x1+x6)*h1;y2=(x2+x5)*h2+(h3+h4)*h3。 只

12、需要两次运算就可以完成一次滤波，节省了一半的乘法器，速度也提高了一倍。,05:53,32,3.3 滤波器的设计,优化设计 若两路滤波器的系数相同，则I、Q两路还可以复用一个滤波器，分别在一个时钟的上升沿和下降沿来进行运算，这样又可以节省一半的乘法器； 低通滤波法中，若两路滤波器系数从2N阶原型滤波器中抽取出来，即hI=h0,h2,h4,h6, hQ=h1,h3,h5,h7,具有反对称关系。故只要将输入数据反序一下，两路也可以利用同一个滤波器来实现。,05:53,33,3.3 滤波器的设计,滤波器系数的量化 假设系数取为N位，则将最大系数为量化为2N-1-1(注意去掉一位符号位),其余系数按此比

13、例量化； 例如滤波器系数取8位，则最大系数可取为127。 滤波器的暂态效应 在每个PRI开始，当数据未充满整个滤波器时，滤波器的输出数据是不正确的，这就是滤波器的暂态效应； 对非平稳的PRI起始，模拟滤波器也存在暂态，且这个暂态的长短与滤波器的带宽以及过渡带有关，与之相应的是数字滤波器的阶数,05:53,34,3.3 滤波器的设计,输出位数选择 目的：既充分利用有效位数，又不致使数据发生溢出。 实例： 假设输入数据是12位，系数为16位，则一次相乘最大输出为12+16-127（补码去掉重复的一个符号位）。 又 ， 最大为11位（去掉符号位）； 假设|h(n)|最大为15位（也不包括符号位）；

14、对最大的h(n)归一化后，若 为3.4 则滤波器输出最高位数应为11（输入）+15（系数）+2（求和）+1（符号）29位，即输出的16位数据应该取滤波器输出的D29-D14。,05:53,35,3.4 三种实现方法的性能比较,输入中频信号(f0=10MHz, fs=8MHz,带宽B=4MHz, 这相当于取 fs=4f0/(2m-1) 中m的值为3 )。 信号频率分量 fd(- 2 MHz, 2MHz) , 横坐标为信号的频率偏移分量fd与采样频率之比 纵坐标为镜频分量抑制 M=20 lg| X(-fd) / X(fd)| 。 低通滤波法： 32 阶FIR等纹波滤波器； Bessel 插值法：8

15、阶插值滤波器； 多相滤波法：64阶内插低通滤波器 。,05:53,36,理想情况下镜频抑制比较图,05:53,37,三种实现方法的性能比较,插值法：频偏较窄时，具有很高的镜频抑制效果，但其有效带宽较小，在信号归一化带宽超过10时，IR很快就衰减到较低的水平； 多相滤波法：有效带宽相对较大（20%），所需的滤波器的阶数仅为低通滤波法的1/L，实现相对简单； 低通滤波法：几乎在整个带宽内都具有比较平均的衰减，即使信号的归一化带宽在40左右时也可以达到170dB左右的镜频抑制比, 适用于边带频谱较强的场合；,05:53,38,添加量化噪声的镜频抑制比较图,输入信号字长为12bit，滤波器系数和输出信

16、号字长为16bit,05:53,39,宽带情况下应用仿真,结合某项目要求，取输入LFM信号中频f0=60MHz，采样速率fs=16MHz，调频带宽B=5MHz, 脉冲宽度100us,（a）输入信号及其频谱（b）输出信号及其频谱,05:53,40,（a）原型滤波器 （b）输出正交圆图,（c）I支路滤波器 （d） Q支路滤波器,05:53,41,4 设计注意问题说明与讨论,05:53,42,设计注意问题说明与讨论,截止频率为/2,中频直接采样方法的统一,05:53,43,设计注意问题说明与讨论,在同样的阶数下，有效输入带宽 镜频抑制 要使输入信号在宽的范围内获得高的镜频抑制，可以减小对阻带衰减的要求 ，或者使通带幅度特性呈现波动性，这都会降低镜频抑制的效果。 为了不降低镜频抑制的效果，可以提高滤波器的阶数，使滤波器逼近理想特性，从而提高输入信号的有效带宽。 在实际应用中，需要根据输入信号的带宽，镜频抑制的要求，滤波器的阶数等折衷考虑,输入带宽与镜频抑制的关系,05: