通信系統(tǒng)中數(shù)字上變頻技術(shù)的研究與設(shè)計

鐵 奎， 張 慷， 凌云志

（1．中國電子科技集團公司第四十一研究所 安徽 蚌埠 233006；2．中國電信上海公司 上海 200041）

通信系統(tǒng)中基帶信號上變頻的方式包括[1-2]模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，模擬調(diào)制中的基帶和載波信號都是模擬信號。隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展以及大規(guī)模集成電路和DSP的廣泛應(yīng)用，對通信系統(tǒng)中基帶到中頻的變換采用數(shù)字化處理，就能通過可編程器件的可編程性對載波頻率、信號帶寬、調(diào)制格式、信道編碼等進行控制，實現(xiàn)不同的通信功能要求。運用這一思想對數(shù)字上變頻器（DUC）進行研究與設(shè)計，對基帶信號進行[3]成形濾波、內(nèi)插、混頻等處理，根據(jù)不同系統(tǒng)的要求，采用不同的編程代碼來完成相應(yīng)的功能，具有較強的可編輯性及靈活性。

圖1 數(shù)字上變頻器原理Fig．1 Principle of digital up conversion

1 數(shù)字上變頻技術(shù)的理論基礎(chǔ)

數(shù)字上變頻器的基本工作原理如圖1所示，將基帶信號通過脈沖成形濾波器進行帶寬限制和消除碼間干擾（ISI），然后通過插值濾波器提高采樣率，最后與正交載波進行數(shù)字混頻、合路到中頻信號。

利用數(shù)字上變頻技術(shù)可以完成矢量電壓信號虛部和實部的疊加。設(shè)I路信號為A，Q路信號為B，數(shù)字本振（NCO）輸出的基準(zhǔn)信號樣本為sin（ωcnT），輸出與基準(zhǔn)相位信號正交的樣本為，則數(shù)字上混頻之后的信號為：

由上可知，利用數(shù)字上變頻技術(shù)可以替代傳統(tǒng)模擬調(diào)制器的作用，實現(xiàn)實部和虛部的中頻疊加。

數(shù)字上變頻器的核心器件是插值濾波器和正交混頻器。插值濾波器通過在原始的采樣點之間重復(fù)樣點然后經(jīng)過半帶濾波器或積分梳狀濾波器 （CIC）濾波來提高信號的采樣率，在頻域內(nèi)產(chǎn)生的鏡像頻譜，需要通過重建濾波器濾出。半帶濾波器具有帶內(nèi)頻響好的特點，由于是FIR結(jié)構(gòu)并且每次濾波只能提高一倍的采樣率，對于實現(xiàn)插值率較大的情況，設(shè)計復(fù)雜、浪費資源；CIC濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、插值率任意可變等優(yōu)點，但帶內(nèi)頻響不好；設(shè)計時可以考慮當(dāng)插值率小時直接采用半帶，插值率大時先經(jīng)過半帶提高采樣率，然后再CIC濾波。因此插值器可以采用半帶濾波和CIC濾波級聯(lián)的結(jié)構(gòu)。正交混頻器可以用數(shù)字振蕩器（NCO）、移位寄存器和乘法器設(shè)計。

2 半帶插值濾波器的研究

FIR的全稱叫有限沖擊響應(yīng)是數(shù)字濾波器的一種，其有著固定的硬件結(jié)構(gòu)，主要由一些延時器、乘法器和加法器等組成，其頻響的調(diào)整由濾波因子來控制。濾波因子的物理意義是濾波器頻響在時域上的反映。FIR濾波器的硬件結(jié)構(gòu)主要實現(xiàn)的是濾波因子與數(shù)字信號在時域上的卷積運算，在數(shù)學(xué)上時域的卷積就等于頻域的乘積，這也就是FIR濾波的原理。只要將半帶濾波因子導(dǎo)入FIR中，就可實現(xiàn)半帶插值濾波器。半帶濾波因子可以用函數(shù)計算或MATLAB仿真得到。

半帶濾波器是一種FIR濾波器，它的沖擊響應(yīng)除了中心點不為零之外，在其他的偶數(shù)點全為零，所以用半帶濾波器來實現(xiàn)插值濾波時，只需要一半的計算量，有很高的計算效率，可以節(jié)省硬件資源的開銷。半帶濾波器表達式為[4]：

由 z=ejω，也可以寫為：

帶內(nèi)紋波和帶外紋波相等，即δp=δs半帶濾波器頻譜特性如圖2所示。

圖2 半帶濾波器頻率響應(yīng)Fig．2 Frequence response of half band filter

3 數(shù)字正交混頻器的設(shè)計

數(shù)字正交混頻器設(shè)計如圖3所示，主要完成IQ矢量調(diào)制的功能，考慮到本振的正交性設(shè)計，可以將采樣率設(shè)置為中頻載波的 4×n 倍，n=1，2，3 ．．．， 這樣兩路相對有n個時鐘延遲即可保證載波的正交性。信號頻域的加性疊加在數(shù)學(xué)上可以表示為時域的乘法，因此混頻器可以用乘法器替代。數(shù)字本振可以利用循環(huán)輸出固定存儲的采樣點來表示。混頻之后的合路器用加法器替代即可。乘法器、加法器都會造成數(shù)據(jù)位數(shù)的擴展，但D/A轉(zhuǎn)換位數(shù)有限，因此需要對數(shù)據(jù)位數(shù)截短后輸出。由于輸入到正交混頻器信號大小的不確定性，為了保證D/A輸出后的信號有最大的動態(tài)范圍，因此需要數(shù)據(jù)位數(shù)的截取段位能夠動態(tài)調(diào)整。

圖3 數(shù)字正交混頻器設(shè)計Fig．3 Design of digital quadraturemixer

在實際電路的設(shè)計中，首先考慮的是中頻頻率及信號帶寬，若中頻信號頻率為FC，信道帶寬為B，那么采樣率可設(shè)定為：

波形存儲器中的樣點數(shù)為4n個，正交相位本振相對基準(zhǔn)相位本振延遲n個時鐘周期。輸入的基帶信號的采樣率為FS，經(jīng)過插值率M=FS/Fb的半帶濾波后，采樣率與本振相同，基帶信號與本振逐點相乘混頻后再經(jīng)過加法器合路即完成正交調(diào)制的過程。

4 仿真結(jié)果及分析

圖4 正交調(diào)制后信號的時頻仿真Fig．4 Time and spectrum simulation of quadraturemodulated signal

為了分析數(shù)字上變頻技術(shù)的性能，采用MATLAB進行QPSK調(diào)制的仿真試驗。仿真分析模型的主要步驟為：1）原始數(shù)據(jù)流用Randint函數(shù)產(chǎn)生隨機二進制序列，長度為10000；2）根據(jù)QPSK星座圖將數(shù)據(jù)流映射成對應(yīng)的I、Q路幅度值，對應(yīng)關(guān)系為 00（1，1）；01（-1，1）；10（-1，-1）；11（1，-1）。 3）映射后的I、Q幅度值經(jīng)過升余弦成形濾波進行符號間干擾和帶寬限制，然后再通過半帶濾波提高采樣率，此時采樣率變?yōu)榇a元速率的16倍，若采樣率設(shè)為2，則I路基帶信號帶寬則為1/16。4）數(shù)字本振用函數(shù) sin（nπ/4），n=1，2…8； 取 8 個點作為基本相位本振；延遲兩個時鐘周期的數(shù)據(jù)作為正交相位的本振，此時本振頻率為1/4，將I路信號與基本相位本振逐點相乘，Q路信號與正交相位本振相乘，得到兩路信號后再合路相加即完成數(shù)字正交調(diào)制，圖4是正交調(diào)制后信號的時頻仿真圖，信號帶寬為1/8。

5 結(jié)束語

數(shù)字上變頻技術(shù)采用完全的數(shù)字化處理，無論是混頻、移相、求和都可以精確的控制有利于調(diào)試及實驗，可以避免模擬信號引入的噪聲及幅度誤差。并且數(shù)字信號處理過程中可以對數(shù)據(jù)流的任何階段進行仿真和圖形化顯示便于排查問題。在實際設(shè)計過程中還可以增加校準(zhǔn)電路對后端模擬通道的頻響、群時延等誤差進行預(yù)補償，目前通信系統(tǒng)中基帶信號正交調(diào)制到中頻信號大都優(yōu)先采用數(shù)字上變頻技術(shù)。

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