一種寬帶信號(hào)的多速率處理方法

潘李云，董榮果

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種寬帶信號(hào)的多速率處理方法

潘李云，董榮果

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

相比于逐個(gè)信道接收的窄帶信號(hào)而言，寬帶接收機(jī)具有全概率接收的優(yōu)勢(shì)。為了解決接收寬帶信號(hào)所需要的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換采樣率高、后續(xù)信號(hào)處理設(shè)備速度慢的問(wèn)題，討論了如何在A/D高速采樣后使用多種濾波器級(jí)聯(lián)的方法來(lái)進(jìn)行多速率處理，最終達(dá)到降速率的目的。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換采樣；多速率處理；全概率接收

0 引 言

對(duì)于單通道的接收機(jī)或由幾個(gè)通道并聯(lián)而成的接收機(jī)而言，一般的接收方法是使用一個(gè)搜索器對(duì)整個(gè)頻帶進(jìn)行搜索，先確定哪個(gè)頻帶有信號(hào)，再將本振調(diào)諧到對(duì)應(yīng)的頻帶上進(jìn)行接收[1-2]。這個(gè)接收方法有個(gè)不可避免的缺點(diǎn)就是容易造成信號(hào)的丟失，尤其是難以接收持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的信號(hào)，也就是說(shuō)無(wú)法做到信號(hào)的全概率接收。然而，接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行全概率接收時(shí)通常首先需要對(duì)整個(gè)頻帶的信號(hào)進(jìn)行采樣接收，這樣會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換采樣速率相當(dāng)高，而A/D采樣后的信號(hào)處理部分會(huì)加大高速率數(shù)據(jù)處理的難度，解決這一問(wèn)題的方法就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行多速率處理，使得數(shù)據(jù)率降下來(lái)[3]。

1 降速率處理

降速率可以采用整數(shù)倍抽取[4-6]的方法。所謂整數(shù)倍抽取就是對(duì)采樣率為fs的信號(hào)x(n)每隔D-1個(gè)數(shù)據(jù)取1個(gè)，形成1個(gè)新的采樣序列xD(n)，其新的采樣率為fs/D，其中D為抽取倍數(shù)。為了避免抽取之后信號(hào)的頻譜發(fā)生混疊，需要加上抗混疊濾波器，抗混疊濾波器的帶寬為π/D，經(jīng)過(guò)抗混疊濾波器后信號(hào)中只有濾波器帶寬內(nèi)的分量。抗混疊濾波器以及抽取結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 抽取過(guò)程

當(dāng)需要抽取的倍數(shù)D比較高時(shí)，就會(huì)難以實(shí)現(xiàn)單級(jí)大倍數(shù)的抽取，這是因?yàn)楸稊?shù)D較高時(shí)，所需濾波器的階數(shù)可能也會(huì)特別高。這時(shí)候可以用多級(jí)抽取來(lái)替代單級(jí)抽取。多級(jí)抽取與單級(jí)抽取的關(guān)系為D=D1D2…Dn。值得注意的是，使用多級(jí)抽取需要遵循一個(gè)原則：就是倍數(shù)越大的抽取在設(shè)計(jì)時(shí)需要越靠前，因?yàn)閮?yōu)先進(jìn)行大倍數(shù)的抽取，往后的數(shù)據(jù)率自然也就越低，相對(duì)而言越容易處理。進(jìn)行多級(jí)抽取時(shí)，每一級(jí)濾波器的通帶范圍應(yīng)能有效滿足信號(hào)的有效頻帶，從而避免信號(hào)的失真。若單級(jí)要求的濾波器帶內(nèi)波動(dòng)為δ，則N級(jí)帶內(nèi)波動(dòng)為δn=δ/N。常用的抗混疊濾波器有積分梳狀濾波器(CIC)、半帶濾波器(HB)以及有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR)[4]。

2 降速率濾波器

半帶濾波器是指頻率特性滿足下式的FIR濾波器[7]：

ωc=π-ωA

(1)

δs=δp=δ

(2)

式中：ωc為半帶濾波器的通帶寬度；π-ωA為阻帶寬度；δp與δs分別為通帶與阻帶波紋。

半帶濾波器的系數(shù)只有奇數(shù)點(diǎn)和零點(diǎn)為非零值，其余都是零，所以用半帶濾波器可以有效減少計(jì)算量，提高效率。更節(jié)省硬件資源的是CIC濾波器，這種濾波器無(wú)需使用乘法器。

積分梳狀濾波器[8]的沖激響應(yīng)為：

(3)

式中：D為CIC濾波器的階數(shù)，也是抽取倍數(shù)，因?yàn)镃IC濾波器的系數(shù)都為1，所顯而易見它的實(shí)現(xiàn)不需要乘法器。

容易得到CIC濾波器的頻率響應(yīng)為：

(4)

CIC濾波器的主瓣寬度由抽取倍數(shù)D決定，如果只使用CIC濾波器，那么就會(huì)因?yàn)橹靼赀^(guò)大，也就是濾波器的過(guò)渡帶過(guò)寬而導(dǎo)致濾波效果不好。而且，單級(jí)的CIC濾波器阻帶衰減很差，很難滿足使用要求，所以工程上一般將CIC濾波器多級(jí)級(jí)聯(lián)使用。當(dāng)CIC濾波器Q級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)，第一旁瓣電平與主瓣的差值為：

(5)

多級(jí)級(jí)聯(lián)CIC濾波器的帶內(nèi)容差為：

(6)

3 方案設(shè)計(jì)及仿真分析

本文設(shè)計(jì)了一種CIC濾波器、HB濾波器和FIR濾波器多級(jí)級(jí)聯(lián)的抽取方法對(duì)采樣率為800MHz的信號(hào)進(jìn)行降速率。圖2為抽取前帶寬為6.25MHz的信號(hào)。

圖2 抽取前信號(hào)頻譜

經(jīng)過(guò)混頻后，信號(hào)被搬移到多個(gè)子通道的基帶上，然后進(jìn)行CIC濾波器4倍抽取，HB濾波器2倍抽取以及FIR濾波器2倍抽取。其中，CIC濾波器由于單級(jí)旁瓣衰減太少，進(jìn)行5級(jí)級(jí)聯(lián)處理。圖3為CIC濾波器1～5級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)的情況。

通過(guò)仿真觀察CIC濾波器級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)從1～5時(shí)，可以看出隨著級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)的增加，第一旁瓣的衰減明顯增加，但帶內(nèi)容限也隨著增加。5級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)可以看出第一旁瓣衰減已經(jīng)接近60dB，基本能滿足要求。根據(jù)式(5)和式(6)計(jì)算得阻帶衰減為56.8dB，帶內(nèi)容差為0.04dB，經(jīng)過(guò)CIC濾波器抽取后，數(shù)據(jù)率變成200MHz。HB濾波器輸入數(shù)據(jù)率為200MHz，通帶截止頻率5MHz，通帶波紋設(shè)為0.001dB，同樣使用fdatool工具按照需要的參數(shù)設(shè)計(jì)HB濾波器,得其階數(shù)為11。其頻率響應(yīng)如圖4所示。

圖4 HB濾波器頻率響應(yīng)

FIR濾波器通帶截止頻率為5MHz，阻帶起始頻率15MHz，通帶波動(dòng)0.1dB，阻帶衰減50dB，設(shè)計(jì)得階數(shù)為25。頻率響應(yīng)如圖5所示。

圖5 FIR濾波器頻率響應(yīng)

經(jīng)CIC濾波器、HB濾波器、FIR濾波器先后濾波及抽取后，A/D采樣后800MHz的數(shù)據(jù)率降低為50MHz。處理后的信號(hào)如圖6所示。由圖6可知，通信信號(hào)經(jīng)過(guò)抽取濾波器和降速率處理后，頻域波形并沒(méi)有發(fā)生混疊，說(shuō)明了該降速率方案是可行的。

圖6 抽取后信號(hào)頻譜

[1] 龔仕仙,魏璽章,黎湘,等.寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)綜述[J].電子學(xué)報(bào),2013(5):949-959.

[2] 謝昶.數(shù)字信道化接收機(jī)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2010.

[3] 崔巍.寬帶數(shù)字式信道化接收機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2005.

[4] 李靜,彭華,葛臨東,等.用于軟件無(wú)線電中的整數(shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2000(3):28-29.

[5] 韓治國(guó),王紅梅,許輝,等.基于窗函數(shù)和特征濾波器的半帶濾波器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2013(8):181-184.

[6] 楊旭峰.數(shù)字下變頻器中多級(jí)抽取濾波器的設(shè)計(jì)[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2012.

[7] 韓治國(guó),王紅梅,許輝,等.基于窗函數(shù)和特征濾波器的半帶濾波器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2013(8):181-184.

[8] 楊旭峰.數(shù)字下變頻器中多級(jí)抽取濾波器的設(shè)計(jì)[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2012.

[9] 陳后金,薛健,胡健，等.數(shù)字信號(hào)處理[M].2版.北京:高等教育出版社,2008.

AMulti-rateProcessingMethodofBroadBandSignal

PANLi-yun,DONGRong-guo

(The723InstiuteofCSIC，Yangzhou225001，China)

Comparingwiththenarrowbandsignalsreceivedbythechannelsonebyone,thebroadbandreceiverhastheadvantageoffull-probabilityreception.Tosolvetheproblemsthattheanalogtodigital(A/D)conversionsamplingraterequiredbyreceivingbroadbandsignalishighandthevelocityoffollow-upsignalprocessingdevicesisslow,thispaperdiscusseshowtousemulti-filtercascademethodtoperformmulti-rateprocessingafterA/Dhigh-speedsampling,finallyachievetheaimofreducingvelocity.

analogtodigitalconversionsampling;multi-rateprocessing;full-probabilityreception

2016-06-24

TN

A

CN32-1413(2016)05-0082-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.021