認(rèn)知無(wú)線電中下變頻信號(hào)處理的頻譜研究

梁 爽，伍小芹

(1.西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 海口 570028)

認(rèn)知無(wú)線電中下變頻信號(hào)處理的頻譜研究

梁 爽1，伍小芹2

(1.西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 海口 570028)

針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電中下變頻處理中的信號(hào)抽取過(guò)程對(duì)信號(hào)頻譜的影響進(jìn)行了研究，信號(hào)抽取由積分梳狀(CIC)濾波器、半帶(HB)濾波器及多相濾波器級(jí)聯(lián)而成，利用傅里葉變換對(duì)各環(huán)節(jié)處理后的信號(hào)頻譜進(jìn)行理論推導(dǎo)，得出各級(jí)抽取后信號(hào)頻譜的變化規(guī)律及各參數(shù)選擇要注意的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，對(duì)整個(gè)抽取系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，仿真結(jié)果表明，采樣率為fs的信號(hào)經(jīng)過(guò)3級(jí)抽取，且抽取倍數(shù)為DCIC·DHB·D多相時(shí)，輸出信號(hào)的采樣率變?yōu)閒s/(DCIC·DHB·D多相)，與理論推導(dǎo)結(jié)果一致，實(shí)現(xiàn)了多速率信號(hào)處理。

認(rèn)知無(wú)線電；積分梳狀濾波器；半帶濾波器；多相濾波器；頻譜分析

0 引言

數(shù)字下變頻技術(shù)是認(rèn)知無(wú)線電實(shí)現(xiàn)信號(hào)多速率處理的關(guān)鍵技術(shù)[1]，主要工作是將中頻載波上攜帶的有用信號(hào)搬移到基帶[2]，頻譜搬移是利用信號(hào)抽取完成的，先讓信號(hào)通過(guò)積分梳狀(CIC)濾波器和半帶(HB)濾波器，降低信號(hào)的采樣率，必要時(shí)還要經(jīng)過(guò)多相濾波器，以實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍[3]或非整數(shù)倍的采樣率變換[4]。

針對(duì)采樣信號(hào)的抽取、內(nèi)插、抽取和內(nèi)插結(jié)合的分?jǐn)?shù)倍采樣率變換的研究有很多[5]，大都是根據(jù)多采樣率信號(hào)處理理論進(jìn)行相應(yīng)的討論，沒(méi)有討論多個(gè)抽取濾波器的級(jí)聯(lián)。文獻(xiàn)[6]給出了一種典型的多速率信號(hào)處理結(jié)構(gòu)圖，對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行了討論，但沒(méi)有形成整個(gè)抽取系統(tǒng)，缺少整體可行性分析。文獻(xiàn)[7]利用窗函數(shù)法和特征濾波器法分別設(shè)計(jì)半帶濾波器，討論半帶濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。根據(jù)對(duì)文獻(xiàn)的分析，缺少對(duì)整個(gè)多速率信號(hào)處理系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)，單個(gè)濾波器容易實(shí)現(xiàn)，但在級(jí)聯(lián)時(shí)需要考慮相應(yīng)的問(wèn)題[8]。本文從認(rèn)知無(wú)線電下變頻技術(shù)入手，討論了利用CIC濾波器、HB濾波和多相濾波器級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍或非整數(shù)倍采樣率變換的結(jié)構(gòu)，結(jié)合各濾波器的特征，對(duì)各抽取器的關(guān)鍵參數(shù)的選擇進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的整體仿真，完成了多采樣率的變換。

1 認(rèn)知無(wú)線電中的下變頻技術(shù)

認(rèn)知無(wú)線電中數(shù)字下變頻技術(shù)原理[9]如圖1所示，硬件處理是對(duì)接收到的射頻模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到模擬中頻信號(hào)，對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采樣得到數(shù)字中頻信號(hào)，假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換后采樣率為fs[10]。將數(shù)字中頻信號(hào)與數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的復(fù)向量在正交數(shù)字混頻器中相乘，產(chǎn)生的信號(hào)包含低頻和高頻頻率成分[11]。由于信號(hào)采樣頻率可能會(huì)過(guò)高，后面的模塊無(wú)法達(dá)到這種速率，所以可以先讓信號(hào)通過(guò)CIC抽取和HB抽取濾波器，降低信號(hào)的采樣速率，再利用FIR濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，得到基帶信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理[12]。

圖1 數(shù)字下變頻技術(shù)原理

通過(guò)對(duì)數(shù)字下變頻原理及結(jié)構(gòu)的分析，將其中多速率信號(hào)處理部分單獨(dú)整理出一種多速率信號(hào)處理結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍或非整數(shù)倍抽取，在結(jié)構(gòu)中加入多相濾波器，如圖2所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)包括CIC濾波器、HB濾波器、FIR濾波器以及多相濾波器，它們?cè)谙到y(tǒng)中分別有著不同的作用，一起完成信號(hào)抽取任務(wù)。

圖2 多速率信號(hào)處理結(jié)構(gòu)圖

2 各濾波器設(shè)計(jì)及頻譜分析

CIC濾波器可實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍抽取，HB實(shí)現(xiàn)2N倍的采樣率變換，F(xiàn)IR濾波器用來(lái)去除HB濾波器過(guò)寬的過(guò)渡帶造成的殘留頻率[13]，多相濾波器采用分?jǐn)?shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)非整數(shù)倍抽取。下面對(duì)CIC濾波器、HB濾波器、多相濾波器的設(shè)計(jì)及其頻譜進(jìn)行分析。

2.1 CIC濾波器設(shè)計(jì)及其頻譜分析

CIC濾波器的沖激響應(yīng)為[14]：

(1)

式中，M為濾波器的長(zhǎng)度,對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)幅頻特性為：

(2)

圖3 CIC濾波器長(zhǎng)度對(duì)幅頻特性的影響

圖4 CIC級(jí)數(shù)對(duì)幅頻特性的影響

2.2 HB濾波器

HB濾波器是一種特殊的FIR濾波器，要求抽頭數(shù)N滿足N+1是4的整數(shù)倍[16]，且其沖擊響應(yīng)在偏移中心點(diǎn)的偶序號(hào)點(diǎn)上系數(shù)都取零，奇序號(hào)點(diǎn)上的系數(shù)關(guān)于濾波器的中心點(diǎn)呈現(xiàn)偶對(duì)稱[17]，這些特性使得在實(shí)現(xiàn)此類濾波器時(shí)節(jié)省近一半的乘法器數(shù)量。

不同階數(shù)的HB濾波器的幅頻特性如圖5所示，HB濾波器的過(guò)渡帶寬與其階數(shù)成反比，階數(shù)越小，通帶衰減快，同時(shí)過(guò)渡帶越寬，在多采樣率系統(tǒng)中會(huì)加大頻譜混疊影響。

圖5 不同階數(shù)的HB濾波器幅頻特性

2.3 CIC濾波器與HB濾波器比較

作為抽取濾波器，CIC濾波器與HB濾波器都能夠完成整數(shù)倍抽取，但是2種濾波器各有優(yōu)點(diǎn)。CIC濾波器只有加法器沒(méi)有乘法器，與一般的線性濾波器、非線性濾波器相比節(jié)省計(jì)算存儲(chǔ)存儲(chǔ)空間。HB濾波器節(jié)省一半的計(jì)算量，適合實(shí)時(shí)性處理[18]。利用Matlab仿真比較兩濾波器的計(jì)算效率，相同輸入信號(hào)，相同倍數(shù)抽取，Matlab仿真結(jié)果和仿真所用時(shí)間分別如圖6和圖7所示。

(a) CIC兩倍抽取時(shí)域結(jié)果

(b) CIC濾波器計(jì)算所用時(shí)間圖6 CIC兩倍抽取濾波器抽取結(jié)果與計(jì)算效率

(a) HB兩倍抽取時(shí)域結(jié)果

(b) HB濾波器計(jì)算所用時(shí)間圖7 HB兩倍抽取濾波器抽取結(jié)果與計(jì)算效率

圖6(a)和圖7(a)顯示2種濾波器都能實(shí)現(xiàn)2倍的采樣率變化，圖6(b)與圖7(b)分別是2種抽取濾波所用時(shí)間，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)HB抽取濾波器總時(shí)間為0.590 s，CIC抽取濾波器總時(shí)間為1.099 s，HB濾波器比CIC濾波器用時(shí)短，計(jì)算效率高。所以一般在信號(hào)變速率時(shí)，首先考慮的是利用HB濾波器。雖然HB濾波器具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是HB濾波器只能完成2N倍采樣率變換，實(shí)際采樣率變換并不一定2N倍，使得在很多環(huán)境下無(wú)法只利用HB濾波器完成采樣率變換，通常會(huì)與CIC濾波器相結(jié)合，抽取濾波器系統(tǒng)就可以完成任意整數(shù)倍的高效抽取頻率變換。

2.4 分?jǐn)?shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換多相濾波器

為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分?jǐn)?shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換，可先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整數(shù)I倍內(nèi)插，再進(jìn)行整數(shù)因子D倍抽取來(lái)實(shí)現(xiàn)[19]。為避免產(chǎn)生不必要的計(jì)算量，通常采用的采樣結(jié)構(gòu)如圖8所示，將下采樣過(guò)程省略，只需要控制多相內(nèi)插后的輸出轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)的位置即可。如果旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)時(shí)，每隔D-1個(gè)端口切換一次，就能夠得到I/D的采樣率變換[20]。

圖8 分?jǐn)?shù)倍多相濾波器結(jié)構(gòu)

3 多速率信號(hào)處理系統(tǒng)的Matlab仿真

根據(jù)多速率信號(hào)處理系統(tǒng)中各個(gè)濾波器特性以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析，對(duì)圖2所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。假設(shè)輸入SINC信號(hào)，采樣頻率fs=4 kHz，選擇DCIC=5，DHB=4，多相濾波器I=3,D=5，從抽取倍數(shù)看即D多相=5/3，每個(gè)環(huán)節(jié)采樣率變化如圖9所示，最終輸出信號(hào)的采樣頻率為:

圖9 多速率信號(hào)處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)采樣率變化

在Matlab環(huán)境下，對(duì)整個(gè)多速率信號(hào)處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)頻域進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10 輸入信號(hào)的時(shí)域、頻域圖

圖11 經(jīng)過(guò)CIC后信號(hào)的時(shí)域、頻域圖

圖12 經(jīng)過(guò)HB后信號(hào)的時(shí)域、頻域圖

圖13 經(jīng)過(guò)多相濾波器后的時(shí)域、頻域圖

由仿真結(jié)果可知，抽取使得信號(hào)的時(shí)域縮短，從而導(dǎo)致頻域的展寬，理論上說(shuō)信號(hào)進(jìn)行了N倍抽取之后，信號(hào)的頻譜也會(huì)對(duì)應(yīng)地展寬N倍。信號(hào)通過(guò)5倍CIC濾波器抽取后產(chǎn)生信號(hào)y1(n)，其幅頻特性的頻域相比輸入信號(hào)展寬了5倍，同理有了不同采樣率的輸出信號(hào)y2(n)，F(xiàn)IR濾波器只是對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，沒(méi)有對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽取，因此y3(n)采樣率和y2(n)一樣，經(jīng)過(guò)多相濾波器后得到采樣率為3fs/100的信號(hào)y4(n)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電中下變頻處理中的信號(hào)抽取過(guò)程對(duì)信號(hào)頻譜的影響進(jìn)行了研究，對(duì)各抽取濾波器的設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，CIC濾波器、HB濾波器及多相濾波器都能實(shí)現(xiàn)采樣率的變換，但每種濾波器有各自的特點(diǎn)，CIC濾波器的長(zhǎng)度會(huì)影響頻譜的主瓣寬度，級(jí)數(shù)會(huì)影響阻帶衰減，HB濾波器計(jì)算效率高，但只能完成2N倍采樣率變換，實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常會(huì)與CIC濾波器相結(jié)合，多相濾波器可以高效實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換。采樣率為fs的信號(hào)經(jīng)過(guò)3級(jí)抽取，且抽取倍數(shù)為DCIC·DHB·D多相時(shí)，輸出信號(hào)的采樣率變?yōu)閒s/(DCIC·DHB·D多相)，因此，這種多級(jí)抽取系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電中信號(hào)的下變頻技術(shù)，完成信號(hào)的多速率轉(zhuǎn)換。

[1] 楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001:57-63.

[2] TUTTLBEE W.軟件無(wú)線電技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[M].楊小牛,鄒少丞,樓才義,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[3] 李靜,彭華,葛林東,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),2000,26(3):28-29.

[4] 彭華,李靜,葛臨東.軟件無(wú)線電中的非整數(shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換研究[J].電訊技術(shù),2000,40(3):18-23.

[5] 蔡光君,任菊.多速率信號(hào)處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)研究[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2009(4):65-66.

[6] 陳亦歐,李廣軍.多速率信號(hào)處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2006(6):113-116.

[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] HARRIS F J.通信系統(tǒng)中的多采樣率信號(hào)處理[M].王霞,張國(guó)梅,劉樹(shù)棠，譯.西安:西安交通大學(xué)出版社,2008.

[9] 韓韜.軟件無(wú)線電數(shù)字下變頻的研究及系統(tǒng)仿真[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2006：21-23.

[10] 張茂磊.無(wú)線信號(hào)多速率接收處理器的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2011：13-15.

[11] MITOLA.The Software Radio Architecture[J].IEEE Communications Magazine,1995,33(5):26-38.

[12] 栗欣,徐希斌.軟件無(wú)線電原理與技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[13] 理查德.數(shù)字信號(hào)處理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[14] DOLECEK G J，CARMONA J D.A New Cascaded Modified CIC-Cosine Decimation Filter[J].IEEE Circuits and Systems,2005(4):218-333.

[15] DOLECEK G J，MITRA S K.On Design of CIC Decimation Filer with Improved Response[J].IEEE International Symposium on Communications,Control and Signal Processing,2008:1072-1076.

[16] 劉益成,林其偉.半帶濾波器原理與設(shè)計(jì):一種抽取因子為2的FIR濾波器[J].石油管材與儀器,1995,9(1):36-40.

[17] 韓治國(guó),王紅梅,許輝.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,2013,30(8):181-184.

[18] RAMSTED T A.Digital Methods for Conversion between Arbitrary Sampling Frequencies[J].IEEE Trans.On Acoust.Speech and Signal Processing,1984,ASSP-232:577-591.

[19] 茍曉剛,周紅彬.一種新的多相濾波器結(jié)構(gòu)在FPGA中的實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2004,3(4):53-54.

[20] 張志勇.基于多相濾波器原理的多通道軟件無(wú)線電跳頻收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2013.

TheSpectrumStudyofDigitalDownConversioninCognitiveRadio

LIANG Shuang1,WU Xiao-qin2

(1.CollegeofTelecommunicationsEngineering,XidianUniversity,Xi’anShaanxi710071,China; 2.CollegeofInformationTechnology,HainanUniversity,HaikouHainan570028,China)

The impact of signal decimation on the signal spectrum during the digital down conversion in cognitive radio is studied.The digital signal decimation is composed of cascaded integrator comb (CIC) filter,half-band (HB) filter and poly-phase filer.In order to get the rule of the signal spectrum and know the matters of the parameter selection,the paper gives the theoretical derivation of the signal spectrum in each step by use of the Fourier transform.The test of the whole decimation system is carried by simulation.Both theoretical analysis and simulation results show that the three-stage cascaded decimation system can make the sampling ratefsof the input signal fall tofs/(DCIC·DHBD多相),which is consistent with the theoretical derivation,and the multi-rate conversion can be achieved.

cognitive radio;CIC filter;HB filter;poly-phase filter;spectrum analysis

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.04

梁爽，伍小芹.認(rèn)知無(wú)線電中下變頻信號(hào)處理的頻譜研究[J].無(wú)線電工程,2017,47(12):15-19.[LIANG Shuang,WU Xiaoqin.The Spectrum Study of Digital Down Conversion in Cognitive Radio[J].Radio Engineering,2017,47(12):15-19.]

TN914.3； TN911.72

A

1003-3106(2017)12-0015-05

2017-06-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61561017)；海南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20166214)。

梁爽女，(1995—)，碩士研究生。主要研究方向：無(wú)線通信。

伍小芹女，(1975—)，博士，副教授。主要研究方向：無(wú)線通信、數(shù)字信號(hào)處理。