軟件無線電中多速率信號處理設計及仿真

伍小芹，梁 爽

(海南大學 信息科學技術學院，海南 ?？?570028)

軟件無線電中多速率信號處理設計及仿真

伍小芹，梁 爽

(海南大學 信息科學技術學院，海南 ?？?570028)

針對軟件無線電中的采樣率轉換問題，提出了一種先抽取再內(nèi)插來實現(xiàn)采樣率轉換的結構，討論了與之相應的CIC濾波器、HB濾波和多相濾波器的設計，結合各濾波器的特征，對各抽取器關鍵參數(shù)的選擇進行了分析，實現(xiàn)了整個抽取系統(tǒng)從輸入到輸出的仿真，完成了多采樣率的變換.

軟件無線電采樣率變換； CIC濾波器； HB濾波器； 多相濾波器

軟件無線電是現(xiàn)今無線通信發(fā)展的方向，其關鍵技術包含數(shù)字上變頻技術和數(shù)字下變頻技術，以便適合后續(xù)的數(shù)字信號處理芯片的處理速度.在系統(tǒng)的設計中經(jīng)常采用不同的采樣速率處理信號，且不同的采樣速率信號之間能相互轉換.多速率信號處理技術能實現(xiàn)采樣率變換[1]，其本質(zhì)是利用數(shù)字信號處理方法直接改變采樣信號的速率，基本環(huán)節(jié)包括抽取和內(nèi)插.

文獻[2]對采樣信號的整數(shù)倍取、整數(shù)倍內(nèi)插以及抽取與插值結合的分數(shù)倍采樣率變換進行了研究，缺少對多速率信號處理系統(tǒng)中其他重要模塊的研究和仿真.文獻[3]對多速率信號處理系統(tǒng)中的各個模塊進行簡單的介紹，缺少對整個多速率信號處理系統(tǒng)的仿真和驗證.文獻[4]研究多速率信號處理技術在軟件無限電中的應用，介紹CIC濾波器、HB濾波器.文獻[5]討論了CIC濾波器的級數(shù)的影響及相應濾波器的設計.文獻[6]只是從如何將抽取和插值結合來實現(xiàn)非整數(shù)倍的采樣率變換來設計和討論.文獻[7]利用窗函數(shù)法和特征濾波器法分別設計半帶濾波器，討論半帶濾波器的優(yōu)化設計問題.綜上所述，文獻[1-7]缺少對整個多速率信號處理系統(tǒng)整體的設計.因此，筆者首先從一種先抽取再內(nèi)插來實現(xiàn)采樣率轉換的結構入手，討論了與之相應的CIC濾波器、HB濾波和多相濾波器的設計，其次結合各濾波器的特征，對各抽取器的關鍵參數(shù)的選擇進行了分析，最后實現(xiàn)了整個抽取系統(tǒng)的整體仿真，完成了多采樣率的變換.

1 多速率信號處理系統(tǒng)

軟件無線電主要包含射頻前端、數(shù)字中頻系統(tǒng)和數(shù)字基帶3個部分.射頻前端由天線、模擬混頻器、模擬濾波器、A/D和D/A轉換器組成，將模擬中頻信號數(shù)字化為數(shù)字中頻信號；數(shù)字中頻系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字信號的上、下變頻技術；數(shù)字基帶部分對滿足用戶需求的基帶信號進行處理.數(shù)字下變頻技術框圖如圖1所示，數(shù)字上變頻是相反的過程.

通過對數(shù)字下變頻原理及結構的分析，可以得到一種典型的多速率信號處理結構，如圖2所示，包括CIC濾波器、HB濾波器、FIR濾波器以及多相濾波器，其在系統(tǒng)中分別有著不同的作用.

圖2結構中的抽取系統(tǒng)由3種濾波器(CIC抽取濾波器、HB抽取濾波器和多相濾波器)級聯(lián)組成，此方式實現(xiàn)抽取系統(tǒng)能降低抽取過程中的計算量、存儲量及濾波器的階數(shù)，但級聯(lián)過多并不會取得很好的效果[8].綜合考慮，采取3級級聯(lián)方式實現(xiàn)抽取系統(tǒng).信號經(jīng)過抽取系統(tǒng)后用HB內(nèi)插濾波器對其進行2倍內(nèi)插，從而提高分辨率.

圖1 數(shù)字下變頻技術框圖

圖2 多速率信號處理結構圖

2 各濾波器設計及特征仿真分析

2.1 CIC濾波器 CIC濾波器的沖激響應為

(1)

其中，M為濾波器的長度(M為抽取因子),對應的系統(tǒng)幅頻特性為

(2)

圖3給出了CIC濾波器長度對系統(tǒng)幅頻特性的影響，隨著CIC濾波器長度增加，主瓣寬度減小且主瓣衰減加快，但第一旁瓣的衰減幾乎沒有變化，單級的CIC濾波器阻帶衰減只有13.46 dB.

圖3 CIC濾波器長度M=3、5和8時濾波器幅頻特性

圖4 Q級級聯(lián)的CIC抽取濾波器

對長度為8的CIC濾波器分別采用單級、2級、5級CIC級聯(lián)進行仿真，結果如圖5所示.隨著級數(shù)的增加，濾波器增益變大，主瓣寬度不變，旁瓣衰減變快，5級級聯(lián)的阻帶衰減可達67dB，能夠達到高效濾波器的設計要求.

圖5 級數(shù)Q=1、2及5時CIC濾波器幅頻特性

2.2HB濾波器HB濾波器只能進行2N倍的采樣率變換，因其計算效率高、實時性好. 因此在進行采樣率變換時，首先考慮是HB濾波器.半帶濾波器幅頻特性中通帶和阻帶關于fs/4對稱，即通帶容限和阻帶容限相等.圖6給出了不同階數(shù)的HB濾波器的幅頻特性， HB濾波器的過渡帶寬與其階數(shù)成反比，減小階數(shù)會導致過渡帶過寬，在多采樣率系統(tǒng)中會加大頻譜混疊影響.

圖6 階數(shù)為M=6、M=18和M=38的HB濾波器幅頻響應

2.3FIR濾波器半帶濾波器的階數(shù)變小，會導致半帶濾波器過渡帶變得非常寬，所以一般會在一組級聯(lián)的半帶濾波器之后再級聯(lián)一個清除作用的FIR濾波器.此濾波器是一個標準的FIR濾波器，其過度帶寬比較窄，可以用來去除掉半帶濾波器過寬的過渡帶造成的殘留頻率.

2.4 多相濾波器 FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)一般為

(3)

其中,N為FIR濾波器的長度，可以將式(3)分為M組，每組濾波器長度為Q=N/M，設計多相濾波器要求Q是整數(shù).

圖7給出了多相抽取和內(nèi)插系統(tǒng)結構.

a 多相抽取 b 多相內(nèi)插圖7 多相抽取、內(nèi)插濾波器結構圖

3 多速率信號處理系統(tǒng)的Matlab仿真

根據(jù)多速率信號處理系統(tǒng)中各個濾波器特性以及設計要點的分析，對圖2所示系統(tǒng)進行仿真實現(xiàn).假設輸入SINC信號，采樣頻率fs=4 kHz，選擇DCIC=5,DHB=4，D多相=5/3，IHB=2，每個環(huán)節(jié)采樣率變化如圖8所示，最終輸出信號的采樣頻率為(fs·IHB)/(DCIC·DHB·D多相)=(4 000×2)/[5×4×(5/3)]=240 Hz.

圖8 多速率信號處理系統(tǒng)驗證

在Matlab環(huán)境下仿真，整個多速率信號處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)時域和頻域仿真結果如圖9所示.由仿真可知，抽取使得信號的時域縮短，從而導致頻域的展寬，理論上說信號進行了N倍抽取之后，信號的頻譜也會對應地展寬N倍.信號通過5倍CIC濾波器抽取后產(chǎn)生信號y1(n)(圖9b)，其幅頻特性的頻域相比輸入信號展寬了5倍，同理有了不同采樣率的輸出信號y2(n)(圖9c)，F(xiàn)IR濾波器只是對信號進行整形，沒有對信號進行抽取，因此y3(n)的采樣率與y2(n)一樣.經(jīng)過多相濾波器后得到y(tǒng)4(n)(圖9d)，信號經(jīng)過抽取系統(tǒng)后用HB內(nèi)插濾波器對其進行2倍內(nèi)插，得到y(tǒng)5(n)(圖9e).

為比較不同抽取結構實現(xiàn)變速率采樣的區(qū)別，以120倍抽取為例，分別用CIC濾波器、CIC濾波器和HB濾波器組合及本文結構來完成抽取任務，都采用原理框圖法來實現(xiàn)，在Matlab平臺上進行仿真比較.

利用CIC完成120倍抽取的仿真圖如圖10所示.利用CIC進行30倍抽取后再利用HB進行4倍抽取，2級濾波器級聯(lián)完成120倍抽取，仿真結果如圖11所示，設計HB濾波器時，因為原始輸入信號通過CIC 30倍抽取后輸出信號帶寬展寬30倍，所以HB濾波器需要將其階數(shù)升高，展寬通帶，這會增加實際實現(xiàn)難度.利用CIC進行18倍抽取，HB進行4倍抽取，多相濾波器完成5/3倍抽取，最終完成18*4*(5/3)=120倍的抽取，仿真結果如圖12所示.3種結構都能實現(xiàn)多倍抽取，抽取效果基本一致，但應用靈活度不一樣.

a 輸入信號的時域、頻域圖 b 經(jīng)過CIC后信號的時域、頻域圖

c 經(jīng)過HB后信號的時域、頻域圖 d 經(jīng)過多相濾波器后的時域、頻域圖

e 經(jīng)過2倍內(nèi)插后信號的時域、頻域圖圖9 多速率信號處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)時域和頻域仿真結果

在實際仿真時，為實現(xiàn)信號的高倍抽取，輸入信號的帶寬不能過寬.利用CIC抽取濾波器進行信號的整數(shù)倍抽取，抽取倍數(shù)不能過大，一般CIC濾波器長度等于抽取倍數(shù)，倍數(shù)大既不容易實現(xiàn)，也容易使輸出信號頻帶失真明顯.HB只能實現(xiàn)2的整數(shù)次冪的抽取，當抽取倍數(shù)過大時，級聯(lián)數(shù)多，系統(tǒng)不好控制，并且抽取濾波器最大通帶寬度只能接近π/2，如果輸入信號通過前級濾波器展寬后帶寬大于π/2，就會被HB濾波器截斷后部分的頻帶.為了實現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)靈活的采樣率變化，需要加入分數(shù)倍采樣率變化的濾波器，如文中的多相濾波器.

圖10 CIC實現(xiàn)120倍抽取 圖11 CIC和HB組合實現(xiàn)120倍抽取

圖12 本文多級結構實現(xiàn)120倍抽取

4 小 結

研究了軟件無線電中多速率信號處理系統(tǒng)如何實現(xiàn)采樣率的變化，討論了各環(huán)節(jié)的濾波器設計，分析了各濾波器的特征，并對整個多速率信號處理系統(tǒng)進行Matlab仿真，在各個環(huán)節(jié)進行分析和驗證，最終實現(xiàn)信號的多速率變換.比較了3種抽取結構的仿真結果，為了實現(xiàn)靈活的采樣率變換，利用CIC、HB和多相濾波器級聯(lián)結構比較合適.

[1] 蔡光君,任菊.多速率信號處理技術的實現(xiàn)研究[J].太原科技,2009(4):65-66.

[2] 陳亦歐,李廣軍.多速率信號處理的設計與實現(xiàn)[J].實驗科學與技術,2006(6):113-116.

[3] 方婷,王華.多速率信號處理在通信系統(tǒng)中的應用[J].無線電通信技術,2005(2):48-49.

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

[5] 彭華,李靜,葛臨東.軟件無線電中的非整數(shù)倍采樣率轉換研究[J].電訊技術,2000(6):18-23.

[6] Jovanovic-Dolecek G, Mitra S.K.On design of CIC decimation filer with improved response:proceedings of the 3rd International Symposium on Communications, Control and Signal Processing, St Julians, 12-14 March, 2008[C].[S.l.]:IEEE 2008.

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

[8] 韓韜. 軟件無線電數(shù)字下變頻的研究及系統(tǒng)仿真[D].吉林大學,2006.

[9] 徐向斌. 無線信號多速率發(fā)送處理器的研究與設計[D].哈爾濱工程大學,2011.

[10] 張茂磊. 無線信號多速率接收處理器的設計[D].哈爾濱工程大學,2011.

Multi-rateSignalProcessingandSimulationinSoftwareRadio

Wu Xiaoqin, Liang Shuang

(College of Information Science and Technology, Hainan University, Haikou 570028, China)

Aimed at the conversion of sampling rate in software radio, the structure of digital signal conversion, in which the decimation was performed firstly, and then, interpolation was performed. The designs of CIC filter, HB filter and poly-phase filter were discussed. Combined with the characteristics of the filters, the selection of the key parameters of the decimator was analyzed. The whole system was simulated and the multi-rate conversion can be achieved.

software radio; multi-rate conversion; CIC; HB; poly-phase filter

2017-05-23

國家自然科學基金(61561017)；海南省自然科學基金(20166214)

伍小芹(1975-)，女，湖北蘄春人，副教授，博士，研究方向：無線通信、數(shù)字信號處理，E-mail：xq_wu@hainu.edu.cn

1004-1729(2017)04-0322-07

TN 911.7

ADOl10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0050