湯滟

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210046)

1.引言

在軟件無(wú)線電的下變頻模塊中，多速率數(shù)字信號(hào)處理往往需要用很大的抽取比率來(lái)降低采樣速率。比如，軟件無(wú)線電接收機(jī)中，信道選擇抽取濾波器的抽取比有時(shí)會(huì)達(dá)到上千，此時(shí)，若采用一個(gè)濾波器，濾波器的運(yùn)算單元處于高速率下負(fù)擔(dān)太重，是不可取的。此時(shí)，一般采用抽取濾波器的多級(jí)級(jí)聯(lián)技術(shù)。

2.抽取濾波器的級(jí)聯(lián)原則

軟件無(wú)線電接收機(jī)中，在多速率數(shù)字信號(hào)處理的降速率情況下，多級(jí)級(jí)聯(lián)抽取濾波的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。遵循如下的級(jí)聯(lián)原則：前級(jí)抽取濾波以效率性能優(yōu)先；后級(jí)抽取濾波以濾波性能優(yōu)先。

圖1 S D R接收機(jī)多級(jí)級(jí)聯(lián)抽取濾波的結(jié)構(gòu)形式

CIC濾波器和半帶濾波器均為高效率濾波器，但選擇性不及一般的FIR濾波器，因此一般用在軟件無(wú)線電接收機(jī)的前級(jí)。而兩者相比較而言，由于CIC濾波器是無(wú)乘法器的數(shù)字濾波器，并且積分器和微分器位于抽取的兩邊，便于采用流水線結(jié)構(gòu)，故放置在第一級(jí)。由于它存在著通帶紋波大和阻帶衰減不充分的缺陷，可在后級(jí)進(jìn)行補(bǔ)償。半帶濾波器級(jí)聯(lián)于CIC濾波器之后，其抽取比一般選擇2n，n為正整數(shù)，一般不會(huì)取得很大。

3.多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)例仿真

3.1 仿真模型

多級(jí)級(jí)聯(lián)抽取濾波的仿真模型如圖2所示。發(fā)射端，首先生成偽隨機(jī)碼(PN),用以調(diào)制低頻載波，得到2PSK基帶信號(hào)，利用2PSK基帶信號(hào)與高頻載波（信道頻點(diǎn)）進(jìn)行上變頻，發(fā)送到加性高斯白噪聲（AWGN)信道中。接收端，先用同步的高頻載波與接收信號(hào)相乘，進(jìn)行下變頻，產(chǎn)生2PSK基帶信號(hào)和倍頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)兩級(jí)抽取濾波，第1級(jí)是CIC濾波器進(jìn)行8倍抽取和濾波，第2級(jí)是半帶濾波器進(jìn)行4倍抽取和濾波，兩級(jí)濾波器的作用為：抗混疊濾波；抑制倍頻信號(hào)；降低采樣速率。

圖2 多級(jí)級(jí)聯(lián)抽取濾波的仿真模型

3.2 N0=0.2的AWGN信道下的仿真結(jié)果

對(duì)上述的多級(jí)級(jí)聯(lián)抽取濾波器，在N0=0.2的AWGN（Additive White Gaussian Noise,加性高斯白噪聲）信道下觀察仿真結(jié)果。仿真所用的信源數(shù)據(jù)、載波和調(diào)制生成的2PSK信號(hào)如圖3所示。圖（a）為信源數(shù)據(jù)，圖（b）為載波波形，圖（c）為載波頻譜，圖（d）為2PSK已調(diào)制信號(hào)波形，圖（e）為2PSK已調(diào)制信號(hào)頻譜。

圖3 N0=0.2的A W G N信道仿真所用的信源數(shù)據(jù)、載波和調(diào)制生成的2 P S K信號(hào)

N0=0.2的AWGN信道下上變頻和與NCO相乘后輸出的信號(hào)波形和頻譜如圖4所示。其中，圖（a）為發(fā)射端2PSK信號(hào)上移頻后的信號(hào)波形，圖（b）為發(fā)射端2PSK信號(hào)上移頻后的信號(hào)頻譜，圖（c）接收端輸入信號(hào)與NCO相乘后的信號(hào)波形，圖（d）為接收端輸入信號(hào)與NCO相乘后的信號(hào)頻譜。

圖4 N0=0.2的A W G N信道下上變頻和與N C O相乘后輸出的信號(hào)波形和頻譜

N0=0.2的AWGN信道下經(jīng)過(guò)8倍抽取CIC濾波后的信號(hào)波形和頻譜如圖5所示。圖（a）為輸出信號(hào)波形，圖（b）為輸出信號(hào)頻譜。從圖中可以看出，在8倍抽取后，采樣點(diǎn)由2048降為256，由于經(jīng)過(guò)CIC抗混疊濾波，和對(duì)倍頻信號(hào)的抑制，以及對(duì)高斯白噪聲的抑制，信號(hào)基本得到了恢復(fù)，信號(hào)基本未發(fā)生失真。然而，高斯白噪聲在通帶內(nèi)無(wú)法抑制，因此，信號(hào)受到一定程度的污染。

N0=0.2的AWGN信道下再經(jīng)過(guò)4倍抽取HB濾波后的信號(hào)波形和頻譜如圖6所示。圖（a）輸出信號(hào)波形，圖（b）為輸出信號(hào)頻譜。從圖中可以看出，在4倍抽取后，采樣點(diǎn)由256降為64，由于經(jīng)過(guò)HB抗混疊濾波，信號(hào)得到了恢復(fù)，信號(hào)失真度不大。

圖5 N0=0.2的A W G N信道下經(jīng)過(guò)8倍抽取C I C濾波后的信號(hào)波形和頻譜

圖6 N0=0.2的A W G N信道下經(jīng)過(guò)4倍抽取H B濾波后的信號(hào)波形和頻譜

3.3 仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可見，CIC濾波器和HB級(jí)聯(lián)使用，可以完成降低采樣速率且恢復(fù)信號(hào)的任務(wù)。抽取濾波器在接收機(jī)的數(shù)字混頻中使用，可以達(dá)到三個(gè)目的：(1)防止信號(hào)頻譜的混疊；(2)抑制相乘產(chǎn)生的2倍頻信號(hào)；(3)抑制帶外噪聲。然而，帶內(nèi)噪聲仍會(huì)泄露進(jìn)來(lái)，無(wú)法抑制，且隨著信道噪聲的增加，輸出信號(hào)的失真度也增加。研究證明，當(dāng)信號(hào)幅度為1，信道噪聲為AWGN型，噪聲密度超過(guò)N0=0.5時(shí)，信號(hào)的恢復(fù)將存在困難。

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