楊 葉，王 宇

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安 710100）

多載波信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)是目前星上處理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1,8]，而數(shù)字分路則是實(shí)現(xiàn)成功解調(diào)的前提。在設(shè)備復(fù)雜度和功耗允許時(shí)，通常采用FIR濾波器組來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字分路，以獲得精確的線性相位。

通常，數(shù)字濾波器組實(shí)現(xiàn)主要有并行濾波器組、樹型濾波器組和陣列FFT3種方式[2]。在計(jì)算量上，并行濾波器組法由于工作在單路和采樣率較高的情況，計(jì)算量大；樹型分路和多相陣列FFT法都工作在低采樣率上，計(jì)算量較小。特別地，在通道數(shù)很多的情況下，多相FFT法比樹型分路在計(jì)算效率上的優(yōu)勢(shì)更加明顯。在結(jié)構(gòu)應(yīng)用靈活性上，并行濾波器組和樹型分路法對(duì)通道的帶寬基本上沒有什么苛刻的要求，而FFT分路法則要求是均勻通道，且通道數(shù)必須是2n。

由于本論文的研究背景為非均勻通道，故考慮采用樹型結(jié)構(gòu)數(shù)字分路法。文中首先介紹了傳統(tǒng)的多載波多速率數(shù)字分路的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。然后，針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字分路未能獲得充分的阻帶衰減及電路規(guī)模過(guò)大問題，文中給出了一種基于半帶濾波器組的多載波多速率(MCMRM)解決方法，并闡述了基本原理。最后，利用所提方法對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行了數(shù)字分路仿真。仿真結(jié)果表明：新的方法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字分路，并獲得充分的阻帶衰減和較小的電路規(guī)模。

1 基于鏡像濾波器組的樹形結(jié)構(gòu)數(shù)字分路

圖1所示為基于樹形結(jié)構(gòu)濾波器組的數(shù)字分路結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，多速率濾波器組由2個(gè)信道綜合而成的濾波器組以樹形結(jié)構(gòu)排列而成[3]。每個(gè)濾波器組由兩個(gè)抽取器、兩個(gè)帶通濾波器和一個(gè)累加器組合而成。然而，該多路器中存在以下缺陷：

1)如圖2所示，傳統(tǒng)的多路器/分路器模塊里面使用的是正交鏡像濾波器，不能獲得充分的阻帶衰減來(lái)減小混淆失真和幅度失真[4-5]。

在圖3中，為了分離出信道c，對(duì)信號(hào)通過(guò)濾波器0來(lái)進(jìn)行數(shù)字分路。然后，對(duì)濾出的信號(hào)進(jìn)行抽取。然而，由抽取引發(fā)的具有混淆現(xiàn)象的信號(hào)與分路出來(lái)的信道重疊了，導(dǎo)致抽取的信號(hào)發(fā)生了失真現(xiàn)象。而且，如果要被分路的信道所選的濾波器通帶不平坦，那么這個(gè)信號(hào)將會(huì)有幅度失真。這種數(shù)字分路將不可避免的給系統(tǒng)帶來(lái)解調(diào)性能的下降。

圖1 傳統(tǒng)的多載波多速率數(shù)字分路法Fig.1 Conventional Multicarrier/Multirate digital shunt

圖2 正交鏡像濾波器Fig.2 Quadrature mirror filter

圖3 傳統(tǒng)的分路方法Fig.3 Conventional demultiplexer

2)樹形結(jié)構(gòu)的電路規(guī)模將隨著載波數(shù)量的增多而增大，尤其當(dāng)載波數(shù)上百時(shí)，電路規(guī)模將會(huì)非常大，硬件資源消耗過(guò)多。

2 基于半帶濾波器組的樹形結(jié)構(gòu)數(shù)字分路

針對(duì)傳統(tǒng)樹型結(jié)構(gòu)濾波器組容易帶來(lái)幅度失真和混淆失真，MCMRM中的分路器使用了圖4所示的四種半帶濾波器代替正交鏡像濾波器，可提供充分的阻帶衰減[3]。這里，重點(diǎn)介紹四種半帶濾波器以及由它們組合而成的2信道濾波器組。其中，2信道濾波器組分別由濾波器0和濾波器1，以及濾波器2和濾波器3這兩對(duì)濾波器組合而成。通過(guò)濾波器0或者2的信號(hào)被輸入到由濾波器0和濾波器1組成的2信道濾波器組。通過(guò)濾波器1或者3的信號(hào)被輸入到由濾波器2和濾波器3組成的2信道濾波器組。

圖4 四種半帶濾波器Fig.4 The four kinds of half band filter

在圖5中，對(duì)信道進(jìn)行數(shù)字分路之前，先讓信號(hào)通過(guò)濾波器1，因?yàn)樗x濾波器的通帶是平坦的，故不會(huì)有幅度失真。然后，對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行抽取。從抽取速率和濾波器通帶帶寬的關(guān)系可知，由于抽取所帶來(lái)的失真不會(huì)和通帶重疊。因此，通帶頻率不會(huì)受到由抽取器帶來(lái)的混淆失真和幅度失真的影響。

圖5 新的分路方法Fig.5 New demultiplexer

同時(shí)，MCMRM采用圖6所示的在每一階段共享2信道濾波器組，即通過(guò)分時(shí)機(jī)制來(lái)減小分路器的電路規(guī)模的方法[6-7]。每個(gè)濾波器單元代表一個(gè)不同的處理階段。在基于樹形結(jié)構(gòu)的多速率濾波器組中的每一個(gè)階段，這個(gè)濾波器單元可以處理輸入到其中的所有的信號(hào)。每個(gè)濾波器單元由一個(gè)FIR濾波器、一個(gè)累加器和一個(gè)存儲(chǔ)器組成。這樣的設(shè)計(jì)方法使電路規(guī)模減小為原來(lái)的log2N/(N-1)。（N指處理的載波數(shù)目）。

圖6 新的分路器結(jié)構(gòu)Fig.6 Block diagram of proposed demultiplexer

3 仿真與分析

本小節(jié)將對(duì)提出的分路器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并與傳統(tǒng)的數(shù)字分路器進(jìn)行了對(duì)比。

如圖7所示，用基于樹形結(jié)構(gòu)的多級(jí)分路器對(duì)12路QPSK/FDMA信號(hào)進(jìn)行數(shù)字分路，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)類似的半帶濾波器[2]，半帶濾波器的通帶分別覆蓋輸入信號(hào)頻譜的不同部分，通過(guò)半帶濾波器的輸出信號(hào)的傳輸速率將會(huì)減半。四種半帶濾波器的通帶范圍分別為：

其中，fs是輸入到半帶濾波器中信號(hào)的采樣頻率。首先，通過(guò)圖7中的第一級(jí)時(shí)，濾波器的通帶將會(huì)覆蓋圖8中信號(hào)頻率較低的八個(gè)信道，而濾波器將會(huì)覆蓋信號(hào)中頻率較高的八個(gè)信道。然后，分路器的每一階段將進(jìn)一步分離信號(hào)直到每一路單獨(dú)的信號(hào)出現(xiàn)在第4階段的濾波器的輸出端。注意，在每一個(gè)階段所使用的半帶濾波器的功能是一樣的，唯一改變的是在通過(guò)每一級(jí)的半帶濾波器之后，采樣速率降低了一半。

如圖8所示，兩個(gè)速率較高的信號(hào)嵌入在FDMA信號(hào)中；一個(gè)是FDMA信號(hào)中基礎(chǔ)速率的兩倍，一個(gè)是FDMA信號(hào)中基礎(chǔ)速率的4倍。為了分離出兩倍于基礎(chǔ)速率的信號(hào)，我們可以在圖8中的A點(diǎn)提取出信號(hào)并將其直接送入到與其速率相對(duì)應(yīng)的信道處理器中，跳過(guò)樹形分路后面的階段。對(duì)于速率為基礎(chǔ)速率四倍的信號(hào)，我們可以將其從圖8中的B點(diǎn)提取出來(lái)，省去樹形分路后面的階段。這種樹形分路法通過(guò)使用分時(shí)處理的多速率濾波器組，使得電路規(guī)模過(guò)大的問題得到了有效解決。下面對(duì)圖8中所標(biāo)注的多載波多速率信號(hào)進(jìn)行數(shù)字分路。以第一路信號(hào)為例。

圖7 多級(jí)分路器的框圖Fig.7 Block diagram of multistage demultiplexer

首先，對(duì)第一路信號(hào)的多級(jí)抽取進(jìn)行仿真，濾波器輸入端的符號(hào)速率為1.35 MHz,采樣速率為86.4 MHz，經(jīng)過(guò)四級(jí)半帶濾波器的抽取，結(jié)果如圖8中的4個(gè)子圖所示。

圖8 通過(guò)四級(jí)半帶濾波器的抽取仿真Fig.8 After the four stage half band filter extraction

從上面的4個(gè)仿真子圖可以看出，每經(jīng)過(guò)一級(jí)半帶濾波器后，采樣速率減半，抽取后序列的頻譜為抽取前原序列的頻譜經(jīng)頻移和2倍展寬后的2個(gè)頻譜的疊加。即通過(guò)新給出的MCMRM方法，可以在提供充分的阻帶衰減和減小硬件規(guī)模的前提下有效的實(shí)現(xiàn)數(shù)字分路。

4 結(jié) 論

文中介紹了一種針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高效多載波多速率群解調(diào)器的結(jié)構(gòu)，從實(shí)現(xiàn)可行性的角度對(duì)多路突發(fā)信號(hào)的數(shù)字分路原理進(jìn)行深入的研究，提出了基于半帶濾波器組的數(shù)字分路方法，通過(guò)仿真驗(yàn)證，該方法可改善傳統(tǒng)數(shù)字分路帶來(lái)的幅度失真和混淆失真問題，且可顯著減小電路規(guī)模，便于工程實(shí)現(xiàn)，適用于同時(shí)處理多路信號(hào)的場(chǎng)合。

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