潘李云，董榮果

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

?

一種寬帶信號的多速率處理方法

潘李云，董榮果

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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

模/數(shù)轉(zhuǎn)換采樣；多速率處理；全概率接收

0 引 言

對于單通道的接收機或由幾個通道并聯(lián)而成的接收機而言，一般的接收方法是使用一個搜索器對整個頻帶進行搜索，先確定哪個頻帶有信號，再將本振調(diào)諧到對應的頻帶上進行接收[1-2]。這個接收方法有個不可避免的缺點就是容易造成信號的丟失，尤其是難以接收持續(xù)時間長的信號，也就是說無法做到信號的全概率接收。然而，接收機對信號進行全概率接收時通常首先需要對整個頻帶的信號進行采樣接收，這樣會導致接收機的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換采樣速率相當高，而A/D采樣后的信號處理部分會加大高速率數(shù)據(jù)處理的難度，解決這一問題的方法就是對信號進行多速率處理，使得數(shù)據(jù)率降下來[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)倍抽取就是對采樣率為fs的信號x(n)每隔D-1個數(shù)據(jù)取1個，形成1個新的采樣序列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)過抗混疊濾波器后信號中只有濾波器帶寬內(nèi)的分量?？够殳B濾波器以及抽取結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 抽取過程

當需要抽取的倍數(shù)D比較高時，就會難以實現(xiàn)單級大倍數(shù)的抽取，這是因為倍數(shù)D較高時，所需濾波器的階數(shù)可能也會特別高。這時候可以用多級抽取來替代單級抽取。多級抽取與單級抽取的關(guān)系為D=D1D2…Dn。值得注意的是，使用多級抽取需要遵循一個原則：就是倍數(shù)越大的抽取在設(shè)計時需要越靠前，因為優(yōu)先進行大倍數(shù)的抽取，往后的數(shù)據(jù)率自然也就越低，相對而言越容易處理。進行多級抽取時，每一級濾波器的通帶范圍應能有效滿足信號的有效頻帶，從而避免信號的失真。若單級要求的濾波器帶內(nèi)波動為δ，則N級帶內(nèi)波動為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)點和零點為非零值，其余都是零，所以用半帶濾波器可以有效減少計算量，提高效率。更節(jié)省硬件資源的是CIC濾波器，這種濾波器無需使用乘法器。

積分梳狀濾波器[8]的沖激響應為：

(3)

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

容易得到CIC濾波器的頻率響應為：

(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，那么就會因為主瓣過大，也就是濾波器的過渡帶過寬而導致濾波效果不好。而且，單級的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濾波器多級級聯(lián)使用。當CIC濾波器Q級級聯(lián)時，第一旁瓣電平與主瓣的差值為：

(5)

多級級聯(lián)CIC濾波器的帶內(nèi)容差為：

(6)

3 方案設(shè)計及仿真分析

本文設(shè)計了一種CIC濾波器、HB濾波器和FIR濾波器多級級聯(lián)的抽取方法對采樣率為800MHz的信號進行降速率。圖2為抽取前帶寬為6.25MHz的信號。

圖2 抽取前信號頻譜

經(jīng)過混頻后，信號被搬移到多個子通道的基帶上，然后進行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濾波器由于單級旁瓣衰減太少，進行5級級聯(lián)處理。圖3為CIC濾波器1～5級級聯(lián)時的情況。

通過仿真觀察CIC濾波器級聯(lián)級數(shù)從1～5時，可以看出隨著級聯(lián)級數(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級級聯(lián)時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)計算得阻帶衰減為56.8dB，帶內(nèi)容差為0.04dB，經(jīng)過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HB濾波器,得其階數(shù)為11。其頻率響應如圖4所示。

圖4 HB濾波器頻率響應

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

圖5 FIR濾波器頻率響應

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。處理后的信號如圖6所示。由圖6可知，通信信號經(jīng)過抽取濾波器和降速率處理后，頻域波形并沒有發(fā)生混疊，說明了該降速率方案是可行的。

圖6 抽取后信號頻譜

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

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

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

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

[5] 韓治國,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[J].計算機仿真,2013(8):181-184.

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

[7] 韓治國,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[J].計算機仿真,2013(8):181-184.

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

[9] 陳后金,薛健,胡健，等.數(shù)字信號處理[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