張紅福

【摘要】 根據(jù)軟件無(wú)線電理論和多速率數(shù)字信號(hào)處理原理完成了對(duì)數(shù)字下變頻系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，包括混頻、NCO、濾波器組的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)研究了用于降速處理的抽取理論，并深入研究了一種高效的濾波器——級(jí)聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器，CIC濾波器作為抽取濾波器實(shí)現(xiàn)可編程抽取，CIC濾波器不需要乘法器，不需要存儲(chǔ)濾波器系數(shù)，僅使用延時(shí)和加法操作，因而很適合采用FPGA實(shí)現(xiàn)；半帶濾波器（Half-Band Filter）在多速率信號(hào)處理中占有重要的地位，這種濾波器特別適于實(shí)現(xiàn)2的n次冪倍的抽取，計(jì)算效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；數(shù)字下變頻的多級(jí)高效數(shù)字濾波器模塊中，最后一級(jí)一般要使用FIR整形濾波器對(duì)整個(gè)信道進(jìn)行整形，盡可能讓期望信號(hào)通過(guò)，同時(shí)盡可能抑制無(wú)用信號(hào)。

【關(guān)鍵詞】 軟件無(wú)線電 數(shù)字下變頻 數(shù)控震蕩器 CIC濾波器 HBF FIR濾波器

一、引言

隨著移動(dòng)通信的快速發(fā)展，一種新型的無(wú)線通信系統(tǒng)被提出，這種新系統(tǒng)叫做軟件無(wú)線電，它實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信大的突破，代表了未來(lái)無(wú)線發(fā)展的方向。

二、數(shù)字變頻相關(guān)理論

1、多速率信號(hào)處理理論。軟件無(wú)線電的中心思想是將寬帶模數(shù)裝換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器盡可能接近天線端，因此好的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)需要ADC的采樣率很高。但是隨著AD采樣速率的提高，就會(huì)導(dǎo)致采樣后的數(shù)據(jù)流速率很高，造成后續(xù)信號(hào)處理的速度要求很高。解決這一問(wèn)題須要采用多速率信號(hào)處理方法，該方法的關(guān)鍵在于抽取和內(nèi)插兩種技術(shù)。

2、數(shù)字濾波器理論。半帶濾波器（Half-Band Filter）[2]在多速率信號(hào)處理中被廣泛應(yīng)用。因?yàn)檫@種濾波器的處理效率很高，實(shí)時(shí)性好，特別適合完成 D = 2M倍的抽取。半帶濾波器的沖激響應(yīng)h（k）除了零點(diǎn)不為零外，在其余偶數(shù)點(diǎn)均為零，所以采納半帶濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)取樣率變換時(shí)，僅僅要求很少的計(jì)算量，但卻有很高好的效率，很適合于進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。用其可以完成兩倍內(nèi)插，減少了很大的計(jì)算量，提高了效率。當(dāng)其抽取率為2的冪次方時(shí)，就可以采用多個(gè)半帶濾波器級(jí)聯(lián)的方法，是很有效率的。

3、正交數(shù)字混頻理論。正交數(shù)字混頻[5]，就是將模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)串并變換電路變成兩路信號(hào)，一個(gè)信號(hào)乘以余弦波，下變頻到零中頻附近，形成與初始信號(hào)相位相同的信號(hào)；另一個(gè)信號(hào)乘以經(jīng)過(guò)九十度相移的正弦波，也下變頻到零中心頻率附近，形成與原信號(hào)相位正交的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字的混頻。

三、下變頻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)要求。本設(shè)計(jì)中數(shù)字下變頻主要要實(shí)現(xiàn)的功能包括3個(gè)方面：1）數(shù)字變頻。將要處理的數(shù)字信號(hào)（符號(hào)速率64KHz）與數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的正交本振信號(hào)（采樣率97.536MHz，載頻24.384MHz）通過(guò)數(shù)字混頻器相乘，生成I/ Q兩路混合頻率信號(hào)，將需要的信號(hào)下變頻到中等頻率；2）低通濾波。濾除所需頻帶帶外信號(hào)，提取需要的信息，同時(shí)按照系統(tǒng)要求對(duì)信號(hào)濾波整形；3）采樣速率轉(zhuǎn)換（采樣率由97.536MHz轉(zhuǎn)變?yōu)?4KHz）。通過(guò)多級(jí)抽取濾波降低信號(hào)的采樣速率，減小對(duì)后續(xù)DSP的壓力。

2、方案設(shè)計(jì)。將信源產(chǎn)生的I/Q兩路信號(hào)（采樣率為64KHz）與數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的正交本振信號(hào)（采樣率97.536MHz，載頻24.384MHz）通過(guò)數(shù)字混頻器相乘，再經(jīng)過(guò)數(shù)字加法器相加完成數(shù)字上變頻（DUC）。得到的上變頻的信號(hào)再分別與數(shù)控振蕩器[6]產(chǎn)生的正交本振信號(hào)通過(guò)數(shù)字混頻器相乘得到I/Q兩路混頻信號(hào)。分別將兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器組濾除帶外信號(hào)，提取有用信息，同時(shí)完成信號(hào)采樣率的變換，恢復(fù)出信源信號(hào)完成數(shù)字下變頻。

3、混頻的結(jié)構(gòu)。混頻的目的在于將輸入的數(shù)字信號(hào)頻譜搬移，降低有用信號(hào)頻率。數(shù)字信號(hào)一路乘以正弦波，下變頻到零中心頻率上，形成與原信號(hào)相位相同的信號(hào)；另一路乘以經(jīng)過(guò)90°相移的正弦波，下變頻到零中心頻率上，形成與原信號(hào)正交的相位成分。其中，NCO的作用是產(chǎn)生頻率相同相位正交的正（余）弦信號(hào)。因此，濾除高頻部分同時(shí)降低基頻部分的采樣速率就成為下面要解決的問(wèn)題。

4、抽取和濾波結(jié)構(gòu)。

抽取的目的：降低信號(hào)的采樣速率。

濾波的目的是：1）防止頻譜混疊；2）提取有用信號(hào)；3）實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波整形[7]。

為了實(shí)現(xiàn)多級(jí)抽取濾波，可以充分利用前面介紹的兩種高效的數(shù)字濾波器——積分梳狀濾波器（CIC）和半帶濾波器（HBF）。由于CIC濾波器無(wú)需乘法運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)高速濾波，因而CIC濾波器一般用在輸入采樣率最高的第一級(jí)，半帶濾波器雖然有乘法，但運(yùn)算量只相當(dāng)于普通FIR濾波器的一半，所以HBF濾波器一般用在中等輸入采樣率的第二級(jí)，經(jīng)過(guò)前兩級(jí)的抽取濾波后，采樣率已明顯降低，隨后的濾波器要根據(jù)系統(tǒng)的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波整形，通常用普通的FIR濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以上的研究和分析，確定本系統(tǒng)濾波的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。從24.39MHz模擬中頻帶通采樣、并進(jìn)行數(shù)字下變頻到64Kbps符號(hào)率的變換過(guò)程，1536倍采樣率抽取分三級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，1536=3×26×8。積分梳狀濾波器（CIC）完成第一級(jí)3倍抽取濾波，半帶濾波器（HBF）實(shí)現(xiàn)后面的26倍抽取濾波，第三級(jí)普通的 FIR 濾波器完成最后的8倍抽取同時(shí)進(jìn)行濾波整形，整個(gè)抽取過(guò)程被實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論：本文主要對(duì)軟件無(wú)線電中的數(shù)字下變頻技術(shù)進(jìn)行了研究，在研究相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，分析了數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)過(guò)仿真，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，證明了系統(tǒng)的可行性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張建，向敬成.軟件無(wú)線電技術(shù)導(dǎo)論[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2001

[2] 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程（第二版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001

[3] 宗孔德.多抽樣率信號(hào)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996：4-30

[4] 胡廣書(shū)編著.數(shù)字信號(hào)處理.北京：清華大學(xué)出版社，2003

[5] 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，2003

[6] 趙榮黎，王庭昌，李承恕譯，軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu).北京：機(jī)械工業(yè)出版版社，2003

[7] 郭福成，皇甫堪，李綱.數(shù)字下變頻實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20 （5）：95-97