通信系統中數字上變頻技術的研究與設計

鐵 奎， 張 慷， 凌云志

（1．中國電子科技集團公司第四十一研究所 安徽 蚌埠 233006；2．中國電信上海公司 上海 200041）

通信系統中基帶信號上變頻的方式包括[1-2]模擬調制和數字調制，模擬調制中的基帶和載波信號都是模擬信號。隨著軟件無線電技術的發展以及大規模集成電路和DSP的廣泛應用，對通信系統中基帶到中頻的變換采用數字化處理，就能通過可編程器件的可編程性對載波頻率、信號帶寬、調制格式、信道編碼等進行控制，實現不同的通信功能要求。運用這一思想對數字上變頻器（DUC）進行研究與設計，對基帶信號進行[3]成形濾波、內插、混頻等處理，根據不同系統的要求，采用不同的編程代碼來完成相應的功能，具有較強的可編輯性及靈活性。

圖1 數字上變頻器原理Fig．1 Principle of digital up conversion

1 數字上變頻技術的理論基礎

數字上變頻器的基本工作原理如圖1所示，將基帶信號通過脈沖成形濾波器進行帶寬限制和消除碼間干擾（ISI），然后通過插值濾波器提高采樣率，最后與正交載波進行數字混頻、合路到中頻信號。

利用數字上變頻技術可以完成矢量電壓信號虛部和實部的疊加。設I路信號為A，Q路信號為B，數字本振（NCO）輸出的基準信號樣本為sin（ωcnT），輸出與基準相位信號正交的樣本為，則數字上混頻之后的信號為：

由上可知，利用數字上變頻技術可以替代傳統模擬調制器的作用，實現實部和虛部的中頻疊加。

數字上變頻器的核心器件是插值濾波器和正交混頻器。插值濾波器通過在原始的采樣點之間重復樣點然后經過半帶濾波器或積分梳狀濾波器 （CIC）濾波來提高信號的采樣率，在頻域內產生的鏡像頻譜，需要通過重建濾波器濾出。半帶濾波器具有帶內頻響好的特點，由于是FIR結構并且每次濾波只能提高一倍的采樣率，對于實現插值率較大的情況，設計復雜、浪費資源；CIC濾波器具有結構簡單、插值率任意可變等優點，但帶內頻響不好；設計時可以考慮當插值率小時直接采用半帶，插值率大時先經過半帶提高采樣率，然后再CIC濾波。因此插值器可以采用半帶濾波和CIC濾波級聯的結構。正交混頻器可以用數字振蕩器（NCO）、移位寄存器和乘法器設計。

2 半帶插值濾波器的研究

FIR的全稱叫有限沖擊響應是數字濾波器的一種，其有著固定的硬件結構，主要由一些延時器、乘法器和加法器等組成，其頻響的調整由濾波因子來控制。濾波因子的物理意義是濾波器頻響在時域上的反映。FIR濾波器的硬件結構主要實現的是濾波因子與數字信號在時域上的卷積運算，在數學上時域的卷積就等于頻域的乘積，這也就是FIR濾波的原理。只要將半帶濾波因子導入FIR中，就可實現半帶插值濾波器。半帶濾波因子可以用函數計算或MATLAB仿真得到。

半帶濾波器是一種FIR濾波器，它的沖擊響應除了中心點不為零之外，在其他的偶數點全為零，所以用半帶濾波器來實現插值濾波時，只需要一半的計算量，有很高的計算效率，可以節省硬件資源的開銷。半帶濾波器表達式為[4]：

由 z=ejω，也可以寫為：

帶內紋波和帶外紋波相等，即δp=δs半帶濾波器頻譜特性如圖2所示。

圖2 半帶濾波器頻率響應Fig．2 Frequence response of half band filter

3 數字正交混頻器的設計

數字正交混頻器設計如圖3所示，主要完成IQ矢量調制的功能，考慮到本振的正交性設計，可以將采樣率設置為中頻載波的 4×n 倍，n=1，2，3 ．．．， 這樣兩路相對有n個時鐘延遲即可保證載波的正交性。信號頻域的加性疊加在數學上可以表示為時域的乘法，因此混頻器可以用乘法器替代。數字本振可以利用循環輸出固定存儲的采樣點來表示?；祛l之后的合路器用加法器替代即可。乘法器、加法器都會造成數據位數的擴展，但D/A轉換位數有限，因此需要對數據位數截短后輸出。由于輸入到正交混頻器信號大小的不確定性，為了保證D/A輸出后的信號有最大的動態范圍，因此需要數據位數的截取段位能夠動態調整。

圖3 數字正交混頻器設計Fig．3 Design of digital quadraturemixer

在實際電路的設計中，首先考慮的是中頻頻率及信號帶寬，若中頻信號頻率為FC，信道帶寬為B，那么采樣率可設定為：

波形存儲器中的樣點數為4n個，正交相位本振相對基準相位本振延遲n個時鐘周期。輸入的基帶信號的采樣率為FS，經過插值率M=FS/Fb的半帶濾波后，采樣率與本振相同，基帶信號與本振逐點相乘混頻后再經過加法器合路即完成正交調制的過程。

4 仿真結果及分析

圖4 正交調制后信號的時頻仿真Fig．4 Time and spectrum simulation of quadraturemodulated signal

為了分析數字上變頻技術的性能，采用MATLAB進行QPSK調制的仿真試驗。仿真分析模型的主要步驟為：1）原始數據流用Randint函數產生隨機二進制序列，長度為10000；2）根據QPSK星座圖將數據流映射成對應的I、Q路幅度值，對應關系為 00（1，1）；01（-1，1）；10（-1，-1）；11（1，-1）。 3）映射后的I、Q幅度值經過升余弦成形濾波進行符號間干擾和帶寬限制，然后再通過半帶濾波提高采樣率，此時采樣率變為碼元速率的16倍，若采樣率設為2，則I路基帶信號帶寬則為1/16。4）數字本振用函數 sin（nπ/4），n=1，2…8； 取 8 個點作為基本相位本振；延遲兩個時鐘周期的數據作為正交相位的本振，此時本振頻率為1/4，將I路信號與基本相位本振逐點相乘，Q路信號與正交相位本振相乘，得到兩路信號后再合路相加即完成數字正交調制，圖4是正交調制后信號的時頻仿真圖，信號帶寬為1/8。

5 結束語

數字上變頻技術采用完全的數字化處理，無論是混頻、移相、求和都可以精確的控制有利于調試及實驗，可以避免模擬信號引入的噪聲及幅度誤差。并且數字信號處理過程中可以對數據流的任何階段進行仿真和圖形化顯示便于排查問題。在實際設計過程中還可以增加校準電路對后端模擬通道的頻響、群時延等誤差進行預補償，目前通信系統中基帶信號正交調制到中頻信號大都優先采用數字上變頻技術。

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