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)

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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勢。為了解決接收寬帶信號所需要的模/數(A/D)轉換采樣率高、后續信號處理設備速度慢的問題，討論了如何在A/D高速采樣后使用多種濾波器級聯的方法來進行多速率處理，最終達到降速率的目的。

模/數轉換采樣；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(A/D)轉換采樣速率相當高，而A/D采樣后的信號處理部分會加大高速率數據處理的難度，解決這一問題的方法就是對信號進行多速率處理，使得數據率降下來[3]。

1 降速率處理

降速率可以采用整數倍抽取[4-6]的方法。所謂整數倍抽取就是對采樣率為fs的信號x(n)每隔D-1個數據取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。為了避免抽取之后信號的頻譜發生混疊，需要加上抗混疊濾波器，抗混疊濾波器的帶寬為π/D，經過抗混疊濾波器后信號中只有濾波器帶寬內的分量。抗混疊濾波器以及抽取結構如圖1所示。

圖1 抽取過程

當需要抽取的倍數D比較高時，就會難以實現單級大倍數的抽取，這是因為倍數D較高時，所需濾波器的階數可能也會特別高。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：就是倍數越大的抽取在設計時需要越靠前，因為優先進行大倍數的抽取，往后的數據率自然也就越低，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波動為δ，則N級帶內波動為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。

半帶濾波器的系數只有奇數點和零點為非零值，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，也是抽取倍數，因為CIC濾波器的系數都為1，所顯而易見它的實現不需要乘法器。

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濾波器多級級聯使用。當CIC濾波器Q級級聯時，第一旁瓣電平與主瓣的差值為：

(5)

多級級聯CIC濾波器的帶內容差為：

(6)

3 方案設計及仿真分析

本文設計了一種CIC濾波器、HB濾波器和FIR濾波器多級級聯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級級聯處理。圖3為CIC濾波器1～5級級聯時的情況。

通過仿真觀察CIC濾波器級聯級數從1～5時，可以看出隨著級聯級數的增加，第一旁瓣的衰減明顯增加，但帶內容限也隨著增加。5級級聯時可以看出第一旁瓣衰減已經接近60dB，基本能滿足要求。根據式(5)和式(6)計算得阻帶衰減為56.8dB，帶內容差為0.04dB，經過CIC濾波器抽取后，數據率變成200MHz。HB濾波器輸入數據率為200MHz，通帶截止頻率5MHz，通帶波紋設為0.001dB，同樣使用fdatool工具按照需要的參數設計HB濾波器,得其階數為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，設計得階數為25。頻率響應如圖5所示。

圖5 FIR濾波器頻率響應

經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的數據率降低為50MHz。處理后的信號如圖6所示。由圖6可知，通信信號經過抽取濾波器和降速率處理后，頻域波形并沒有發生混疊，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.寬帶數字信道化接收機綜述[J].電子學報,2013(5):949-959.

[2] 謝昶.數字信道化接收機研究[D].南京:南京理工大學,2010.

[3] 崔巍.寬帶數字式信道化接收機及其關鍵技術的研究[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倍采樣率轉換技術[J].無線電通信技術,2000(3):28-29.

[5] 韓治國,王紅梅,許輝,等.基于窗函數和特征濾波器的半帶濾波器設計[J].計算機仿真,2013(8):181-184.

[6] 楊旭峰.數字下變頻器中多級抽取濾波器的設計[D].杭州:浙江工業大學,2012.

[7] 韓治國,王紅梅,許輝,等.基于窗函數和特征濾波器的半帶濾波器設計[J].計算機仿真,2013(8):181-184.

[8] 楊旭峰.數字下變頻器中多級抽取濾波器的設計[D].杭州:浙江工業大學,2012.

[9] 陳后金,薛健,胡健，等.數字信號處理[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