軟件無線電中數(shù)字下變頻技術研究

張紅福

【摘要】 根據(jù)軟件無線電理論和多速率數(shù)字信號處理原理完成了對數(shù)字下變頻系統(tǒng)方案的設計，包括混頻、NCO、濾波器組的設計。重點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——級聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器，CIC濾波器作為抽取濾波器實現(xiàn)可編程抽取，CIC濾波器不需要乘法器，不需要存儲濾波器系數(shù)，僅使用延時和加法操作，因而很適合采用FPGA實現(xiàn)；半帶濾波器（Half-Band Filter）在多速率信號處理中占有重要的地位，這種濾波器特別適于實現(xiàn)2的n次冪倍的抽取，計算效率高，實時性強；數(shù)字下變頻的多級高效數(shù)字濾波器模塊中，最后一級一般要使用FIR整形濾波器對整個信道進行整形，盡可能讓期望信號通過，同時盡可能抑制無用信號。

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

一、引言

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

二、數(shù)字變頻相關理論

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

2、數(shù)字濾波器理論。半帶濾波器（Half-Band Filter）[2]在多速率信號處理中被廣泛應用。因為這種濾波器的處理效率很高，實時性好，特別適合完成 D = 2M倍的抽取。半帶濾波器的沖激響應h（k）除了零點不為零外，在其余偶數(shù)點均為零，所以采納半帶濾波器來實現(xiàn)取樣率變換時，僅僅要求很少的計算量，但卻有很高好的效率，很適合于進行實時處理。用其可以完成兩倍內(nèi)插，減少了很大的計算量，提高了效率。當其抽取率為2的冪次方時，就可以采用多個半帶濾波器級聯(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)轉換器轉換后的信號經(jīng)串并變換電路變成兩路信號，一個信號乘以余弦波，下變頻到零中頻附近，形成與初始信號相位相同的信號；另一個信號乘以經(jīng)過九十度相移的正弦波，也下變頻到零中心頻率附近，形成與原信號相位正交的信號，實現(xiàn)數(shù)字的混頻。

三、下變頻系統(tǒng)方案設計

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

2、方案設計。將信源產(chǎn)生的I/Q兩路信號（采樣率為64KHz）與數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的正交本振信號（采樣率97.536MHz，載頻24.384MHz）通過數(shù)字混頻器相乘，再經(jīng)過數(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再分別與數(shù)控振蕩器[6]產(chǎn)生的正交本振信號通過數(shù)字混頻器相乘得到I/Q兩路混頻信號。分別將兩路信號經(jīng)過數(shù)字濾波器組濾除帶外信號，提取有用信息，同時完成信號采樣率的變換，恢復出信源信號完成數(shù)字下變頻。

3、混頻的結構?；祛l的目的在于將輸入的數(shù)字信號頻譜搬移，降低有用信號頻率。數(shù)字信號一路乘以正弦波，下變頻到零中心頻率上，形成與原信號相位相同的信號；另一路乘以經(jīng)過90°相移的正弦波，下變頻到零中心頻率上，形成與原信號正交的相位成分。其中，NCO的作用是產(chǎn)生頻率相同相位正交的正（余）弦信號。因此，濾除高頻部分同時降低基頻部分的采樣速率就成為下面要解決的問題。

4、抽取和濾波結構。

抽取的目的：降低信號的采樣速率。

濾波的目的是：1）防止頻譜混疊；2）提取有用信號；3）實現(xiàn)對信號的濾波整形[7]。

為了實現(xiàn)多級抽取濾波，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濾波器無需乘法運算，可以實現(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，半帶濾波器雖然有乘法，但運算量只相當于普通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，經(jīng)過前兩級的抽取濾波后，采樣率已明顯降低，隨后的濾波器要根據(jù)系統(tǒng)的要求對信號進行濾波整形，通常用普通的FIR濾波器來實現(xiàn)。根據(jù)以上的研究和分析，確定本系統(tǒng)濾波的實現(xiàn)結構。從24.39MHz模擬中頻帶通采樣、并進行數(shù)字下變頻到64Kbps符號率的變換過程，1536倍采樣率抽取分三級來實現(xiàn)，1536=3×26×8。積分梳狀濾波器（CIC）完成第一級3倍抽取濾波，半帶濾波器（HBF）實現(xiàn)后面的26倍抽取濾波，第三級普通的 FIR 濾波器完成最后的8倍抽取同時進行濾波整形，整個抽取過程被實現(xiàn)。

結論：本文主要對軟件無線電中的數(shù)字下變頻技術進行了研究，在研究相關理論的基礎上，分析了數(shù)字下變頻結構及實現(xiàn)方法。經(jīng)過仿真，達到了設計要求，證明了系統(tǒng)的可行性。

參 考 文 獻

[1] 張建，向敬成.軟件無線電技術導論[M].成都：電子科技大學出版社，2001

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

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

[4] 胡廣書編著.數(shù)字信號處理.北京：清華大學出版社，2003

[5] 楊小牛，樓才義，徐建良. 軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003

[6] 趙榮黎，王庭昌，李承恕譯，軟件無線電體系結構.北京：機械工業(yè)出版版社，2003

[7] 郭福成，皇甫堪，李綱.數(shù)字下變頻實現(xiàn)技術研究[J].國防科技大學學報，2000，20 （5）：95-97