認知無線電中下變頻信號處理的頻譜研究

梁 爽，伍小芹

(1.西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071；2.海南大學 信息科學技術學院，海南 海口 570028)

認知無線電中下變頻信號處理的頻譜研究

梁 爽1，伍小芹2

(1.西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071；2.海南大學 信息科學技術學院，海南 海口 570028)

針對認知無線電中下變頻處理中的信號抽取過程對信號頻譜的影響進行了研究，信號抽取由積分梳狀(CIC)濾波器、半帶(HB)濾波器及多相濾波器級聯而成，利用傅里葉變換對各環節處理后的信號頻譜進行理論推導，得出各級抽取后信號頻譜的變化規律及各參數選擇要注意的問題。通過實驗仿真，對整個抽取系統進行測試，仿真結果表明，采樣率為fs的信號經過3級抽取，且抽取倍數為DCIC·DHB·D多相時，輸出信號的采樣率變為fs/(DCIC·DHB·D多相)，與理論推導結果一致，實現了多速率信號處理。

認知無線電；積分梳狀濾波器；半帶濾波器；多相濾波器；頻譜分析

0 引言

數字下變頻技術是認知無線電實現信號多速率處理的關鍵技術[1]，主要工作是將中頻載波上攜帶的有用信號搬移到基帶[2]，頻譜搬移是利用信號抽取完成的，先讓信號通過積分梳狀(CIC)濾波器和半帶(HB)濾波器，降低信號的采樣率，必要時還要經過多相濾波器，以實現整數倍[3]或非整數倍的采樣率變換[4]。

針對采樣信號的抽取、內插、抽取和內插結合的分數倍采樣率變換的研究有很多[5]，大都是根據多采樣率信號處理理論進行相應的討論，沒有討論多個抽取濾波器的級聯。文獻[6]給出了一種典型的多速率信號處理結構圖，對各環節進行了討論，但沒有形成整個抽取系統，缺少整體可行性分析。文獻[7]利用窗函數法和特征濾波器法分別設計半帶濾波器，討論半帶濾波器的優化設計問題。根據對文獻的分析，缺少對整個多速率信號處理系統整體的設計，單個濾波器容易實現，但在級聯時需要考慮相應的問題[8]。本文從認知無線電下變頻技術入手，討論了利用CIC濾波器、HB濾波和多相濾波器級聯來實現整數倍或非整數倍采樣率變換的結構，結合各濾波器的特征，對各抽取器的關鍵參數的選擇進行了分析，實現了整個系統的整體仿真，完成了多采樣率的變換。

1 認知無線電中的下變頻技術

認知無線電中數字下變頻技術原理[9]如圖1所示，硬件處理是對接收到的射頻模擬信號進行預處理，得到模擬中頻信號，對該模擬信號進行A/D轉換，采樣得到數字中頻信號，假設A/D轉換后采樣率為fs[10]。將數字中頻信號與數控振蕩器產生的復向量在正交數字混頻器中相乘，產生的信號包含低頻和高頻頻率成分[11]。由于信號采樣頻率可能會過高，后面的模塊無法達到這種速率，所以可以先讓信號通過CIC抽取和HB抽取濾波器，降低信號的采樣速率，再利用FIR濾波器對信號進行整形，得到基帶信號進行后續處理[12]。

圖1 數字下變頻技術原理

通過對數字下變頻原理及結構的分析，將其中多速率信號處理部分單獨整理出一種多速率信號處理結構，為實現整數倍或非整數倍抽取，在結構中加入多相濾波器，如圖2所示，整個結構包括CIC濾波器、HB濾波器、FIR濾波器以及多相濾波器，它們在系統中分別有著不同的作用，一起完成信號抽取任務。

圖2 多速率信號處理結構圖

2 各濾波器設計及頻譜分析

CIC濾波器可實現整數倍抽取，HB實現2N倍的采樣率變換，FIR濾波器用來去除HB濾波器過寬的過渡帶造成的殘留頻率[13]，多相濾波器采用分數倍采樣率轉換，實現非整數倍抽取。下面對CIC濾波器、HB濾波器、多相濾波器的設計及其頻譜進行分析。

2.1 CIC濾波器設計及其頻譜分析

CIC濾波器的沖激響應為[14]：

(1)

式中，M為濾波器的長度,對應的系統幅頻特性為：

(2)

圖3 CIC濾波器長度對幅頻特性的影響

圖4 CIC級數對幅頻特性的影響

2.2 HB濾波器

HB濾波器是一種特殊的FIR濾波器，要求抽頭數N滿足N+1是4的整數倍[16]，且其沖擊響應在偏移中心點的偶序號點上系數都取零，奇序號點上的系數關于濾波器的中心點呈現偶對稱[17]，這些特性使得在實現此類濾波器時節省近一半的乘法器數量。

不同階數的HB濾波器的幅頻特性如圖5所示，HB濾波器的過渡帶寬與其階數成反比，階數越小，通帶衰減快，同時過渡帶越寬，在多采樣率系統中會加大頻譜混疊影響。

圖5 不同階數的HB濾波器幅頻特性

2.3 CIC濾波器與HB濾波器比較

作為抽取濾波器，CIC濾波器與HB濾波器都能夠完成整數倍抽取，但是2種濾波器各有優點。CIC濾波器只有加法器沒有乘法器，與一般的線性濾波器、非線性濾波器相比節省計算存儲存儲空間。HB濾波器節省一半的計算量，適合實時性處理[18]。利用Matlab仿真比較兩濾波器的計算效率，相同輸入信號，相同倍數抽取，Matlab仿真結果和仿真所用時間分別如圖6和圖7所示。

(a) CIC兩倍抽取時域結果

(b) CIC濾波器計算所用時間圖6 CIC兩倍抽取濾波器抽取結果與計算效率

(a) HB兩倍抽取時域結果

(b) HB濾波器計算所用時間圖7 HB兩倍抽取濾波器抽取結果與計算效率

圖6(a)和圖7(a)顯示2種濾波器都能實現2倍的采樣率變化，圖6(b)與圖7(b)分別是2種抽取濾波所用時間，通過對比可以發現HB抽取濾波器總時間為0.590 s，CIC抽取濾波器總時間為1.099 s，HB濾波器比CIC濾波器用時短，計算效率高。所以一般在信號變速率時，首先考慮的是利用HB濾波器。雖然HB濾波器具有上述優點，但是HB濾波器只能完成2N倍采樣率變換，實際采樣率變換并不一定2N倍，使得在很多環境下無法只利用HB濾波器完成采樣率變換，通常會與CIC濾波器相結合，抽取濾波器系統就可以完成任意整數倍的高效抽取頻率變換。

2.4 分數倍采樣率轉換多相濾波器

為實現信號的分數倍采樣率轉換，可先對輸入信號進行整數I倍內插，再進行整數因子D倍抽取來實現[19]。為避免產生不必要的計算量，通常采用的采樣結構如圖8所示，將下采樣過程省略，只需要控制多相內插后的輸出轉向開關的位置即可。如果旋轉開關旋轉時，每隔D-1個端口切換一次，就能夠得到I/D的采樣率變換[20]。

圖8 分數倍多相濾波器結構

3 多速率信號處理系統的Matlab仿真

根據多速率信號處理系統中各個濾波器特性以及設計要點的分析，對圖2所示系統進行仿真實現。假設輸入SINC信號，采樣頻率fs=4 kHz，選擇DCIC=5，DHB=4，多相濾波器I=3,D=5，從抽取倍數看即D多相=5/3，每個環節采樣率變化如圖9所示，最終輸出信號的采樣頻率為:

圖9 多速率信號處理系統各環節采樣率變化

在Matlab環境下，對整個多速率信號處理系統各環節頻域進行了仿真，仿真結果如圖10～圖13所示。

圖10 輸入信號的時域、頻域圖

圖11 經過CIC后信號的時域、頻域圖

圖12 經過HB后信號的時域、頻域圖

圖13 經過多相濾波器后的時域、頻域圖

由仿真結果可知，抽取使得信號的時域縮短，從而導致頻域的展寬，理論上說信號進行了N倍抽取之后，信號的頻譜也會對應地展寬N倍。信號通過5倍CIC濾波器抽取后產生信號y1(n)，其幅頻特性的頻域相比輸入信號展寬了5倍，同理有了不同采樣率的輸出信號y2(n)，FIR濾波器只是對信號進行整形，沒有對信號進行抽取，因此y3(n)采樣率和y2(n)一樣，經過多相濾波器后得到采樣率為3fs/100的信號y4(n)。

4 結束語

針對認知無線電中下變頻處理中的信號抽取過程對信號頻譜的影響進行了研究，對各抽取濾波器的設計及參數選擇進行了分析。實驗仿真結果表明，CIC濾波器、HB濾波器及多相濾波器都能實現采樣率的變換，但每種濾波器有各自的特點，CIC濾波器的長度會影響頻譜的主瓣寬度，級數會影響阻帶衰減，HB濾波器計算效率高，但只能完成2N倍采樣率變換，實際應用時通常會與CIC濾波器相結合，多相濾波器可以高效實現分數倍采樣率轉換。采樣率為fs的信號經過3級抽取，且抽取倍數為DCIC·DHB·D多相時，輸出信號的采樣率變為fs/(DCIC·DHB·D多相)，因此，這種多級抽取系統能夠實現認知無線電中信號的下變頻技術，完成信號的多速率轉換。

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TheSpectrumStudyofDigitalDownConversioninCognitiveRadio

LIANG Shuang1,WU Xiao-qin2

(1.CollegeofTelecommunicationsEngineering,XidianUniversity,Xi’anShaanxi710071,China; 2.CollegeofInformationTechnology,HainanUniversity,HaikouHainan570028,China)

The impact of signal decimation on the signal spectrum during the digital down conversion in cognitive radio is studied.The digital signal decimation is composed of cascaded integrator comb (CIC) filter,half-band (HB) filter and poly-phase filer.In order to get the rule of the signal spectrum and know the matters of the parameter selection,the paper gives the theoretical derivation of the signal spectrum in each step by use of the Fourier transform.The test of the whole decimation system is carried by simulation.Both theoretical analysis and simulation results show that the three-stage cascaded decimation system can make the sampling ratefsof the input signal fall tofs/(DCIC·DHBD多相),which is consistent with the theoretical derivation,and the multi-rate conversion can be achieved.

cognitive radio;CIC filter;HB filter;poly-phase filter;spectrum analysis

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.04

梁爽，伍小芹.認知無線電中下變頻信號處理的頻譜研究[J].無線電工程,2017,47(12):15-19.[LIANG Shuang,WU Xiaoqin.The Spectrum Study of Digital Down Conversion in Cognitive Radio[J].Radio Engineering,2017,47(12):15-19.]

TN914.3； TN911.72

A

1003-3106(2017)12-0015-05

2017-06-25

國家自然科學基金資助項目(61561017)；海南省自然科學基金資助項目(20166214)。

梁爽女，(1995—)，碩士研究生。主要研究方向：無線通信。

伍小芹女，(1975—)，博士，副教授。主要研究方向：無線通信、數字信號處理。