高速數傳中改進的CIC濾波器的仿真與實現*

羅 強，劉景元

（西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引言

隨著衛星通信技術應用的發展，高速數傳技術應用也越來越廣泛。CIC濾波器是數據通信的常用模塊，一般應用于數字下變頻（DDC）和數字上變頻（DUC）系統中[1-2]，隨著數據傳輸率的不斷增加，級聯梳狀濾波器（CIC）的應用變得非常重要，CIC濾波器僅利用加法器、減法器和寄存器的特點，所以非常適用工作在高采樣率下。數字下變頻（DDC）中，CIC濾波器起著重要的作用，它主要用對于采樣速率的抽取，同時具有低通濾波器的特性。高速數傳技術中需要對高速率AD采樣信號下變頻后進行抽取的結果，具有單載波鏡像衰減不夠，同時對有效帶寬外信號衰減不夠問題，需要進行低通濾波處理，同時由于采樣速率高，針對低速率情況就需要進行抽取，綜合濾波與抽取的需求，級聯積分梳狀（CIC）濾波器便是一種好的解決方案，而常用的梳狀濾波器在抽取數量對濾波帶寬就給出了準確的限制。而實際應用時需要對抽取后的信號再次進行濾波，在高速數據處理中，FPGA資源就提出了更高的要求，常用的并行濾波器消耗的FPGA資源較多，因此本文提出了一種修改后的CIC濾波器，在完成抽取的同時對數據進行濾波帶寬更窄的濾波。

1 CIC濾波器原理

CIC濾波器系統的傳遞函數[3-4]為：

圖1 單級CIC濾波器的算法和結構

在實際應用中，如圖1由于單級CIC濾波器的阻帶衰減無法滿足要求，因此時常將CIC濾波器進行級聯，從而滿足要求。級聯濾波器的實現框圖如圖2所示。

2 改進CIC濾波器仿真

實際應用中，采用4.8192 Gsps采樣率對中頻1.2 GHz帶寬為1 GHz的信號進行采樣，下變頻后的信號單邊帶帶寬為500 MHz，兩倍抽取后，為了保證后續信號處理的點數不小于4，只能進行2倍的濾波抽取，2倍抽取后的濾波只能在1.2 G附近濾波，而實際信號的帶寬只在0到500 MHz，因此需要添加低通濾波器對500 MHz到1 GHz頻段信號進行濾波處理，同時在實際采用4.8 G采樣率對單載波進行采樣時，在1.2 G頻率和2.4 G頻率上出現鏡像頻譜，如圖3采用常用的級聯CIC濾波器進行2倍抽樣濾波后在1.2 G頻點上的頻譜沒有完全濾波掉，對后續數字信號處理帶來影響。

圖2 級聯CIC濾波器的算法和結構

圖3 級聯CIC濾波器的仿真

圖4是常用CIC濾波器的沖擊響應。

圖4 級聯CIC濾波器的沖擊響應

因此需要對常用CIC濾波進行改進，改進的仿真框圖如圖5所示?；诟咚貯D下變頻在FPGA實現常采用并行處理，因此可以采用先對數據進行積分處理后，按照要求進行抽取，對抽取后的數據進行并行4路處理同時給每路進行4倍抽取后進行CIC濾波的微分處理，然后將四路數據進行拼接完成。

圖5 改進后的級聯CIC濾波器的仿真

改進后的CIC濾波器的沖擊響應如圖6所示。

圖6 改進后的級聯CIC濾波器的沖擊響應

通過圖4與圖6對比發現改進后的級聯CIC濾波器的沖擊響應圖盡管抽取率仍為2，但在600 MHz時就有濾波衰減，同時對600 MHz到1200 MHz頻段內的信號相對于未改進的CIC濾波器有40 dB以上的衰減。而實際應用中有用信號的帶寬在500 MHz以內，對600 MHz到1 GHz內的信號就需要通過低通濾波器進行處理。

將實際AD采樣數據送入仿真得到如下結果：

圖7是AD采樣數據信號的頻譜圖，可以看出在2.4 G，1.2 G處均有比較高的鏡像頻譜。

通過常規的三級級聯CIC濾波后，抽取率為2時，通過圖8可以看出抽取后的信號在1.2 G處仍有比較高的頻譜，此頻譜對后續數字處理帶來比較大的影響，可以采用濾波的方式對信號再次進行濾波，由于并行路數為16路，因此濾波器消耗的資源較大，特別是比較稀少的DSP資源更是消耗較大。

采用改進后的三級CIC濾波器抽取率為2的輸出信號頻譜圖如圖9所示。通過對比發現，改進后的濾波器效果明顯，在1.2 G和600 M附近信號頻譜衰減符合要求。達到了采用常用濾波器的輸出效果。

圖7 仿真輸入信號頻譜

圖8 常用三級濾波器仿真結果頻譜

圖9 改進后的濾波器仿真結果頻譜

3 改進的CIC濾波器實現

按照仿真原理圖進行FPGA代碼實現[5]，對輸入1.2 GHz中頻的500 Msps的QPSK調制信號進行4.8 GspsAD采樣后進行數字下變頻，然后進行2倍抽取，抽取后的信號的頻譜如圖10和圖11所示。通過對比發現常規CIC濾波后信號頻譜旁瓣較高，采用修改后的CIC濾波的信號頻譜旁瓣衰減達到40 dB以上，達到了預期效果，降低了資源消耗。

圖10 常用三級濾波器實現結果頻譜

圖11 改進后的濾波器實現結果頻譜

4 結語

在當今的電子的設計中，占用相對少的資源和具有最快運行速度是設計的方向。修改后的CIC濾波器在資源消耗比較小的情況下同時不使用低通濾波器情況下達到了對旁瓣濾波效果。對CIC濾波器，其簡單的算法和占用資源都優于普通的CIC濾波器和低通濾波器的組合，性能上又能達到預期效果。在本設計的過程中，雖然其在實際的運用達到了較好的結果，但由于時間和條件的限制，難免存在缺點與不足之處，所以在以后還應對其進一步優化。