1、 徐 州 师 范 大 学 科 文 学 院 本 科 生 答 辩 论 文 课 程 名 称： DSP 答辩论文 题 目： 基于 DSP 的多采样率数字 滤波器在无线接收机中的应用 专 业 班 级： 08 电信 学 生 姓 名： 任洪兵 学 生 学 号： 088326106 日 期： 2011 年 6月 18日 指 导 教 师： 袁博宇 科文学院教务部印制 基于 DSP 的多采样率数字 滤波器在无线接收机中的应用 （姓名：任洪兵 专业：电子信息工程 邮编： 211116 联系方式： 15152190828） 摘要 随着数字信号处理理论及应用技术的迅速发展，在一个数字系统中只用一个采样频率已经很难满足要
2、求。在实际的应用中，经常会遇到采样率的转换问题，即要求一个数字系统能工作在多采样率状态。通过本设计，我们力图准确理解和掌握的数字信号处理课程所介绍的相关知识，并结和实例加以熟练应用。通过 MATLAB 仿真软件和 System Generator 开发平台实现多采样滤波器，并将其应用于无线通信系统的数字接收机。 关键词 ： 数字信号处理 ；多采样率；滤波器；数字接收机 Based on DSP many sampling rate digital filter in the application of wireless receiver Name: (RenHongBing professi
3、onal: electronic and information engineering zip code: 211116 contact way: 15152190828) Abstract Along with the digital signal processing theory and application of the rapid development of technology, in a digital system with only one sample frequency was hard to meet the requirements. In the actual
4、 application, often will meet the conversion of the sampling rate, which requires a number system can work in many sampling rate state. Through the design, we try to accurately understand and master of digital signal processing course this knowledge, and “and instances to skillfully using. Through t
5、he simulation of MATLAB software and Generator System development platform achieve more sampling filter, and applied to the wireless communication System of digital receiver. Keywords: digital signal processing; Many sampling rate; Filter; Digital receiver 1 前言 近年来，建立在采样率转换基础上的多采样率数字信号处理已成为数字信号处理学科中
6、的主要研究内容之一。直观地考虑，首先将以采样率 F1 采集的数字信号进行数模转换，这样就变成模拟信号，再按采样率 F2 进行模数转换，从而实现了从 F1 到 F2 的采样率转换，这就是变换采样率的最简单方法。但是这样较麻烦，且易使信号受到损伤，所以在实际应用的变采样系统中，改变采样频率并不经过模拟信号，而是完全在数字域中实现的在数字信号处理中，其中滤波占有极其重要的作用，适用于变采样率系统中的数字滤波器就是本文要谈论的主要内容。 数字下变频器 (DigitalDowneonverter)位于 ADC 与 DSP 器件之间，数字下变频器主要完成对中频数字信号的混频、滤波和重采样。通过降低数据流的
7、速率，把信号变至基带后，再把低速数据送给后端通用 DSP 器件进行处理，这样明显降低了 ADC和后端通用 DSP 器件的性能要求。作为前端 ADC与后端通用 DSP 器件之间的桥梁，数字下变频技术成为软件无线电接收机的核心技术之一，其性能的优劣将对整个软件无线电系统的稳定性、可靠性产生直接影响。数字下变频需要工作在很高的时钟之下，并具有极高的 计算能力，但其结构相对固定。所以制约数字下变频性能的主要因素就是计算能力和最大工作时钟的问题。目前在 DDC 技术上领先的有 TI 公司、 ADI 公司和 Intersil 公司，他们的 DDC 专用芯片具有较优异的性能参数与功能。其中 TI 公司的 G
8、C5316、 GC5018； ADI 公司的 AD6636、 AD6635； Intersil 公司的 ISL5416、 HSP50216 等都是性能极为优异的 DDC 产品。事实上，随着通信技术的发展，数字下变频器正向可编程、多通道、宽带等方向 发展。 2 通信系统中多采样率数字信号处理应用 2.1 通信系统中多采样率数字信号处理应用 现代通信系统中的无线接收机会对调制在特定频率上的窄带射频信号进行 下变频和解调。传统的无线接收机先对模拟中频信号在时域进行下变频然后进行 AD 转换为基带信号。如今无线接收机通常采用如图 2-1 的结构。可见， AD 转换器被移到中频中处理，在数字信号域对中频
9、信号进行下变频，这就用到了数字下变频器。这样做消除传统接收机由于信号不平衡带来的失真项，其次处理所用的数字滤波器可设计为具有线性相位的特性。 图 2-1 无线接 收机结构 可见无线接收系统在进行基带处理之前需要进行 K： 1 的降采样率的数字信号处理过程，这就是多采样数字信号处理在通信系统中的实际应用。该应用原因有二：一是为了降低输入 DSP 的信号的采样率，以减轻 DSP 的运算负荷；二是通常信号的带宽仅为几百 kHz 以下，没有必要采用过高的采样率，这就使得采样率的降低成为可能。 如图 2-2 所示是接收机数字下变频器部分的原理图。在本课程设计中 Matlab 仿真，和 system ge
10、nerator 模块的搭建都是按照如下功能模块搭建的。 图 2-2 数字下变 频器结构 滤波和减采样处理常分两级实现，第一级为一个不含乘法运算的 K 级 CIC 滤波器，同时执行一个 M:1 减采样处理。 CIC 滤波器后面跟随两个或多个半带滤波器对 CIC 主瓣增益进行修正，目的是对主瓣中心含有较大混叠能量的频率区域进行抑制，该混叠是由 M:1 减采样处理引起的。 2.2 多采样率数字信号处理 多采样率数字信号处理的主要问题就是要设计一个有效的系统，使数字信号的采样率提高或者降低任意倍。我们把降低信号采样率的过程叫做抽取，亦称采样率压缩，而把提高信号采样率的过程叫做内插，亦称采样率扩张。 基
11、本的采样率变换有整数 D 倍抽取、整数 I 倍内插和分数 I/D 倍的采样率变换，如图 2.3所示。图 2.3 中，信号序列的不同下标表示不同的采样率， fs 为信号的原始采样率。图中“ D”表示 D 倍抽取，即每 D个原始采样抽取一个；“ I”表示 I倍零值内插，即每两个相邻原始采样点之间均匀地插入 (I 1)个零点。其中的滤波器是为了滤除抽取中的混叠信号频谱和内插中的镜像信号频谱，它们分别称为“抗混叠滤波器”和“去镜像滤波器”。 图 2.3 对采样率数字信号处理概念示意图 2.3 无线接收机系统 在传统的接收机中， 如图 2-4 所示，它需执行两次频率变换，又称为双变频接收机。接收机对输入
12、信号进行镜像抑制滤波和功率放大后，接收器对输入信号进行镜像抑制滤波和功率放大后，将其从选定的射频信道下变频后送入中频滤波器，完成初步的带宽限制。中频滤波器的输出通过匹配正交混频器完成向基带的下变频，混频器后的模拟基带滤波器完成最终的带宽控制。每一路正交下变频信号再通过一对匹配模数转换器（ ADC）变为数字信号形式，该信号进一步经 DSP 处理执行必要的同步、均衡、解调、检测和信道译码处理。 图 2-4 传统接收机结构 图 2-5 第二代无线接收机结构 正交混频器、模拟基带滤波器和模数转换器中两条支路上增益和相位的不平衡，会导致同相和正交分量之间的串话。另外，模数转换会在基带信号的中心频率处产生
13、一个直流分量，儿模拟滤波器又将引入群时延是真。对此，可在接收机的后台 DSP 中心采用自适应算法来消除以上的不平衡、直流分量和相位失真。 我们要做的是将全部的基带处理任务放到 DSP 域中进行，以完全消除以上失真 的影响，而不是通过在 DSP 域中修修补补来弥补模拟处理造成的损伤。除了能 避免由于模拟分量差异造成支路信号不平衡带来的性能损 失、由于时间和温度变 化造成元器件参数变化带来的性能损失以及模拟滤波器带来的群时延失真以外， 插入 DSP 处理模块在滤波器设计上有更大的灵活性，其带宽和采样率可通过程 序进行设置。 如图 2-5 所示，在第二代接收机中结构发现器处理流程有两个重要的变化。首
14、先，在中频进行模数转换，其信号频率高于基带处理，因此采样率更高。其次，对目标信道进行下变频是通过数字下变频器和数字低通滤波器来实现的，由于采样率高了，因此必须包含重采样处理。引入这种额外的处理开销所换来的好处是，基于 DSP 的下变频不存在由信号不平衡 带来的失真项。数字转换处理的另一个好处是，处理所用的数字滤波器可设计为具有线性相位特性，可以很简单地用数字非递归滤波器形式来实现。 3 多采样率滤波器研究 3.1 多采样滤波器原理 实现采样率变换（抽取或内插）的关键问题是如何实现抽取前或内插后的数字滤波。无论是抽取还是内插，或者是采样率的分数倍变换，都需要设计一个满足抽取或内插（抗混叠）要求的
15、数字滤波器。该滤波器被成为多采样滤波器，它的性能的好坏直接影响采样率变换的效果及实时处理能力。在这方面积分级联梳状（ CIC）滤波器和半带（ HB）滤波器有 比较好的性能，在实际通信系统应用广泛。 在实际的可编程硬件采样率变换系统中，用得更多的 FIR 滤波器是两类高效的数字滤波器：半带滤波器（ Half Band Filter， HBF）和级联积分梳状滤波器（ Cascaded Integrator Comb Filter， CICF）。由于各自滤波器系数的特殊性，它们在节省运算量和存储量方面显得特别有效。 3.2 多采样滤波器 Matlab 仿真 Matlab 工具中提供了 CIC 滤波器
16、的函数包，我们可以准确方便地完成 CIC 滤波器的仿真。 CIC 的 Matlab 仿真程序可在附带的程序包得到。 如下是 Matlab 的仿真结果，由于我们主要研究数字下变频器中多采样率滤波器的应用，所以只仿真抽取型滤波器。其中图 3.1抽取系数为 2 的 CIC 滤波器。 参数设置：抽取因子设置为 r=2；利用 hn=mfilt.cicdecim(r)函数生成 CIC 抽取滤波器的系数； y=filter(hn,x)， y 是滤波器输出， x 是输入信号， hn 是滤波器系数。 (a) 原始信号 (b) 抽取后 图 3.1 CIC 滤波器 Matlab 仿真结果 如图 3.2所示这是半带滤
17、波 器的仿真图。半带滤波器本身的特征决定它是抽取率为 2的滤波器，而且可以由 FIR 滤波器方便地实现。 参数设置： r=2 是半带滤波器的抽取因子； b=firhalfband(16,0.0001,dev )， n=16 是设定半带滤波器的阶数， n必须是一个偶数， fp=0.0001 是通带的 归 一 化 频 率 ， fp1/2 ， dev 决 定 通 带 和 阻 带 的 最 大 波 纹 ；h=mfilt.firdecim(2,b)， r=2 是抽取因子， b是半带滤波器的系数。 (a)原始信号 (b)抽取后数字信号 图 3.2是 半带滤波器 Matlab 仿真图 3.3 多采样率波器的 FPGA 实现 如图 3.3 所示这是由 verilog 程序在 Quartus 软件中综合后仿真得到的一个单级、抽取率为 2 的 8位的 CIC 抽取滤波器的仿真结果。 图 3.3 单级 CIC 滤波器 verilog 代码仿真结果 图 3.4是半带滤波器 verilog 代码在 ise 中的仿真结果。 图 3.4半带滤波器 verilog 代码仿真结果 （注意：具体说明请参考原程序）
