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1、00696数字中频滤波技术及其在软件无线电中的应用刘东华欧建平【摘要】本文首先介绍了软件无线电的基本体系结构以及其中数字中频滤波(IF)的重要作用,具体说明了数字滤波器的实现,然后针对软件无线电所处理信号的不同特点着重分析了实现其下变频的数字中频滤波方法。关键词:数字中频滤波软件无线电 DSP一、引 言软件无线电的概念是在1992 年的全美远程系统会议上由J.Mitola 等人率先提出的。其定义为:软件无线电基于一个硬件平台,其 A/D(模/数)变换应尽量靠近天线,而将尽可能多的无线通信功能用软件来实现。由此可见,软件无线电代表的是一个软件可重构的无线电体系,它的可重构性主要体现在其射频(RF
2、)、中频(IF)以及基带信号处理可以通过软件编程来控制和实现。其硬件平台可以用可编程的数字信号处理(DSP)芯片或可重构专用功能信号处理器来实现。DSP与传统的模拟技术相比,不仅使系统的性能有很大提高,也为系统的实现提供了更高的灵活性和稳定性,从而更有效地用于不同传输带宽的通信系统。近年来,随着集成电路(IC)制造工艺的提高,尤其是CMOS 工艺及新的 DSP 算法和结构的出现,使得数字信号处理的功能有了很大提高,某些系统甚至可以实现全数字处理。如今,DSP 对数字信号的处理能力已由基带处理发展到中频处理,它可以实现调谐、中频滤波、信号选择以及上、下变频等。由于可以利用DSP 完成软件无线电中
3、从中频到基带的整个信号处理部分,从而使软件无线电从概念转变为现实产品成为可能。DSP 的中频处理能力使得数字中频滤波成为软件无线电中信号处理的关键技术之一,下面我们针对软件无线电的结构特点和系统要求来讨论数字中频信号处理的特点和具体实现。二、软件无线电中的中频处理结构图 1 给出了通用软件无线电体系的顶层结构。它主要包括宽带天线、射频处理、中频处理及基带处理几个部分。其中天线部分可以采用多频带智能天线技术实现;射频处理和本振两部分实现射频信号和中频信号之间的转换;中频处理部分完成信息承载信号在基带和中频之间的转换;基带处理部分主要完成数据信号的调制和解调。从图中可以看出,在软件无线电结构中,下
4、变频端将接收42无线通信技术2000年第2期 欧建平 国防科技大学电子科学与工程研究所 博士研究生刘东华 国防科技大学电子科学与工程学院博士研究生?1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -的有用信号由射频转换到中频进行处理;而在上变频端,则要将信号从中频转为射频,再由天线发射出去。软件无线电的中频处理部分主要包括数据上变频、下变频处理、A/D变换以及数控振荡器(本振)等。在软件无线电中,中频处理部分的实现结构取决于数字下(上)
5、变频转换器的处理对象是宽带信号、窄带信号、还是多重窄带信号(相应的信道模型为宽带单信道、窄带单信道和窄带多重信道)。宽带信号是指通过数字下变频处理后信号带宽比输入带宽宽10%以上的信号,这种情况下对信号处理器件的使用产生了一定的限制;而窄带信号的带宽比输入信号带宽要窄得多,故存在一定的处理增益;多重窄带信号对处理器件的要求与窄带信号的要求类似。随着通信技术的发展,对于数字中频处理器件的要求也越来越高。数字下(上)变频器主要包括一个数字本地振荡器、一个数字混频器和一个抽取(插值)滤波器。对于多重信号而言,可通过复用转接器来完成分布式并行处理与多重输出之图1通用软件无线电体系结构图间的转换。此外,
6、对于单个信号,可以利用直接变换接收机将射频信号不经过数字或模拟中频处理而直接转换为基带信号。但对于多重信号来说,通过数字中频滤波可以在存在远近效应的情况下提高抗干扰性能和获得较高的信噪比。三、数字滤波的特点1.数字滤波原理数字滤波器是对数字信号实现滤波的线性时不变离散系统。它的实质是一个运算过程,即输入的数字信号序列通过特定的运算转变为输出的数字序列。时域上两个序列的线性卷积相当于在频域上其相应的频谱序列的乘积。滤波从本质上来说,就是滤波器冲激响应的傅立叶变换所得到信号频谱的乘积。对于时域离散系统,它的频域特性为Y(ei)=X(ei)?H(ei)(1)其中X(ei)、Y(ei)分别为数字滤波器
7、的输入序列和输出序列的频域特性(离散频谱),H(ei)是系统单位冲激响应的频谱,即滤波器的频率响应。可见,X(ei)经过滤波后,变成X(ei)?H(ei)。因此,只要按照输入信号频谱的特点和处理信号的目的,选择合适的频率响应H(ei),使得滤波后的输出Y(ei)满足系统要求即可。2.数字滤波器的类型及比较数字滤波器按其单位冲激响应的时域特性可分为有限冲激响应滤波器(FIR)和无限冲激 响应 滤 波 器(IIR)。IIR 滤波器有一个或多个非零反馈系数,其反馈项包括一个或多个极点,当有冲 激 信 号 激 励 时,IIR滤波器总是有一个输出;FIR 滤波器没有非零反馈系数(不存在极点),故当有冲激
8、信号激励时,则输出是有限长的,其长度为计算循环长度。由于 IIR 滤波器既有前馈多项式,又有反馈多项式,故对于给定的滤波器阶数,它的传输特性更明显一些。通常在满足同样设计指标情况下,FIR 滤波器的阶数大约是IIR滤波器阶数的5 10 倍。但是,IIR 滤波器的相位是非线性的,而且,由于反馈环的存在,IIR滤波器的自适应性很差,而FIR滤波器由于具有全零结构,当其系数是对称的时52无线通信技术2000年第2期?1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第
9、 2 页，共 6 页 -(在许多滤波应用中系数都是对称的),其具有线性相位特性,且不存在反馈,所以在许多通信系统中都采用FIR 滤波器作滤波。此外,FIR 滤波器的单位冲激响应是有限长的,必是稳定的,而 IIR 滤波器采用递归结构,极点必须在单位圆内时才稳定,对于有限精度的计算,容易引起振荡。数字滤波器可以用通用DSP 来实现。这些处理器可以方便地实现次MHz 频率范围的数字滤波器。这是因为要实现对RAM或 ROM 中数据进行乘（），的（，（性）（字）自（限）（性）灵活在许，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -主要包括数据的上、下变频处理、A/D 变换以及数
10、控振荡器等几个部分。其中数字下变频转换器(DDC)利用低通抽取滤波将中频信号转 化 为 基 带 信 号。数 字 上 变 频 处 理 器(DUC)的处理过程与DDC 的处理过程相反(也即利用插值滤波将基带信号转化为中频信号)。中频波的实现结构根据数字下(上)变频转换器的操作对象是宽带信号、窄名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -信号滤波处理,则需要为M个对偶实数混频器的M个数字本振设置不同的空间频率。而多路转接器通过离散傅立叶变换(DF T)和滤波代替了本振和混频器,它可以利用快速傅立叶变换(FFT)来简化计算。也即针对相同的输入数据,采用 FF T 完成M个正
11、交本振和混频操作。在 DF T 输入端,抽取滤波器可以采用多相位(M个相位)结构。多路转接器的计算量远小于M个窄带下变频的计算量。这种方案是可取的。图5多信号接收数字中频处理框图3.宽带单信号数字中频滤波当中频信号的带宽与基带信号带宽之比小于 10:1 时,采用宽带单信号数字中频是合适的,而且优点是非常明显的,这些优点包括:(1)动态范围较大;(2)频率选择精确;(3)滤波特性良好;(4)可以捕获不同带宽的多重信号。宽带数字中频必须保证滤波器的抽取比率低于 10:1。典型的应用是通过一个频率为有用信号中心频率的本地振荡器进行数字混频,将实数中频信号转换成基带信号,从而将中心频率移到dc处。对得
12、到的复信号通过低通滤波,然后抽取,最后用与其带宽相对应的基带抽样速率对其进行抽样,得到正交基带信号。类似于窄带数字中频,可以用两个相同的实数滤波器串接起来完成上述过程,一个位于同相链路,一个位于正交链路。由于所采用的抽取因子较小,故滤波器可以采用一级或二级半带FIR 滤波器来实现。半带 FIR 滤波器可以实现两倍的抽取,其截止频率位于通带频率的中间位置,其6dB 衰减点位于采样频率的1/4 处。而且它的频率响应关于这一点对称。在时域上,它的冲激响应关于零点对称,而且有近乎半数的滤波器系数为零,也即h(i)=h(-i)0,1,N(2)h(2)=h(4)=0(3)其中N为滤波器长度。半带FIR 滤
13、波器可以在带宽减小不是很多的情况下实现基带正交变换。而且由于其对称特性使得它在实现时所需要的乘法次数仅为任意FIR 滤波器乘法次数的 1/4,从而在应用中使计算变得简单。由于标准的半带FIR滤波器只能实现两倍(级联情况下抽取率是2 的幂次)的抽样率,对于要求抽取率不是2的幂次的应用系统,可以在抽取系统的第一级采用一个简单的整系数FIR 滤波器,然后各级仍用半带滤波器级联的形式来解决。五、结束语软件无线电技术是一种实现无线通信的新体制,它由于具有开放式的硬件平台和很强的软件可重构性,从而使软件无线电具有很大的通用性,而且由于在软件无线电的中频部分开始就可以利用DSP 来进行处理,考虑到 DSP
14、强大的数字计算能力和可重构性,通过 DSP 技术和软件无线电体系的完美结合,必可实现多频段、多用户、多体制的无线通信系统。(下转第45页)82无线通信技术2000年第2期?1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -技术难点,又非常适合于作为辐射单元来构成能真正实现宽角扫描的相控阵天线。因此我们认为这种八臂螺旋天线有着广阔的应用前景。参考文献1J.M.Tranquillaand S.R.Best.AStudy of theQuad
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16、EEETrans.A-P,1974,22(2)5藤本共荣等著,杨可忠等译.移动天线系统手册.北京:人民邮电出版社,19976 中华人民共和国专利.ZL 95 2 40143.6(1999211215收到)(上接第 28 页)参考文献1R.E.克劳切,L.R.拉宾纳.多抽样率数字信号处理.北京:人民邮电出版社,1988年2月2M.Joe.The SoftRadio Architecture.IEEECom2munications Magazine,May,19953 肖维民,许希斌等.软件无线电综述.电子学报,1998,24H.J.Oh et al.On the Use of InterpolatedSecondOrderPolynomialsforEfficientFilterDesign inProgrammableDownconversion.IEEEJournalonSelected Areas in Communications,April,19995K.C.Zangi and R.D.Koilpillai.SoftwareRadioIssuesinCelluar Base S
