一种宽带信号的多速率处理方法

潘李云，董荣果

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



一种宽带信号的多速率处理方法

潘李云，董荣果

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

相比于逐个信道接收的窄带信号而言，宽带接收机具有全概率接收的优势。为了解决接收宽带信号所需要的模/数(A/D)转换采样率高、后续信号处理设备速度慢的问题，讨论了如何在A/D高速采样后使用多种滤波器级联的方法来进行多速率处理，最终达到降速率的目的。

模/数转换采样；多速率处理；全概率接收

0 引 言

对于单通道的接收机或由几个通道并联而成的接收机而言，一般的接收方法是使用一个搜索器对整个频带进行搜索，先确定哪个频带有信号，再将本振调谐到对应的频带上进行接收[1-2]。这个接收方法有个不可避免的缺点就是容易造成信号的丢失，尤其是难以接收持续时间长的信号，也就是说无法做到信号的全概率接收。然而，接收机对信号进行全概率接收时通常首先需要对整个频带的信号进行采样接收，这样会导致接收机的模/数(A/D)转换采样速率相当高，而A/D采样后的信号处理部分会加大高速率数据处理的难度，解决这一问题的方法就是对信号进行多速率处理，使得数据率降下来[3]。

1 降速率处理

降速率可以采用整数倍抽取[4-6]的方法。所谓整数倍抽取就是对采样率为fs的信号x(n)每隔D-1个数据取1个，形成1个新的采样序列xD(n)，其新的采样率为fs/D，其中D为抽取倍数。为了避免抽取之后信号的频谱发生混叠，需要加上抗混叠滤波器，抗混叠滤波器的带宽为π/D，经过抗混叠滤波器后信号中只有滤波器带宽内的分量。抗混叠滤波器以及抽取结构如图1所示。

图1 抽取过程

当需要抽取的倍数D比较高时，就会难以实现单级大倍数的抽取，这是因为倍数D较高时，所需滤波器的阶数可能也会特别高。这时候可以用多级抽取来替代单级抽取。多级抽取与单级抽取的关系为D=D1D2…Dn。值得注意的是，使用多级抽取需要遵循一个原则：就是倍数越大的抽取在设计时需要越靠前，因为优先进行大倍数的抽取，往后的数据率自然也就越低，相对而言越容易处理。进行多级抽取时，每一级滤波器的通带范围应能有效满足信号的有效频带，从而避免信号的失真。若单级要求的滤波器带内波动为δ，则N级带内波动为δn=δ/N。常用的抗混叠滤波器有积分梳状滤波器(CIC)、半带滤波器(HB)以及有限冲激响应滤波器(FIR)[4]。

2 降速率滤波器

半带滤波器是指频率特性满足下式的FIR滤波器[7]：

ωc=π-ωA

(1)

δs=δp=δ

(2)

式中：ωc为半带滤波器的通带宽度；π-ωA为阻带宽度；δp与δs分别为通带与阻带波纹。

半带滤波器的系数只有奇数点和零点为非零值，其余都是零，所以用半带滤波器可以有效减少计算量，提高效率。更节省硬件资源的是CIC滤波器，这种滤波器无需使用乘法器。

积分梳状滤波器[8]的冲激响应为：

(3)

式中：D为CIC滤波器的阶数，也是抽取倍数，因为CIC滤波器的系数都为1，所显而易见它的实现不需要乘法器。

容易得到CIC滤波器的频率响应为：

(4)

CIC滤波器的主瓣宽度由抽取倍数D决定，如果只使用CIC滤波器，那么就会因为主瓣过大，也就是滤波器的过渡带过宽而导致滤波效果不好。而且，单级的CIC滤波器阻带衰减很差，很难满足使用要求，所以工程上一般将CIC滤波器多级级联使用。当CIC滤波器Q级级联时，第一旁瓣电平与主瓣的差值为：

(5)

多级级联CIC滤波器的带内容差为：

(6)

3 方案设计及仿真分析

本文设计了一种CIC滤波器、HB滤波器和FIR滤波器多级级联的抽取方法对采样率为800MHz的信号进行降速率。图2为抽取前带宽为6.25MHz的信号。

图2 抽取前信号频谱

经过混频后，信号被搬移到多个子通道的基带上，然后进行CIC滤波器4倍抽取，HB滤波器2倍抽取以及FIR滤波器2倍抽取。其中，CIC滤波器由于单级旁瓣衰减太少，进行5级级联处理。图3为CIC滤波器1～5级级联时的情况。

通过仿真观察CIC滤波器级联级数从1～5时，可以看出随着级联级数的增加，第一旁瓣的衰减明显增加，但带内容限也随着增加。5级级联时可以看出第一旁瓣衰减已经接近60dB，基本能满足要求。根据式(5)和式(6)计算得阻带衰减为56.8dB，带内容差为0.04dB，经过CIC滤波器抽取后，数据率变成200MHz。HB滤波器输入数据率为200MHz，通带截止频率5MHz，通带波纹设为0.001dB，同样使用fdatool工具按照需要的参数设计HB滤波器,得其阶数为11。其频率响应如图4所示。

图4 HB滤波器频率响应

FIR滤波器通带截止频率为5MHz，阻带起始频率15MHz，通带波动0.1dB，阻带衰减50dB，设计得阶数为25。频率响应如图5所示。

图5 FIR滤波器频率响应

经CIC滤波器、HB滤波器、FIR滤波器先后滤波及抽取后，A/D采样后800MHz的数据率降低为50MHz。处理后的信号如图6所示。由图6可知，通信信号经过抽取滤波器和降速率处理后，频域波形并没有发生混叠，说明了该降速率方案是可行的。

图6 抽取后信号频谱

[1] 龚仕仙,魏玺章,黎湘,等.宽带数字信道化接收机综述[J].电子学报,2013(5):949-959.

[2] 谢昶.数字信道化接收机研究[D].南京:南京理工大学,2010.

[3] 崔巍.宽带数字式信道化接收机及其关键技术的研究[D].成都:电子科技大学,2005.

[4] 李静,彭华,葛临东,等.用于软件无线电中的整数倍采样率转换技术[J].无线电通信技术,2000(3):28-29.

[5] 韩治国,王红梅,许辉,等.基于窗函数和特征滤波器的半带滤波器设计[J].计算机仿真,2013(8):181-184.

[6] 杨旭峰.数字下变频器中多级抽取滤波器的设计[D].杭州:浙江工业大学,2012.

[7] 韩治国,王红梅,许辉,等.基于窗函数和特征滤波器的半带滤波器设计[J].计算机仿真,2013(8):181-184.

[8] 杨旭峰.数字下变频器中多级抽取滤波器的设计[D].杭州:浙江工业大学,2012.

[9] 陈后金,薛健,胡健，等.数字信号处理[M].2版.北京:高等教育出版社,2008.

AMulti-rateProcessingMethodofBroadBandSignal

PANLi-yun,DONGRong-guo

(The723InstiuteofCSIC，Yangzhou225001，China)

Comparingwiththenarrowbandsignalsreceivedbythechannelsonebyone,thebroadbandreceiverhastheadvantageoffull-probabilityreception.Tosolvetheproblemsthattheanalogtodigital(A/D)conversionsamplingraterequiredbyreceivingbroadbandsignalishighandthevelocityoffollow-upsignalprocessingdevicesisslow,thispaperdiscusseshowtousemulti-filtercascademethodtoperformmulti-rateprocessingafterA/Dhigh-speedsampling,finallyachievetheaimofreducingvelocity.

analogtodigitalconversionsampling;multi-rateprocessing;full-probabilityreception

2016-06-24

TN

A

CN32-1413(2016)05-0082-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.021