软件无线电中多速率信号处理设计及仿真

伍小芹，梁 爽

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570028)

软件无线电中多速率信号处理设计及仿真

伍小芹，梁 爽

(海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570028)

针对软件无线电中的采样率转换问题，提出了一种先抽取再内插来实现采样率转换的结构，讨论了与之相应的CIC滤波器、HB滤波和多相滤波器的设计，结合各滤波器的特征，对各抽取器关键参数的选择进行了分析，实现了整个抽取系统从输入到输出的仿真，完成了多采样率的变换.

软件无线电采样率变换； CIC滤波器； HB滤波器； 多相滤波器

软件无线电是现今无线通信发展的方向，其关键技术包含数字上变频技术和数字下变频技术，以便适合后续的数字信号处理芯片的处理速度.在系统的设计中经常采用不同的采样速率处理信号，且不同的采样速率信号之间能相互转换.多速率信号处理技术能实现采样率变换[1]，其本质是利用数字信号处理方法直接改变采样信号的速率，基本环节包括抽取和内插.

文献[2]对采样信号的整数倍取、整数倍内插以及抽取与插值结合的分数倍采样率变换进行了研究，缺少对多速率信号处理系统中其他重要模块的研究和仿真.文献[3]对多速率信号处理系统中的各个模块进行简单的介绍，缺少对整个多速率信号处理系统的仿真和验证.文献[4]研究多速率信号处理技术在软件无限电中的应用，介绍CIC滤波器、HB滤波器.文献[5]讨论了CIC滤波器的级数的影响及相应滤波器的设计.文献[6]只是从如何将抽取和插值结合来实现非整数倍的采样率变换来设计和讨论.文献[7]利用窗函数法和特征滤波器法分别设计半带滤波器，讨论半带滤波器的优化设计问题.综上所述，文献[1-7]缺少对整个多速率信号处理系统整体的设计.因此，笔者首先从一种先抽取再内插来实现采样率转换的结构入手，讨论了与之相应的CIC滤波器、HB滤波和多相滤波器的设计，其次结合各滤波器的特征，对各抽取器的关键参数的选择进行了分析，最后实现了整个抽取系统的整体仿真，完成了多采样率的变换.

1 多速率信号处理系统

软件无线电主要包含射频前端、数字中频系统和数字基带3个部分.射频前端由天线、模拟混频器、模拟滤波器、A/D和D/A转换器组成，将模拟中频信号数字化为数字中频信号；数字中频系统实现数字信号的上、下变频技术；数字基带部分对满足用户需求的基带信号进行处理.数字下变频技术框图如图1所示，数字上变频是相反的过程.

通过对数字下变频原理及结构的分析，可以得到一种典型的多速率信号处理结构，如图2所示，包括CIC滤波器、HB滤波器、FIR滤波器以及多相滤波器，其在系统中分别有着不同的作用.

图2结构中的抽取系统由3种滤波器(CIC抽取滤波器、HB抽取滤波器和多相滤波器)级联组成，此方式实现抽取系统能降低抽取过程中的计算量、存储量及滤波器的阶数，但级联过多并不会取得很好的效果[8].综合考虑，采取3级级联方式实现抽取系统.信号经过抽取系统后用HB内插滤波器对其进行2倍内插，从而提高分辨率.

图1 数字下变频技术框图

图2 多速率信号处理结构图

2 各滤波器设计及特征仿真分析

2.1 CIC滤波器 CIC滤波器的冲激响应为

(1)

其中，M为滤波器的长度(M为抽取因子),对应的系统幅频特性为

(2)

图3给出了CIC滤波器长度对系统幅频特性的影响，随着CIC滤波器长度增加，主瓣宽度减小且主瓣衰减加快，但第一旁瓣的衰减几乎没有变化，单级的CIC滤波器阻带衰减只有13.46 dB.

图3 CIC滤波器长度M=3、5和8时滤波器幅频特性

图4 Q级级联的CIC抽取滤波器

对长度为8的CIC滤波器分别采用单级、2级、5级CIC级联进行仿真，结果如图5所示.随着级数的增加，滤波器增益变大，主瓣宽度不变，旁瓣衰减变快，5级级联的阻带衰减可达67dB，能够达到高效滤波器的设计要求.

图5 级数Q=1、2及5时CIC滤波器幅频特性

2.2HB滤波器HB滤波器只能进行2N倍的采样率变换，因其计算效率高、实时性好. 因此在进行采样率变换时，首先考虑是HB滤波器.半带滤波器幅频特性中通带和阻带关于fs/4对称，即通带容限和阻带容限相等.图6给出了不同阶数的HB滤波器的幅频特性， HB滤波器的过渡带宽与其阶数成反比，减小阶数会导致过渡带过宽，在多采样率系统中会加大频谱混叠影响.

图6 阶数为M=6、M=18和M=38的HB滤波器幅频响应

2.3FIR滤波器半带滤波器的阶数变小，会导致半带滤波器过渡带变得非常宽，所以一般会在一组级联的半带滤波器之后再级联一个清除作用的FIR滤波器.此滤波器是一个标准的FIR滤波器，其过度带宽比较窄，可以用来去除掉半带滤波器过宽的过渡带造成的残留频率.

2.4 多相滤波器 FIR滤波器的系统函数一般为

(3)

其中,N为FIR滤波器的长度，可以将式(3)分为M组，每组滤波器长度为Q=N/M，设计多相滤波器要求Q是整数.

图7给出了多相抽取和内插系统结构.

a 多相抽取 b 多相内插图7 多相抽取、内插滤波器结构图

3 多速率信号处理系统的Matlab仿真

根据多速率信号处理系统中各个滤波器特性以及设计要点的分析，对图2所示系统进行仿真实现.假设输入SINC信号，采样频率fs=4 kHz，选择DCIC=5,DHB=4，D多相=5/3，IHB=2，每个环节采样率变化如图8所示，最终输出信号的采样频率为(fs·IHB)/(DCIC·DHB·D多相)=(4 000×2)/[5×4×(5/3)]=240 Hz.

图8 多速率信号处理系统验证

在Matlab环境下仿真，整个多速率信号处理系统各环节时域和频域仿真结果如图9所示.由仿真可知，抽取使得信号的时域缩短，从而导致频域的展宽，理论上说信号进行了N倍抽取之后，信号的频谱也会对应地展宽N倍.信号通过5倍CIC滤波器抽取后产生信号y1(n)(图9b)，其幅频特性的频域相比输入信号展宽了5倍，同理有了不同采样率的输出信号y2(n)(图9c)，FIR滤波器只是对信号进行整形，没有对信号进行抽取，因此y3(n)的采样率与y2(n)一样.经过多相滤波器后得到y4(n)(图9d)，信号经过抽取系统后用HB内插滤波器对其进行2倍内插，得到y5(n)(图9e).

为比较不同抽取结构实现变速率采样的区别，以120倍抽取为例，分别用CIC滤波器、CIC滤波器和HB滤波器组合及本文结构来完成抽取任务，都采用原理框图法来实现，在Matlab平台上进行仿真比较.

利用CIC完成120倍抽取的仿真图如图10所示.利用CIC进行30倍抽取后再利用HB进行4倍抽取，2级滤波器级联完成120倍抽取，仿真结果如图11所示，设计HB滤波器时，因为原始输入信号通过CIC 30倍抽取后输出信号带宽展宽30倍，所以HB滤波器需要将其阶数升高，展宽通带，这会增加实际实现难度.利用CIC进行18倍抽取，HB进行4倍抽取，多相滤波器完成5/3倍抽取，最终完成18*4*(5/3)=120倍的抽取，仿真结果如图12所示.3种结构都能实现多倍抽取，抽取效果基本一致，但应用灵活度不一样.

a 输入信号的时域、频域图 b 经过CIC后信号的时域、频域图

c 经过HB后信号的时域、频域图 d 经过多相滤波器后的时域、频域图

e 经过2倍内插后信号的时域、频域图图9 多速率信号处理系统各环节时域和频域仿真结果

在实际仿真时，为实现信号的高倍抽取，输入信号的带宽不能过宽.利用CIC抽取滤波器进行信号的整数倍抽取，抽取倍数不能过大，一般CIC滤波器长度等于抽取倍数，倍数大既不容易实现，也容易使输出信号频带失真明显.HB只能实现2的整数次幂的抽取，当抽取倍数过大时，级联数多，系统不好控制，并且抽取滤波器最大通带宽度只能接近π/2，如果输入信号通过前级滤波器展宽后带宽大于π/2，就会被HB滤波器截断后部分的频带.为了实现系统实现灵活的采样率变化，需要加入分数倍采样率变化的滤波器，如文中的多相滤波器.

图10 CIC实现120倍抽取 图11 CIC和HB组合实现120倍抽取

图12 本文多级结构实现120倍抽取

4 小 结

研究了软件无线电中多速率信号处理系统如何实现采样率的变化，讨论了各环节的滤波器设计，分析了各滤波器的特征，并对整个多速率信号处理系统进行Matlab仿真，在各个环节进行分析和验证，最终实现信号的多速率变换.比较了3种抽取结构的仿真结果，为了实现灵活的采样率变换，利用CIC、HB和多相滤波器级联结构比较合适.

[1] 蔡光君,任菊.多速率信号处理技术的实现研究[J].太原科技,2009(4):65-66.

[2] 陈亦欧,李广军.多速率信号处理的设计与实现[J].实验科学与技术,2006(6):113-116.

[3] 方婷,王华.多速率信号处理在通信系统中的应用[J].无线电通信技术,2005(2):48-49.

[4] 李静,彭华,葛临东.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] 彭华,李静,葛临东.软件无线电中的非整数倍采样率转换研究[J].电讯技术,2000(6):18-23.

[6] Jovanovic-Dolecek G, Mitra S.K.On design of CIC decimation filer with improved response:proceedings of the 3rd International Symposium on Communications, Control and Signal Processing, St Julians, 12-14 March, 2008[C].[S.l.]:IEEE 2008.

[7] 韩治国,王红梅,许辉.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] 韩韬. 软件无线电数字下变频的研究及系统仿真[D].吉林大学,2006.

[9] 徐向斌. 无线信号多速率发送处理器的研究与设计[D].哈尔滨工程大学,2011.

[10] 张茂磊. 无线信号多速率接收处理器的设计[D].哈尔滨工程大学,2011.

Multi-rateSignalProcessingandSimulationinSoftwareRadio

Wu Xiaoqin, Liang Shuang

(College of Information Science and Technology, Hainan University, Haikou 570028, China)

Aimed at the conversion of sampling rate in software radio, the structure of digital signal conversion, in which the decimation was performed firstly, and then, interpolation was performed. The designs of CIC filter, HB filter and poly-phase filter were discussed. Combined with the characteristics of the filters, the selection of the key parameters of the decimator was analyzed. The whole system was simulated and the multi-rate conversion can be achieved.

software radio; multi-rate conversion; CIC; HB; poly-phase filter

2017-05-23

国家自然科学基金(61561017)；海南省自然科学基金(20166214)

伍小芹(1975-)，女，湖北蕲春人，副教授，博士，研究方向：无线通信、数字信号处理，E-mail：xq_wu@hainu.edu.cn

1004-1729(2017)04-0322-07

TN 911.7

ADOl10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0050