半带抽取有限冲激响应滤波器的应用设计及仿真

1、第30卷第2期大连海事大学学报Vol. 30,No. 22004年5月Journal of Dalian Maritime U niversityMay , 2004文章编号:100627736(2004 0220057204半带抽取有限冲激响应滤波器的应用设计及仿真王静1, 杨梅1, 2(1. 大连海事大学信息工程学院, 2. 大显股份有限公司摘要和TMS320C54xDSP 集成开发环境CCS 软件实现了半带抽取有限冲激响应滤. 仿真结果表明, 半带抽取FIR 滤波器适用于多级滤波抽取的前级和中级抗混叠抽取滤波, 可极大减少运算量和存储器的使用, 但不适用于后级抽取滤波.关键词:软件无线电

2、接收机; 数字下变频器; 半带滤波器; 应用设计及仿真中图分类号:TN924. 2; TN713. 4文献标识码:A0引言 在全球海上遇险与安全系统(GMDSS 软件无线电接收机设计中1, 数字下变频器(DDC 的设计是非常关键的. 对于实际的通信系统来说, 实现DDC 所面临的问题是严峻的. 所设计的数字滤波器的要求带宽非常窄, 过渡带非常陡, 要实现这样的滤波器其系数将会达到几百甚至上千阶, 由此引起的滤波器延迟将很大, 并且系统的特性将会非常不稳定. 因此在实际设计中, 一般都需要多 级滤波和抽取, 逐级降低采样率, 同时也降低了对每一级抗混叠滤波器的要求. 半带(HB 抽取有限冲激响应

3、(FIR 滤波器是一种实现DDC 的高效数字滤波器, 本文研究其性质、应用以及设计和仿真.1半带抽取FIR 滤波器的性质图1为半带滤波抽取器的单级实现框图, 其中HB (Half 2Band 为半带滤波器, f s 为输入采样率, 而f s =f s 2为输出采样率, 符号“2”表示2倍抽取. 一般来说, 为了保证滤波抽取器抽样率图1半带滤波抽取器的单级实现变化后不产生混叠失真, 必须将频率在f s 4以上的频率分量全部滤掉, 如果滤除不干净, 这些频率分量将以f s 4为中心折叠进入有用的频带. 现在考虑频率特性如图2(横坐标f 为模拟频率, 为数字角频率 所示的一种特殊FIR 滤波器, 它

4、具有如下特性:图2半带FIR 滤波器的频率特性收稿日期:20032112211作者简介:王静(19562 , 女, 山西绛县人, 副教授. (1 通带波动p 与阻带衰减s 相等, 即p =s ;(2 通带边频F p 与阻带边频F s 相对于f s 4对称, 即F p +F s =f s 2.此类FIR 数字低通滤波器称为HB FIR 滤波器. 显然, 当s 足够小时,HB FIR 滤波器可用作抽取因子为2的滤波器. 因为此时(F s -f s 4 内的频率分量仅会折叠进(f s 4-F p 频带内(即在滤波器的过渡带内 , 不会对感兴趣的(0F p 通带内信号产生影响.为了保证FIR , =h

5、 (N -1-n , 设N 为奇数. 另外, HB 滤波器系数除中心点即n =(N -1 2+1点外, 所有的h (n 的偶次系数均为零, 而且由于HB FIR 滤波器系数的对称性和近一半的系数为零, 使得滤波运算的乘法次数减少了近34, 加法次数减少了近一半. 用于存放滤波器系数的存储器也减少了一半, 因而更有利于采用高效数字信号处理器(DSP 实时实现.2半带抽取FIR 滤波器在数字下变频器中的应用本文设计的HB 滤波器应用在GMDSS 软件无线电接收机的DDC 部分中, 其单信道DDC 如图3所示. 模拟中频信号经过模数转换器(A D 转换图3单信道DDC 原理框图为数字中频信号, 输入

6、到数字混频器中. 两个相乘器构成数字混频器, 数控振荡器(NCO 捕获跟踪多信道数字中频输入中的有用窄带数字信号的中心频率, 控制产生两个正交数字载频信号, 经相乘混频后的两路正交I (n 、Q (n 信号再分别经抗混叠高抽取滤波由积分梳状(CIC 滤波抽取器和HB 滤波抽取器组成及FIR 滤波抽取器处理,便完成了低通滤波和数据抽取, 其输出便是数据流降低了的正交数字基带信号I (m 、Q (m . 以卫星L 波段B 站、C 站接收机为例:15301545MHz 的射频信号经两次模拟下变频为8095MHz 的模拟中频后, 经A D 带通采样(采样率f s =70MHz 变为数字中频信号, 每信

7、道带宽20kHz , f 0为每信道中心频率, f 0, 带宽减半为10:5级CIC (1 5级HB 滤D 25, 再级联FIR 滤率D 3=7 , 总抽取率D =1D 2D 3=1120, 输出数字基带信号采样率f s 为70MHz 1120=62. 5kHz.3MA TLAB 设计和DSP 仿真设计多级HB 滤波器要注意3个问题:一是每级带宽F p 不能小于信号带宽; 二是每级过渡带是可变的, 取决于每一级的输入采样率f s 及F p ; 三是如果对通带波动要求为, 则用特性相同的M 级实现时, 每一级的通带波动为M . 图3中5级HB 滤波器的设计性能指标如下:总的输入采样率f s1=7

8、0MHz 5=14MHz ,5级HB 级联, 所以抽取率D 2=25=32, 总的输出采样率为f s2=f s1D 2=437. 5kHz , 每级模拟通带带宽均为10kHz , 通带波动和阻带衰减均为=0. 001(60dB . 采用最简单的窗口法设计5级HB 滤波器, 先用MA TLAB 设计出滤波器系数h (n , 然后用TMS320C54x 的DSP 集成开发环境CCS 软件进行仿真.经选择采用凯撒窗, 由于其通带太小, 用MA TLAB 设计的5级滤波器系数都基本相同, 均为11阶, 具体系数如下:h (1 =h (11 =0. 0013, h (2 =h (10 =0. 0000,

9、 h (3 =h (9 =-0. 0386, h (4 =h (8 =0. 0000, h (5 =h (7 =0. 2870, h (6=0. 5000由于TMS320C54x 是16位定点处理器, 在进行汇编程序设计时,FIR 滤波器系数需要采用Q15格式, 即必须将上述系数转化为Q15定点格式, 这只要将滤波器各系数分别乘以215=32768即可, 换算结果如下:h (1 =h (11 =42, h (2 =h (10 =0, h (3 =h (9 =-1264, h (4 =h (8 =0,85大连海事大学学报第30卷 h (5 =h (7 =9404, h (6 =16384.先用M

10、A TLAB 设计滤波器的系数h (n , 再用CCS 软件来仿真该滤波器的功能(相关的主文件fir2. c , 系数文件test. h , 链接文件fir. cmd , tms320. h 文件,dsplib. h 文件和54xdsp. lib 文件此处略 . 仿真后所显示的第5级HB 滤波抽取器滤波前后和抽取后的时域波形和频域图形如图4所示, 左边为时域波形, 右边为频域图形, 从上到下依次为滤波前后输入信号、输出信号和抽取后的信号.(1 频域特性分析输入为7kHz 、300800的4, 427. 5kHz 的HB , 500kHz 和800kHz 的两个信号, 频率为7kHz 的信号被保

11、留, 基本上达到了预期的滤波效果. 但是由于HB 滤波器的特性,300kHz 的信号不会被滤除, 只是衰减了其幅度, 可见HB 滤波器只适合用作中间滤波. 观察抽取后的频域图形, 虽然抽样率降为原来的一半, 但信号的频率成分不会变化. 对比图形, 其频率分量基本上保持不变, 达到了预期的效果.(2 时域特性分析, 比较杂, 7300kHz 的高频信号7kHz 的低频信号上; 而抽取后的信号还是保持了和滤波后未抽取信号一样的波形, 符合要求.图4输入输出抽取三部分信号的时域波形和频域图形4结束语从上述设计与仿真结果分析可知,HB 抽取FIR 滤波器有将近一半的滤波器系数精确为零, 因此可用作DD

12、C 多级滤波抽取的前级和中级抽取抗混叠滤波器, 这样可以大大减少运算量和减少存储器的使用, 有利于滤波过程的DSP 实时实现. 值得指出的是, 由HB 滤波器的频率特性可知, 它要求F s =f s 2-F p , 即滤波器的过渡带为F =F s -F P =f s 2-2F p . 当信号通带F p 很小时, 这种过渡带对于多级滤波抽取器的最后一级来说往往过大, 不能满足滤波特性的总体要求, 因此不适合用作多级滤波抽取器的最后一级. 后级滤波器必须采用其他类型的FIR 滤波器. 对于后级滤波器而言, 信号经前级CIC 、HB 滤波抽取后, 输入采样速率相对来说已经很低了, 所以在一定的处理时

13、钟速率下, 可采用更高阶的一般频率特性的FI R 滤波器, 使得其通带波动、过渡带带宽、阻带衰减等性能指标能够设计得更高, 从而满足滤波特性的总体要求.参考文献:1王静, 杨梅, 王雅琨. GMDSS 软件无线电接收机方案研究A.第二届海峡两岸航运科技学术研讨会论文集 C.大连:大连海事大学,2003. 60264.2PETER G C ,WA YN E B. Architectural overview of the speakeasy systemJ.IEEE Journal on Selected Areas in Communi 2cations , 1999, 17(4 :65026

14、61.3KWEN TUS A Y ,J IAN G Z ,WILL SON A N. Application of filter sharpening to cascaded integrator 2comb decimation filtersJ.IEEE Trans on Signal Processing , 1997, 45(2 :4572467.95第2期王静, 等:半带抽取有限冲激响应滤波器的应用设计及仿真4DAVID B C. Digital IF filter technology for 3G system :an introductionJ.IEEE Communicati

15、on Magazine , 1999,37(2 :1022107.5DAVID J G , MICHAEL J C. Nine digital filter for decimation and interpolationJ.IEEE Trans on Acoustics , Speech , and Signal Processing , 1977,25(2 :1212126.Application design and simulation ofHB decimation FIR f iltersWAN G Jing 1, YAN G Mei 1,L IU Tao2(1. Inf orm

16、ation Eng . College ,Dalian Univ. , 2. Technol . Development Dept . , , Abstract :This article introduces GMDSS (G lobal Maritime Distress and Safety to HB (Half 2band decimation filter that is an design and simulation of HB decimation FIR (Finite Impulse Re 2sponse by using MA TLAB and the IDE (Int

17、egrated Development Environment CCS (Code Studio software of TMS320C54x DSP (Digital Signal Processor . The simulated results show that HB decimation filters which can greatly reduce the amount of operations and memories and are advantageous to the real 2time implementation of filtering are suited f

18、or the first and middle of anti 2aliasing decimation filters , but aren t suited for the last stages.K ey w ords :softwareradio receiver ; digital down converter ; half 2band filters ; design and simulation (上接第56页5SUNDERARAJANS M. Maria del Mar Hershenson , STEPHEN P B , et al . Lee , simple accura

19、te expressions for planarspiral inductancesJ.IEEE Journal of S olid 2State Circuits , 1999, 34(10 :141921424.6Mariadel Mar Hershenson , SUNDERARAJAN S M , STEPHEN P B , et al . Optimization of inductor circuits via geometric programmingR .New Orleans :In Design Automation Conf , 1999. 9942998.7LI Ru

20、 2lai , ZHU Y i 2sheng. The structure and analysis of coreless printed circuit board transformersR .Beijing China :Inthe 6th International Symposium on Antennas , Propagation and EM Theory , 2003. 7582761.Equivalent circuit model and characteristicsof coreless PCB transformerL I Ru 2lai ,ZHU Y i 2sh

21、eng(Inf orm ation Eng . College , Dalian Maritime Univ. , Dalian 116026, China Abstract :It is required that the electronic equipment have high density , small volume and high operating frequency with the development of science and technology. The key is reducing volume and enhancing the operating frequency of the coreless PCB transformers. So the coreless PCB transformers are designed. The coreless PCB transformers get rid of the magnetic core in order that their volumes are reduced and thei