基于MATLAB的数字下变频器的设计与仿真应用

1、测试测量技术基于MATLAB的数字下变频器的设计与仿真应用Design and Simulated Application of Digital Down Converter Based on MATLAB1引言自20世纪90年代以来软件无线电技术引发了移动通信领域的一场革新,软件无线电的设计思想之一是将A/D转换器尽可能靠近天线,即把A/D从基带移到中频甚至射频,把接收到的模拟信号尽早数字化。由于数字信号处理器(DSP的处理速度有限,往往难以对A/D采样得到的高速率数字信号直接进行各种类别的实时处理。为了解决这一矛盾,需要采用数字下变频(DDC技术,将采样得到的高速率信号变成低速率基带信号,

2、可以大大降低其采样速率,即降低数据量,缓解基带部分的处理压力,以便进行下一步的信号处理。数字下变频技术在软件无线电和数字化接收机中得到了广泛应用1。本文应用软件无线电思想对数字下变频器中的几个关键技术进行了研究,应用matlab软件设计了下变频器中的CIC、HB、FIR滤波器等核心模块,并将各模块融为一体从软件实现的角度完成了对系统的搭建和功能仿真。仿真结果表明,系统实现了对中频信号的下变频处理且无失真现象,大大减少了软件无线电系统数字信号处理的运算量和数据的存储量,极大地提高了系统的实时性。2数字下变频原理数字下变频的主要功能包括三个方面:第一是变频,数字混频器将数字中频信号和数控振荡器(N

3、umerical Control Oscil-lator-NCO产生的正交本振信号相乘,生成I/Q两路混频信号,将感兴趣的信号下变频至零中频;第二是低通滤波,滤除带外信号,提取有用信号;第三是采样速率转换,降低采样速率,以利于后续信号处理,大抽取因子范围提供了可设计成宽带或窄带数字信道的能力,并且提供了高的处理增益2。2.1数字下变频的基本结构DDC输出信号的后续处理,主要是完成信号解调、解码、抗干扰、自适应均衡以及信号参数估计等工作。由于正交分解后的I/Q两路基带信号对上述后续处理往往带来很大的方便和良好的性能,因此大部分数字下变频方案都采用了正交两路处理的典型结构。图1是目前大部分DDC芯

4、片的基本结构3。范文晶1,王海1,周渭1,钱时祥2,江炜宁2(1.西安电子科技大学测量与仪器系,陕西西安710071;2.电子测试技术国家重点实验室,山东青岛266555Fan Wen-jing1,Wang Hai1,Zhou Wei1,Qian Shi-xiang2,J iang Wei-ning2(1.Dept.ofM easurement and Instrument,Xidian University,Shanxi Xi'an710071;2.National Key Lab ForElectronic M easurement Technology,Shandong Qing

5、dao266555摘要:文中应用软件无线电思想对数字下变频器中的几个关键技术进行了研究,对下变频各个模块所涉及到的CIC、HB、FIR等关键算法进行了讨论、提炼与总结,应用matlab软件设计了下变频器中的CIC、HB、FIR滤波器等核心模块,并将各模块融为一体从软件实现的角度完成了对系统的搭建和功能仿真。仿真结果表明,系统实现了对中频信号的下变频处理且无失真现象,大大减少了软件无线电系统数字信号处理的运算量和数据的存储量,极大地提高了系统的实时性。关键词:软件无线电;数字下变频器;数控振荡器;积分梳状滤波器;半带滤波器中图分类号:TN914.3文献标识码:A文章编号:1003-0107(20

6、0903-0037-04Abstract:This paper studies some key technologies in digital down converter based on Software Defined Radio.About such keyalgorithms as CIC,HB,FIR of each module in down-conversion,discussion,abstraction and summarization are given in this pa-per.Using the MATLAB software,we design such

7、core modules as CIC filter,HB filter and FIR filter of the digital down converter.And any module is put together so that system foundation is carried out and the system function is simulated in software.The re-sults of the simulation shows that the system has achieved down-conversion of signal and h

8、as no distortion phenomena and haslargely reduced the calculation quantity of digital signal process and storage quantity,which largely improve the real-time perfor-mance of system.Key w ords:Software radio;Digital down converter;NCO;CIC filter;HB filterCLC num ber:TN914.3Docum ent code:A Article ID

9、:1003-0107(2009033期 2.2数字下变频的基本原理如图1所示,模拟中频信号由ADC 采样得到数字中频信号,输入DDC 后先与数控本振产生的两路正交本振信号进行相乘,将数字中频搬移到基带。设输入信号为f(n=Acosc n+(n(1本地振荡器产生信号为cos c n 和sin c n 则y 1(n=A 2cos2cn+(n+cos(n(2yQ(n=A sin2c n+(n-sin(n(3通过低通滤波器可以得到I'(n=A 2cos(nQ'(n=-A sin(n由于ADC 在中频进行采样,采样速率有可能很高,而混频后得到的数据率和采样速

10、率是一致的,后级的FIR 滤波器根本无法达到这个处理速率,因此先通过CIC (级联积分梳状和HB (半带滤波抽取器进行大的抽取,使数据率快速降下来,再由FIR 进行滤波。CIC 滤波器的系数都为1,因此实现非常简单,只有加减运算,没有乘法运算,硬件实现时可达到很高的处理速率,很适合作抽取系统中的第一级抽取和进行大的抽取因子的工作。但由于CIC 滤波器的过渡带和阻带衰减特性不是很好,通常需要采用五级CIC 级联的方法加大过渡带和阻带的衰减,抽取因子为132。HB 滤波器由于其系数几乎一半为零,滤波时运算量减少一半,因此被作为第二级低通滤波和抽取。HB 的抽取因子固定为2,特别适合采样率降低一半的

11、要求。通过CIC 和HB 滤波抽取后,基带信号由最初的高数据率被降到较低的速率,适于后级FIR 处理。FIR 滤波器的主要用途是对整个信道进行整形滤波,需要的时候还可以作为匹配滤波器使用4。3数字下变频模块设计数字下变频器内部共有三级抽取滤波器组,它们分别是:CIC 滤波器组、HB 滤波器组及FIR 滤波器组。通过前面对数字下变频器基本原理的论述,可以知道CIC 滤波器组、HB 滤波器组和FIR 滤波器组的组合设计对整个窄带信道的最优化设计非常重要,因此,数字下变频器的设计关键就是对这三种滤波器组的设计,包括每组滤波器的阶数以及各阶滤波器的系数。下面就以具体指标及波形来详细地介绍一下这三种滤波

12、器的设计。3.1FIR 滤波器的设计FIR 滤波器在数字下变频器中的主要作用是波形整形,整个数字信道的通带带宽、过渡带带宽和阻带衰减等指标都由该滤波器决定,所以,最优数字信道的切入点就是FIR 滤波器的设计5。FIR 滤波器的设计目标是:尽可能让感兴趣的信号通过和尽可能抑制不感兴趣的信号。就滤波器幅频特性曲线而言就是滤波器通带波动尽可能小;通带宽度尽可能与感兴趣信号带宽一样;过渡带尽可能锐利;阻带衰减尽可能大。本文在设计FIR 滤波器时采用窗函数法。其中FIR 滤波器实现阶数T FIR 与通带截止频率p 及阻带下限截止频率s 的关系式如下:T FIR =Inc6.6×/(s -p +

13、1(5式中,Inc表示取括号中的整数部分。综上所述,FIR 滤波器设计要点如下:滤波器的通带带宽等于感兴趣信号带宽。当滤波器的通带、阻带截止频率确定后,滤波器的可实现阶数也就确定了。在一定的滤波器阶数下,过渡带宽度和阻带衰减是互相制约的。在我们的设计中,基带数据带宽为400kHz ,基带数据采样率设置为带宽的10倍,同时由于在FIR 滤波器中对数据进行二抽取,所以f s =8M Hz 。设置高的采样频率主要目的是在满足奈奎斯特采样定理的条件下能达到更高的时域分辨率。FIR 滤波器设计指标如下:通带归一化带宽为0.1,过渡带归一化带宽为0.05,阻带增益为-80dB 。由上述的阶数计算式得到FI

14、R 的阶数为133阶,窗函数采用阻带增益较大的Blackman 窗,得到的相应的FIR 滤波器的频率响应如图2所示。3.2HB 滤波器的设计FIR 滤波器设定后,HB 滤波器也相对地确定下来了。HB 滤波器的设计,主要是输入信号频率与处理时钟之间的制约图1数字下变频器的典型结构框图(4图2FIR 滤波器的频率响应低通滤波低通滤波基带信号处理f(tf(nA/DP T 4(tcos(w c nDDCf(nQ(nNCOsin(w Q ny 1n y Q n 产品设计roduct DesignP382009第3期测试测量技术关系,同时也必须考虑CIC 滤波器对其的影响。在我们的设计中,半带滤波器的的输

15、出频率为8M Hz ,即半带滤波前f s =16M Hz 。根据信号的分布半带滤波器的过渡带选在3M Hz 到5M Hz 之间,即c 和A 分别为0.325和0.675。这样,在2倍抽取后,在02c 范围内还是能恢复出原始信号。这里之所以过渡带设计的比较宽是考虑到在满足指标的条件下增加过渡带宽能明显降低滤波器的阶数。半带滤波器的参数如下:28阶,通带波纹系数0.0001dB ,阻带衰减80dB 。半带滤波器的频率响应如图3所示:3.3CIC 滤波器的设计CIC 滤波器,即级联积分梳状滤波器,具有结构简单,便于处理,运算速度快等特点。CIC 滤波器的积分器H 1(Z是不稳定系统,如果不采取措施,

16、它们级联后会出现溢出现象。另外,滤波器级数过多还会引起高频失真现象。为了获得较大的阻带衰减,降低混叠影响,在信号带宽一定的条件下,应尽可能的采用小的抽取因子或增大采样率f s ,后者意味着CIC 抽取滤波器一般要用在抽取系统的第一级(输入采样率最高。在我们的设计中,CIC 滤波器的输出速率为16M Hz 。由带通采样定理计算后将AD 转换器的采样速率定为96M Hz ,如此可将CIC 滤波器的抽取值定为6,采用5级CIC 滤波器级联,滤波器的微分时间延迟为1。则所得的CIC 滤波器组的频率响应如图4所示:需要强调的是,在设计时,必须综合考虑CIC 、HB 和255阶FIR 三种抽取滤波器,才能

17、设计出最优数字信道。4数字下变频器的功能仿真及结果将各个滤波器模块级联起来,将各算法融为一体,从软件实现的角度完成对数字下变频系统的搭建,该下变频系统的框图如图5所示:4.1调制信号的产生在高斯白噪声信道中,55M Hz85M Hz 的频率范围内分布着15路信号,信号的处理带宽为30M Hz 。如图6所示,在55M 56M 、62M 63M 、69M 70M 、76M 77M 、83M 84M 上分别有三路信号。4.2信号的下变频处理按照奈奎斯特采样定理,信号的最高频率为f H =85M Hz ,采样率必须大于f H 的两倍。这里,我们应用带通采样定理就可以把采样率降下来。由于信号的处理带宽为

18、30M Hz ,根据带通采样定理,其采样频率f s 应满足6:f s =4f 0(6其中,f 0为中心频率,N 为满足f s 2B 的正整数。根据公式可得采样频率f s =93.3M Hz 。将原始输入信号与55M Hz 信号进行混频,得到频域带通采样后的多路信号,如图7 所示:图3 半带滤波器的频率响应图4CIC 滤波器的频率响应混频器CIC HB FIR基带信号NCO图5 数字下变频系统框图图6频域原始多路调制信号39 图7 频域带通采样后的多路信号图8 六倍抽取后频域波形图9 十二倍抽取后频域波形图10二十四倍抽取后频域波形产品设计roduct Design P在这十五路信号中,假设我们

19、感兴趣的是一到三路信号。利用抽取滤波将这三路信号提取出来,这三路信号的带宽不超过1M,将其采样率f s降到4M比较合适,此时抽取率D=93. 3/424=6*2*2,分三次抽取。先用梳状滤波器对其进行六倍滤波抽取,再用半带滤波器进行二倍滤波抽取,最后用FIR滤波器再进行二倍滤波抽取,即可得到经过下变频处理的一到三路信号。第一次滤波并六抽取后的采样率降为16M Hz。第二次滤波二倍抽取后采样频率降为8M Hz。第三次滤波并二倍抽取后采样频率降为4M Hz。由图10可知,经过数字下变频器的抽取和低通滤波,将感兴趣的一到三路高速率信号下变频到低速率基带信号且无失真现象,大大降低其采样速率,即降低数据量