东南大学多采样率数字滤波器在软件无线电中的应用分析研究文库.docx
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东南大学多采样率数字滤波器在软件无线电中的应用分析研究文库
东南大学2005-多采样率数字滤波器在软件无线电中的应用研究文库.txt -你脚踏俩只船,你划得真漂亮。
-每个说不想恋爱的人心里都装着一个不可能的人。
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东南大学硕士学位论文多采样率数字滤波器在软件无线电中的应用研究姓名:
何健雄申请学位级别:
硕士专业:
信号与信息处理指导教师:
吴镇扬20050601
摘要
摘要
多采样率数字滤波器在软件无线电中的应用研究
硕士研究生:
何健雄导师:
吴镇扬教授
东南大学无线电工程系
继模拟到数字,固定通信到移动通信之后,软件无线电技术是第三次通信技术领域的革命.多采样率转换技术是实现软件无线电通信系统对各种通信标准兼容的关键.多采样率数字滤波器广泛应用于软件无线电中,它能降低信号处理的复杂度,增加应用的灵活性.本文首先分析了软件无线电中带通采样,内插和抽取等多采样率数字信号处理技术,从最大限度降低系统运算速度要求和减少系统存储空间出发,将软件无线电采样率转换过程分为整数倍转换
和非整数倍转换两个步骤来实现,并详细地讨论非整数倍采样率的转换方法.
其次对软件无线电中各种多采样率数字滤波器的特性进行了详细的分析研究,并对软件无线电数字下变频常用芯片HsP50214B的结构原理进行分析,着重讨论了其中的采样速率转换过程.最后,对HsP50214B中所采用的积分梳状（cIc>,半带（船>,有限冲激响应（FIR>数字滤波器的进行了研究和设计,并作了数字下变频（DDc>和信道分离的仿真实验,结果表明,多采样率数字滤波器在软件无线电的应用,能在保持有用信息不损失的基础上实现采样率变换,显著地降低系统运算速度,节省系统存储空间,有助于减轻后续处理系统的复杂性,保证系统的实时处理.
关键词。
软件无线电。
采样率。
抽取。
内插:
滤波器。
数字下变频
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一
ABSTRACT
THE
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东南大学学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究:
L作及取得的研究成果.尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证啪而使用过的材料.与我一同:
f作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意.
研究生签名:
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目期:
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出
东南大学学位论文使用授权声明
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研究生签名:
≤曼垒鱼筮导师签名:
姜塑日期:
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第一章绪论
第一章绪论
1.1软件无线电通信的发展状况和前景
继模拟通信到数字通信,固定通信到移动通信之后,软件无线电是第三次世界通信技术领域的
革命.所谓软件无线电,实际上是一种宽频段,支持多模式,由软件实现的无线通信模式.它使用
通用的便件平台,将接收到的模拟信号尽可能靠近天线进行数字化,它采用模块化设计原则,具有开放式ISO/0SI体系结构,用软件来实现无线通信功能,从而使无线通信系统具有软件可移植性和功能可编程性,便于系统互联和功能升级."1"
^
..
软件无线电的概念最早在1992年5月美国电信系统会议上由MITRE公司的J.Mit01a首次明确提
出,之后迅速风靡全球,1995年5月IE髓coⅢⅢunicationMagazin曲寺别发表了一期无线电专刊,全面系统地介绍了软件无线电与数字无线电的区别,硬件和软件的实现方法,性能分析及其结构,为
软件无线电的一些关键技术的研究提供了理论基础."'…1996年10月我国将软件无线电技术列入国家"863"计划中的通信研究工程.近年来软件无线电技术己被广泛应用于陆地移动通信,卫星移动通信与全球通信系统,成为解决数字移动通信中多种
'
一
不同标准问题的最佳选择方式.
软件无线电的完全数字化,宽频带内的完全可编程性,系统功能的可扩充性,系统实现的模块
化（各模块间的物理,电气性能指标符合统一,开放的接口标准等特性>囊括了朱来通信技术发展的主要趋势,而现代计算机技术,微处理器技术,DSP处理技术,VLsIcs以及AsIcS技术的广泛应用,又为软件无线电的实现提供了软件及硬件基础.因此可以说,软件无线电技术正是为实现未来通信技术孕育而生的."'6
。
1.2软件无线电的关键技术
.
●
软件无线电技术的优势是显然的,但本身的发展过程也是i目难的,因为软件无线电技术的发展和推广应用依赖于以下几项关键技术:
1.宽带射频段的关键技术软件无线电台覆盖的频段为2MHz～2000删z,因此,其射频段应具有接入多仓波段甚至覆盖全波段的功能,致使其频率很高,带宽很宽,而现有技术无法研制出这种全频段天线,通常的方法是把
工作频段分为2¨30MHz,30M～500Ⅻz,500M～2000姗Z三段进行实现,在一定程度,上解决了这个难题.
2.A/D变换技术
.
ADC的采样速率和采样分辨率直接限制了软件无线电中数字信号的起点和终点,而这位置的确定又影响到系统软件化操作的能力.近年来,由于无线数字信号处理应用发展,使ADC在采样速率和采样分辨率方面有了很大的提高.但离实际的软件无线电需求还有较大的差距.现在的解决办法主要是采用多个ADc并行处理或采用抑制信号动态范围的算法降低对A/D变换的分辨率的要求.3.数字前端的实现技术数字前端即数字中高频部分,主要完成sRC（采样率变换>,信道抽取以及与各种通信标准适配
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的功能.这一部分是整个数字信号处理中运算速度最快,运算量最大,功耗昂多的部分,也是实现软件无线电技术的瓶颈之一.4.多DSP技术软件无线电的灵活和可配置能力的基础在于数字处理技术,而其核心就是DsP单元,限于目前的芯片处理能力,单独的DSP无法承担软件无线电所要求的数字信号处理,所以必须采用多DSP技术.5.软件下载技术软件无线电设备要想自如地在不同制式的通信网络漫游,就必须使用灵活的动态下载技术,这对于系统的要求是很高的.现在常见的解决办法有静态下载技术和半静态下载技术两种."'71
1.3本课题的主要研究内容和意义
1.本课题的研究背景和意义"'""综观软件无线电关键技术,发现采样率转换技术是整个软件无线电通信系统中的一个重要组成
部分,在其关键技术——数字前端技术和多DsP处理技术中处于比较重要的地位,尤其是实现软件无
线电结构的关键部分.因此,对软件无线电中的多采样率转换技术进行研究具有十分重要的意义.首先,采样率变换是实现软件无线电通信系统对各种通信标准兼容的关键.根据目前现状,各种移动通信标准很多,新旧体制混杂,不同标准的信号的符号速率（或chip速率>是不同的.而不同标准所对应的数字信号,在正交调制后使用抽样判决的方法恢复码元信息时,要求码元速率与抽取系统的输出速率必须满足特定的关系（如整数倍关系>等.以最常见的GsM,Is一95及U]IlTS（uniyersal
M0b"eTelecommunication
systems>为例,他们的符号速率存在着咀显的差
别,如GsM们比特速率为270.83Ksa叩1es/秒,Is一95的码元速率为1.2288Mchip/秒,UMTs的码元速率为3.84Mchips/秒.对每一个码元符号要取两个采样点,所以这三种通信制式所需要的采样率分
别为GsM一541.6KsaⅢDles/秒,Is一95～1.2288Mchip/秒,uMTs一3.84Mchips/秒.
.
采样率转换技术就是要完成软件无线电技术所要解决的使用通用硬件平台处理多种不同通信标
准的信号这一功能.工程中,在设计软件无线电硬件平台时,通常使ADc工作在一个固定的采样频率上,然后通过采样率转换将信号的采样率转换到满足不同标准要求的数值上,进而使用DSP进行后续处理.同时由于上述固定的采样频率要高于任何一种标准所对应的采样频率,必然会导致其数值非常高,而实际的信号带宽比ADc输出的信号带宽要小得多,所以在A/D变换后应尽可能早的进行采样率变换,这对减小整个系统的功耗和减小后级处理的复杂度都具有非常重要的意义.其次,采样率变换是缓解DsP处理"瓶颈"的有效手段
软件无线电的最终目的是将尽可能多的通信功能采用软件实现,因此运算量很大.以中频段的数字处理为例:
12.5姗z的移动蜂房波段用30.72唧z采样率采样,将频率搬移,滤波和抽取,至少要
求对每个样本作100次以上操作,这等于3000MIPs（每秒百万次>的处理要求,尽管具有这种速度的DSP已出现,但一般价格上可接受,实际上可使用的DsP处理能力只有儿百MIPs.因此在实时操作中,DSP成为了实现软件无线电的"瓶颈".采样率转换技术与数字下变频技术的结合是解决这一问题的有效方法.用数字下变频实现从输
2
第一章绪论
入的宽带高速数据流的数字信号中提取所需的窄带信号,使用采样率转换技术降低采样率,将高速数据流变成当前DsP可实时处理的低速数据流,借助多DsP并行处理.最后,采样率变换是降低对A/D前端模拟器件要求的需要软件无线电中选择采样速率时,不但要满足Nyquist定理,而且要考虑A/D前端的抗混叠模拟滤
波器的可实现性.一般通过提高采样率来降低对模拟抗混叠滤波器的要求,但同时会给后期处理增
加了很大的运算负担.因此可咀在进行后期处理之前通过转换采样速率得到较低速率的,与符号速
率成整数倍的采样信号,以此来减少后期数字处理的运算量.
基于上述三种考虑,对软件无线电中采样率转换技术的基本理论及硬件实现的研究显得尤为重要.2.本课题主要的研究内容如下:
首先,对软件无线电中带通采样,内插和抽取等多采样率数字信号处理技术进行了研究,从最大限度降低系统运算速度要求和减少系统存储空间出发,将软件无线电采样率转换过程分为整数倍转换和非整数倍转换两个步骤来实现.详细讨论非整数倍采样率的转换方法,包括转换因子为有理数和无理数的不同实现方法,并通过多相结构和级联结构等形式实现任意倍数的采样率转换.其次,对软件无线电中常用到的各种多采样率数字滤波器特性进行了详细的分析研究,如适合于D=2"倍抽取或内插的半带滤波器。
适合于高速抽取和内插的积分梳状（cIc>滤波器。
能有效降低计算复杂度的多相滤波器。
能准确有效重建信号的正交镜像滤波器（QMF>组。
量化误差稳健,时延单元最少的滤波器组格型结构。
高效灵活的树状结构滤波器组等.最后,对软件无线电数字下变频常用芯片HsP50214B的结构原理进行分析,对其中所采用的cIc,HB,FIR数字滤波器的设计方法进行了讨论,并对cIc,|IB,FIR数字滤波器和重采样分数倍采样率转换滤波器的级联实现进行了仿真实验,结果表明,多采样率数字滤波器在软件无线电的应用,能够在实现采样率变换,保持有用信息刁÷j最失的基础上显著的降低系统运算速度,节省系统存储空间,减轻后续处理级的负担.
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第二章软件无线电中的多采样率信号处理技术
所谓多采样率是指在一个系统中存在着两个或两个以上的采样率,利用多采样率转换技术便于
信号的存储,传送,处理,可以减少工作量.软件无线电的基本理论是带通采样定理,在前置窄带
滤波器的配合下,采用几个有限的采样频率就能实现对整个工作频带内的射频信号进行直接采样数字化,然后通过软件或信号处理算法完成对各种类型或各种调制样式信号的解调,处理.带通采样定理的应用大大降低了所需的射频采样速率.为后面的实时处理奠定了基础.【8"】
2.1信号采样理论
软件无线电的核心是对天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行数字化,将其变换为适应于
数字信号处理（DsP>或计算机处理的数据流,然后通过软件（算法>来完成各种功能,使其具有更好的可扩展性和适应性.所以,软件无线电首先面临的问题就是如何对工作频带（例如O.1MHz一2GHz>内的信号进行数字化,也就是如何对所感兴趣的模拟信号进行采样?
采样的速率应该取多大?
软件无线电中的采样有些什么特殊性?
本节关于软件无线电的信号采样理论将回答这个问题.
2.1.1基本采样理论——-Nyquist采样定理
Nyquist采样定理:
设有一个频率带限信号x（f>,频带限制在（0,厶>,如果以不小于厂尸2厶的采样速率对x（f>进行等间隔采样,得到时间离散的采样信号z（H>=xot>（其中t=1/正称为采
样间隔>,则原信号zfn将被所得到的采样值z（n>完全地确定."""1也就说.如果以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样,那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号.
采样信号之频谱为原信号频谱之频移后的多个叠加.如果原信号z（f>的频谱如图2.1（a>所示,
则抽样信号的频谱如图2—1（b>所示（图中∞H=2刁名>.
一.H
q
oH∞
一衄崖:
mm二
～
咯
一
咐
O
吩
（a>
L咐协
图2.1采样前后的信号频谱
血
一∞H
o.H吐>
（b>
图2—2信号重构滤波器
4
第二章软件无线电中的多采样率信号处理
由图2—1（b>可见,以（缈>中包含有Z（珊>的频谱成分,如图中阴影部分所示.而且只要满足以
下条件:
D,≥2国H或疋≥2厶
（2.1>
则阴影部分不会与其他频率成分相混叠.这时只需用一个带宽不小于∞H的低通滤波器,就能滤出原来的信号x（r>,如图2—2所示.图2·2（b>所示的理想滤波器对应的冲击响应A（f>为:
【8】
呻M,睾∞∽=等脚∽
当兀=2厶时:
^（f>=勋（∞Hf>
.
（2_z>
（2—3>
式中,.妇（x>=业称为采样函数.
根据图2.2（a>有（用符号+表示卷积运算>:
x（f>=x。
（f>+矗（f>
=艟卜叫叫小∽
=∑x（一瓦>p（f一"t>+^（f>]=∑xot>-.%（国.f一,z瓦∞.>=∑x（">·勋（矾卜"石>
（2.4>
式（2.4>为采样定理的数学表达式,即只要采样频率正满足式（2.1>,带限信号工（f>可以由其取样值
T（月>来准确地表示.采样定理的意义在于,时间上连续的模拟信号可以用时问上离散的采样来取代.2.1.2带通信号采样理论
Nyquist采样定理只讨论了其频率分布在（o,厶>上的基带信号的采样问题,如果信号的频率分布在某一有限的频带（,L,厶>上时,那么该如何对这样的带限信号[见图2.3（a>】进行采样呢?
当然,根据Nyquist采样定理,仍然可以按工≥2厶的采样速率来进行采样.但是人们很快就会想到r当厶>>占=厶一^时,也就是当信号的最高频率厶远远大于其信号带宽B时,如果仍然
按Nyquist采样率来采样的话,则其采样频率会很高,以致难以实现,或者后处理的速度也满足不了要求.由于带通信号本身的带宽并不一定很宽,那么自然会想到能不能采用比Nyquist采样率更低的
速率来采样呢?
甚至以两倍带宽的采样速率来采样呢?
这就是带通采样理论要回笞的问题.
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jH雨t
n
觅南危,
（曲
魑鳢～～△"伴音
1-
圈2—3带通信号的频谱
带通采样定理嘲:
设一个频率带限x（f>,其频带限制在（^,厶>内,如果其采样速率正满足:
兀:
紫
..
f2门+11
P叫（2_5>
式中,"取能满足以≥2（厶一^>的最大整数（O,1,2,…>,则用六进行等间隔采样所得到的信号采
样H"I>能准确地确定原信号x（f>.
式（2-5>用带通信号的中心频率五和频带宽度曰也可表示为:
式中,五=学,"取能满足工≥2B（B为频带宽度>的最大正整数.
显然,当兀=等,B=厶时,m=o,式（2·6>就是Nyquist采样定理,即满足:
工=2厶.
由式（2_6>可见,当频带宽度B～定时,为了能用最低采样速率即两倍频带宽度速率（六=2B>对
带通信号进行采样,带通信号的中心频率必须满足:
厶=羔
（2-6>
兀:
譬掣B
或兀+厶=（2n+1>占
∞（a>>
（2.7四>
也即信号的最高（或最低>频率是带宽的整数倍,7如图2-3（b>所示（图中只画出了正频率部分,
负频率部分是对称的>.也就是说位于图2—3（b>任何一个中心频率为厶∞=0,I,2,3,…>带宽为口
的带通信号均可以用同样的采样频率正=2B对信号进行采样,这些采样均能准确地表示位于不同
频段（中心频率不同>的原信号‰（f>,zl（≠>,%（f>,….…,"'
上述带通采样定理适用的前提条件是:
只允许在其中的一个频带上存在信号,而不允许在不同
的频带上同时存在信号,否则将会引起信号混叠.例如当在（2口,3功频带上存在信号时（如图2.3（b>
阴影部分所示>,那么在其他任何频带上就不能同时存在信号.为满足这一前提条件,可以采用跟踪滤波器的办法来解决,即在采样前先进行滤波,如图2—4所示,也就是当需要对某一个中心频率的
带通信号进行采样时,就先把跟踪滤波器调到与之对应的中心频率厶上,滤出所感兴趣的带通信号
矗（,>,然后再进行采样,以防止信号混叠.这样的跟踪滤波器称之为抗混叠滤波器.显然,如果滤
6
第二章软件无线电中的多采样率信号处理
波器理想的话,采用同一采样速率（f=2B>就能实现对整个工作频带（如O.1^I丑l～1GE乜>上的射频信号进行数字化.
例如取B=25≈胁,通过调节理想跟踪滤波器的中心频率,就能实现对0.1且Z地～1G爿≥频段内任何一个信道（信道间隔25t胁>上的带通信号进行采样数字化,然后用软件方法进行解调分析.
上述频带宽度B不仅只限于某一信号的带宽,单从对模拟信号的采
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