一种数字中频接收机的设计与实现

1 ( foδt )
2
(7)
其中δt是 δt 平均值 。可得到改善因子限制曲线 ,如
图 3所示 。
图 1 n值不同时滤波器性能比较
3 ADC 的选择
A /D 变换器 (ADC)是数字中频处理的关键器 件 ,它的采样速度和转换位数直接关系到后续基带 信号处理的数据精度 。根据 Shannon采样定理 ,宽 带和带通采样技术 A /D 频域采样要求采样速率大 于信号最高截止频率的 2 倍 ,这样才可能唯一地恢 复出原模拟信号 ,否则 ,会造成频谱混叠而不能得到 原始信号 。直接对中频信号采样是不可能达到这样 的采样速率的 ,解决此问题的一个好方法是使用欠 采样技术 。只要不低于信号带宽的 2 倍 , 且满足 2fh / k < fs < 2fl / ( k - 1 ) , 其中 2 < k < fh / ( fh - fl ) , 就 不会导致信号频谱的重叠 [ 4 ] 。
个脉冲对消器 [ 2 ] ,原理如图 2 所示 。引入一个时间 变化量 δt ,Δt1 =Δt +δt ,Δt1 是实际采样时间 ,Δt是 理想采样时间 。假设滤波器通带内纹波可以忽略不 计 ,二次对消后相位不稳定限制的改善因子为
2 I =Δφ2
=
(
2 2π·foδt )
2
=
2π2
1 f
2δ2
ot
= 2π2
时 ,通过选择合适的滤波器带宽 ,可以使性能有很大 改善 。下面推导滤波器系数的解析表达式 。
首先考虑 fs = 4fc / ( 4m + 1)的情况 ,然后是其它 情况 。当 fs = 4fc / ( 4m + 1)时 ,采样后 ,信号正负频 带的中心分别是 π /2和 - π /2,滤波器形式如下 :
π/2 - b/2 <ω <π/2 + b/2 阻带 :
电讯技术 2006 年第 4 期
- π/2 - b/2 <ω < - π/2 + b/2 并设其系统函数为 H1 (ω) , 然后再做频移得到最终 滤波器 H (ω) = H1 (ω - δ) 。
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3 收稿日期 : 2005 - 07 - 05; 修回日期 : 2005 - 10 - 09
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电讯技术 2006 年第 4 期
数字中频接收机 (D IFR )是对中频信号直接采 样 ,然后在数字部分实现数字下变频 、码速变换 、信 道化 、时钟恢复 、解调 、解扩等功能 ,可利用数字下变 频近乎完美的正交性以及数字电路软件可编程的灵 活性 。数字中频有以下几方面优点 :第一 ,数字下变 频几乎可以做到绝对正交 ;第二 ,利用数字滤波器实 现通道选频 ,其特性可现场编程 ,因此 ,适用于接收 和处理多载波 、多模式信号 ,解决它们之间的互通互 连问题 ;第三 ,电路元件的一致性性好 ,可消除温漂 和非线性失真问题 。
yk = xk - j[ a1 ( xk +1 - xk - 1 ) + a2 ( xk +3 - xk - 3 ) +
… + an ( xk +2n - 1 - xk - 2n +1 )
(1)
下面将在最小方差准则下推导滤波器系数 。对
式 (1)两边进行傅里叶变换 ,得到滤波器的传递函 数为
n
∑ H (ω) = 1 + 2 ai sin ( 2 i - 1)ω ( 2) i =1
2 可变带宽抗混叠滤波器设计
接收机接收的射频信号经过射频处理模块实现
解扰等 ,然后经一级混频下变频到中频 ,此时还是模 拟信号 ,需要经过抗混叠滤波 ( F IR )滤除带外杂散 和干扰信号 ,确保有用信号不产生混叠 ,因此抗混叠 滤波器的选择直接影响整机的性能 。抗混叠滤波器
有两种 :有限冲激响应滤波器 ( F IR )和无限冲激响 应滤波器 ( IIR) 。根据不同的应用环境和设计要求 选择 F IR和 IIR,数字中频滤波多采用有限冲激响应 ( F IR ) ,很少用无限冲激响应 ( IIR ) 。
(4)
对 A 求导 ,得到关于 A 的极值条件表达式 :
∫ ∫ -π+b
-π +b
de dA
=
4 b-π- b
2
2
L
dω
+
8 b-πBaidu Nhomakorabea b
2
2
(LL ′) dω A
(5)
那么假设
-π +b
∫ P
=
1 2-π -
2
b
2
L dω
且
-π +b
∫ Q 2 = -π- b 2 (LL ′) dω 2
令求导的结果为零 ,那么得到 A = - 2Q - 1 P, 列出 n
Q2 =
- 1 /2 - sin ( b) - 1 /4 - sin (2b)
1 /3 - sin (3b) + b
- sin ( b/2) P2 =
[ sin (3b + 2) /3 ]
分析以上公式 ,可以看出 : ①Q 是对称矩阵 ; ② 低阶的 Q 矩阵是高阶的 Q 矩阵对角线上的子矩阵 ; ③当 b =π时 , Q 为对角形矩阵 , 而 0 < b <π则不 然 ,这是因为在区间 ( - b /2 - π /2, b /2 - π /2)上 ,函 数族 sin ( 2 i - 1)ω不正交的缘故 , 与 M ITCHELL 滤 波器相比性能有大的改善 ,如图 1所示 ,第一个曲线 是 M ITCHELL ,后两个曲线是可变带宽在不同带宽 下的曲线 。
电讯技术 2006 年第 4 期 文章编号 : 1001 - 893X (2006) 04 - 0123 - 05
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一种数字中频接收机的设计与实现 3
肖乾友 1 , 黄晓革 1 , 骆志敏 2
(1. 电子科技大学 电子工程学院 , 成都 610054 ; 2. 中兴通讯 CDMA 事业部 , 广东 深圳 518004)
当不满足 fs = 4fc / ( 4m + 1 ) 时 , 设 fs = 4fc / ( 4m + 1 - 2δ/π) ,则延拓后正频带中心为 π /2 - δ+ 2πi , 而负频率中心位于 - π /2 +δ+ 2πi ,频谱分布不再 均匀 ,相邻频谱之间的最小距离为 π - 2δ。由于相 邻频带之间的过渡区域减小了 ,所以滤波器设计的 难度也增加了 。为了解决这个问题 ,最简单的方法 是先按照前面的方法设计一个过渡滤波器 ,滤波器 的通带和阻带分别满足通带 :
Abstract:An app roach for designing digital - intermediate frequency ( IF) receiver is introduced, the p rin2 cip le analysis and deduction of all parts of the receiver are perform ed including design of available - band filter, Analog - to - D igital Converter (ADC) , digital orthogonal transform s based on digital polyphase fil2 ter, decimation filter, baseband signal p rocessing unit. Finally parameters of the receiver are obtained. Key words: digital - intermediate frequency receiver; polyphase filter; digital orthogonal transform; deci2 mation filter; software defined radio ( SDR )
= 1、2 时 , Q、P 的解析表达式 。对于特定的应用场
合 ,只要将实际的信号带宽带入公式 , 就可计算出
Q、P,进而得到 A。
当 n =1时 :
Q1 = sin b + b
P1 = - sin ( b /2) 当 n = 2时 :
sin ( b) + b
- sin ( b) - 1 /2 - sin (2b)
1 数字中频的原理 、模型以及特点
软件无线电的概念是在 1992 年的全美远程系 统会议上由 J. M itola 等人率先提出的 [ 1 ] 。其定义 为 :软件无线电基于一个硬件平台 ,其 A /D (模 /数 ) 变换应尽量靠近天线 ,而将尽可能多的无线通信功 能用软件来实现 。软件无线电是个开放结构 ,代表 一个软件可重构的无线电体系 ,它的可重构性主要 体现在其射频 (RF) 、中频 ( IF)以及基带信号处理可 以通过软件编程来控制和实现 。其硬件平台可以在 经过 ADC变成数字信号后用可编程的数字信号处 理 (DSP)芯片或可重构专用功能信号处理器来实 现。
与传统的各信道由模拟滤波器进行信道分离后 分别再由窄带 ADC 进行模 /数变换完全不同 ,射频 信号经模拟下变频 (DDC )至中频 IF,宽带 ADC 对
包含多个信道的整个工作频段在中频进行模 /数变 换 ,再利用可编程数字调谐器组进行信道分离。 DSP与传统的模拟技术相比 ,不仅使系统的性能有 很大提高 ,也为系统的实现提供了更高的灵活性和 稳定性 ,从而更有效地用于不同传输带宽的通信系 统 。随着制造工艺的提高 ,尤其是 CMOS工艺及运 算速度更快功能更强大的 DSP的出现 ,使得数字信 号处理的功能有了很大提高 ,因此数字中频成为可 能 。DSP对数字信号的处理能力已由基带处理发展 到中频处理 ,它可以实现调谐 、中频滤波 、信号选择 以及上 、下变频等 。随着 ADC器件水平的提高 ,模 / 数变换部分逐渐向信道前端推移 ,而利用 DSP完成 软件无线电中从中频到基带的整个信号处理部分 , ADC器件和 DSP的中频处理能力使得数字中频滤 波成为软件无线电中信号处理的关键技术 [ 2 ] 。
D esign and Rea liza tion of a D ig ita l - In term ed ia te Frequency Rece iver
X IAO qian - you1 , HUAN G x iao - ge1 , LUO zh i - m in2
(1. Electronic Engineering School, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China; 2. CDMA Department, ZTE Co. , L td. , Shenzhen 518004, China)
摘 要 :介绍了一种数字中频接收机的设计 ,对接收机的各个组成部分进行了原理分析和推导 ,包括 可变带宽滤波器 、ADC、基于多相滤波器的数字正交变换 、抽取滤波器设计 、基带信号处理单元设计 , 得出样机的各样性能参数 。 关键词 :数字中频接收机 ; 多相滤波器 ; 数字正交变换 ; 抽取滤波器 ;软件无线电 中图分类号 : TN85 文献标识码 : A
阻带内的平均误差功率为
-π +b
∫ e
=
1 b-π -
2
b
2
| H (ω) | 2 dω
(3)
使 e最小化 , 得到最小方差意义下的最佳滤波
器 。现在推导 e达到最小值的条件 。假设滤波器系
数为
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A = [ a1 a2 … an ]T L = [ sinω sin 3ω … sin ( 2n - 1)ω ]T 式中上标 T表示转置 ,那么 H (ω)的平方表达式为 | H (ω) |2 = (1 + 2ATL ) 2 - 1 + 4ATL + 4AT (LLT ) A
本文中 采 用 一 种 新 的 抗 混 叠 滤 波 器 设 计 方
法 [ 3 ] 。提出的滤波器可以灵活选择阻带带宽和中 心频率 。当带宽为 π或 π /2 (即 fs = 2b或 4b) ,中心 频率为 - π /2 (即 fs = 4fc / ( 4m + 1) )时 , 该滤波器与 现有滤波器的性能相似 。而当信号的相对带宽较小