数字中频滤波技术及其在软件无线电中的应用

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数字中频滤波技术及其在软件无线电中的应用

刘东华①　欧建平②

【摘要】本文首先介绍了软件无线电的基本体系结构以及其中数字中频

滤波(IF )的重要作用,具体说明了数字滤波器的实现,然后针对软件无线电所处理信号的不同特点着重分析了实现其下变频的数字中频滤波方法。 关键词:数字中频滤波　软件无线电　DSP

一、引　言

软件无线电的概念是在1992年的全美远程系统会议上由J.Mitola 等人率先提出的。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。由此可见,软件无线电代表的是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。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。近年来,随着集成电路(IC )制造工艺的提高,尤其是CMOS 工艺及新的DSP 算法和结构的出现,使得数字信号处理的功能有了很大提高,某些系统甚至可以实现全数字处理。如今,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。由于可以利用DSP 完成软件无线电中从中频到基带的整个信号处理部分,从而使软件无线电从概念转变为现实产品成为可能。

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之一,下面我们针对软件无线电的结构特点和系统要求来讨论数字中频信号处理的特点和具体实现。

二、软件无线电中的中频处理结构

图1给出了通用软件无线电体系的顶层结构。它主要包括宽带天线、射频处理、中频处理及基带处理几个部分。其中天线部分可以采用多频带智能天线技术实现;射频处理和本振两部分实现射频信号和中频信号之间的转换;中频处理部分完成信息承载信号在基带和中频之间的转换;基带处理部分主要完成数据信号的调制和解调。从图中可以看出,在软件无线电结构中,下变频端将接收

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42—《无线通信技术》2000年第2期

①②欧建平　国防科技大学电子科学与工程研究所　博士研究生

刘东华　国防科技大学电子科学与工程学院　博士研究生

的有用信号由射频转换到中频进行处理;而在上变频端,则要将信号从中频转为射频,再由天线发射出去。软件无线电的中频处理部分主要包括数据上变频、下变频处理、A/D 变换以及数控振荡器(本振)等。

在软件无线电中,中频处理部分的实现结构取决于数字下(上)变频转换器的处理对象是宽带信号、窄带信号、还是多重窄带信号(相应的信道模型为宽带单信道、窄带单信道和窄带多重信道)。宽带信号是指通过数字下变频处理后信号带宽比输入带宽宽10%以上的信号,这种情况下对信号处理器件的使用产生了一定的限制;而窄带信号的带宽比输入信号带宽要窄得多,故存在一定的处理增益;多重窄带信号对处理器件的要求与窄带信号的要求类似。随着通信技术的发展,对于数字中频处理器件的要求也越来越高。数字下(上)变频器主要包括一个数字本地振荡器、一个数字混频器和一个抽取(插值)滤波器。对于多重信号而言,可通过复用转接器来完成分布式并行处理与多重输出之

图1　通用软件无线电体系结构图间的转换。此外,对于单个信号,可以利用直接变换接收机将射频信号不经过数字或模拟中频处理而直接转换为基带信号。但对于多重信号来说,通过数字中频滤波可以在存在远近效应的情况下提高抗干扰性能和获得较高的信噪比。

三、数字滤波的特点

1.数字滤波原理

数字滤波器是对数字信号实现滤波的线性时不变离散系统。它的实质是一个运算过程,即输入的数字信号序列通过特定的运算转变为输出的数字序列。时域上两个序列的线性卷积相当于在频域上其相应的频谱序列的乘积。滤波从本质上来说,就是滤波器冲激响应的傅立叶变换所得到信号频谱的乘积。对于时域离散系统,它的频域特性为

Y(e iω)=X(e iω)・H(e iω)(1)其中X(e iω)、Y(e iω)分别为数字滤波器的输入序列和输出序列的频域特性(离散频谱), H(e iω)是系统单位冲激响应的频谱,即滤波器的频率响应。可见,X(e iω)经过滤波后,变成X(e iω)・H(e iω)。因此,只要按照输入信号频谱的特点和处理信号的目的,选择合适的频率响应H(e iω),使得滤波后的输出Y(e iω)满足系统要求即可。

2.数字滤波器的类型及比较

数字滤波器按其单位冲激响应的时域特性可分为有限冲激响应滤波器(FIR)和无限

冲激响应滤波器(IIR)。

IIR滤波器有一个或多个

非零反馈系数,其反馈项

包括一个或多个极点,当

有冲激信号激励时,IIR

滤波器总是有一个输出;

FIR滤波器没有非零反馈

系数(不存在极点),故当有冲激信号激励时,则输出是有限长的,其长度为计算循环长度。

由于IIR滤波器既有前馈多项式,又有反馈多项式,故对于给定的滤波器阶数,它的传输特性更明显一些。通常在满足同样设计指标情况下,FIR滤波器的阶数大约是IIR 滤波器阶数的5～10倍。但是,IIR滤波器的相位是非线性的,而且,由于反馈环的存在,IIR滤波器的自适应性很差,而FIR滤波器由于具有全零结构,当其系数是对称的时

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(在许多滤波应用中系数都是对称的),其具有线性相位特性,且不存在反馈,所以在许多通信系统中都采用FIR滤波器作滤波。此外,FIR滤波器的单位冲激响应是有限长的,必是稳定的,而IIR滤波器采用递归结构,极点必须在单位圆内时才稳定,对于有限精度的计算,容易引起振荡。

数字滤波器可以用通用DSP来实现。这些处理器可以方便地实现次MHz频率范围的数字滤波器。这是因为要实现对RAM

，

ＦＩＲ

或ROM中数据进行乘．２（Ａ）－４