中频数字正交解调接收机的研究及实现

性由滤波器通带波纹大小决定; 过渡带宽度和阻带衰减决定了
带外噪声的抑制度。可见由此方法设计的数字滤波器得到的 I、
Q 两路基带信号的幅度一致性和相位正交性很好, 可以达到很
高的精度。在文献中详细分析了窗函数法和频率采样法,其主要
缺陷是在满足一定的阻带衰减要求时,滤波器的阶数需要很大,
从而加大了滤波器的实现成本, 从而可见切比雪夫等波纹逼近
滤波器设计的最优性。
(a)
(b)
图 4 切比雪夫等波纹逼近 FIR 滤波器波形和幅度特性
由图 4(a)可知,此方法可以精确控制通带边界频率 与阻
带边界频率 ,而且随着滤波器阶数的增加阻带衰减增加,过渡
带的宽度和通带波纹的大小是减小的, 从而可以有效抑制带外
噪声和保证幅度一致。正交解调后的 I、Q 基带信号的幅度一致
宽。一般,模拟信号进行数字采样实质就是其频率沿着频率轴以
fs 为周期进行延拓。假设 fc=B,取 M=1,其频谱示意如图 2 所示,
从图中看出,只要满足
,信号频谱就不会发生混叠。
图 2 数字信号频谱周期采样化
3 低通滤波数字正交解调
低通滤波数字正交解调的原理框图如图 3 所示, 经过数字 混频和数字滤波处理后得到的同相和正交两路基带信号, 形成
在数字接收系统中, 数字滤波器的设计是数字正交解调的 核心。本文中使用 FIR 数字滤波器以保证正交解调中 I、Q 信号 的相位正交,FIR 滤波器设计的方法有很多,包括窗函数法、频率 采样法、切比雪夫等波纹逼近的设计法和均方误差最小化准则 设计法等。这里主要比较了应用均方误差最小化准则设计法和 切比雪夫等波纹逼近设计法, 分析两种设计法对 I、Q 基带信号 幅相误差的影响,从而得出一种最优设计法。
。一般对滤波器的设计分三步:首先,
根据工程实际需求来确定滤波器的技术指标;其次,提出滤波器
模型来逼近给定的技术指标,这是解决问题的关键;最后,进行性
能分析以及计算机仿真。设计滤波器需要考虑滤波器的阶数、
通带波纹、阻带衰减、过渡带宽度等因素。这里主要对切比雪夫
等波纹逼近法和均方误差最小化准则设计法作比较分析, 得出
技 术 创
1 引言
随着 A/D 技术、ASIC 技术和可编程器件的不断发展和应 用,数字接收技术在通信、电子战、雷达系统中得到广泛的应用, 并以其显著的优势几乎取代了传统模拟接收技术, 数字接收机 就是将模拟信号在射频或中频经 A/D 转换后正交解调从而获 得 I(In-phase,同相)和 Q(Quadrature,正交)两路基带信号,数字正 交解调是在模拟正交解调的基础上演化而来, 使用数字混频和 数字滤波代替了原模拟正交解调方法。由于中频信号相对射频 信号的频率较低,容易实现直接 A/D 转换,这里采用中频数字接 收机对雷达回波数字化,对 A/D 数据进行数字混频、低通滤波 和抽取,其形成的基带数字 I、Q 两路信号,精度高,一致性好,很 容易做到 I、Q 输出幅度不平衡为 0.05dB,I、Q 输出相位不平衡 为 0.05°。
有 严 格 线 性 相 位 特 性 的 FIR 数 字 滤 波 器 的 最 优 性 , 即 : 可 以 获 得 较 好 的 幅 度 误 差 和 相 位 误 差 , 从 而 保 证 了 数 字 接 收 机 的 性 能 。
关键词: 数字接收机; 数字正交解调; 均方误差最小化准则设计法; FIR 滤波器
法较窗函数法、频率采样法是最优的。
4.3 均方误差最小化准则设计法
均方误差最小化准则设计法与切比雪夫等波纹逼近法很
类似,所求滤波器与理想滤波器的均方误差达到最小。
频率为 fI+fi 的中频信号经过数字正交解调滤波后基带归 一化复信号为:
(12)
其中,AI(fi)、AQ(fi)为 I、Q 通道滤波器在频率 fi 处的归一化幅 度响应。
为了减小 I、Q 信号之间的幅相误差, 以保证能为后续的处理提
供具有较高幅度一致性和相位正交性的数字 I、Q 信号。
图 3 低通滤波数字正交解调原理框图
现代雷达中,线性调频信号(LFM)是最常用的一种信号,假
设中频模拟输入信号为:
(2)
其中,k 为调频斜率,
,B 为信号带宽, 为时宽,A (t)是
信号幅度调制。当满足式(1)时,且取 M=1,则 r(t)经过 A/D 后为:
与没有误差的复信号相比较, 的幅度误差和相位误差分 别为:
- 54 - 120 元 / 年 邮局订阅号：82-946
《现场总线技术应用 200 例》
您的论文得到两院院士关注 (13) (14)
分别令上式导函数为 0,求各自的极大值得到: (15) (16)
则均方根幅度误差和相位误差为: (17)
(18) 4.4 仿真分析 图 5 所示为切比雪夫等波纹逼近法和均方误差最小化准 则设计法的通带幅度响应,可以看出,均方误差最小化准则设计 法得到的波纹幅度在大部分频率点时是小于切比雪夫等波纹 逼近法所得到的波纹幅度, 切比雪夫等波纹逼近法得到的波 纹幅度只在通带边缘小于均方误差最小化准则设计法的幅 度波纹。
(11) 式(11)中,F 表示要逼近的通带和阻。 利用 MATLAB 提供的 remez 函数实现 Parks McClellan 算 法,设计滤波器逼近理想频率响应,所得到的滤波器的频率响应 具有等波纹特性。图 4 中(a)、(b)所示分别为切比雪夫等波纹逼 近法 FIR 低通滤波器波形和幅频特性。
4.1 滤波器设计理论基础 数字滤波器的设计是数字正交解调的核心部分, 数字滤波 器性能的好坏直接影响抗混叠效果,抽取效果及实时处理能力。 FIR 数字滤波器是指脉冲响应函数 h(n)为有限个数的滤波器,其 表达形式为:
(8)
其频率响应为:
(9)
滤波器的设计实际上就是根据给定的理想幅频特性 ,
求出实际幅频特性
5 结束语
均方误差最小化准则设计法设计的 FIR 数字滤波器可以 获得最佳的幅度特性和相位特性。低通滤波正交解调后的信号 不但可以得到严格的线性相位特性, 幅度误差比其他方法设计 的 FIR 数字滤波器的小, 所以均方误差最小化准则设计法设计 的 FIR 数字滤波器可以很好的应用于数字接收技术中, 均方误
新
图 1 中频采样数字接收机原理框图
雷达中频信号一般是带通信号,假设信号带宽
且
时,直接采用奈奎斯特采样(
),采样频率会很高,
很难实现,若可以实现,数据率将很大,不利于数据的存储和实时
处理,因此可以采用带通采样来确定此带通信号的采样率。
带通采样公式为:
(1)
式中,fc 是信号的载波频率,M 为正整数,B 为中频信号带
决定的。 这里描述了数字正交解调的核心部分—数字滤波器的设计,通过运用均方误差最小化准则设计法和切比雪夫等波
纹 逼 近 设 计 法 设 计 FIR 数 字 滤 波 器 , 并 利 用 MATLAB 平 台 进 行 仿 真 , 比 较 分 析 表 明 了 用 均 方 误 差 最 小 化 准 则 设 计 法 设 计 具
术
(3)
I、Q 两路通道本振信号数字化后为:
创
(4)
(5)
新
数字中频信号分别与 I、Q 本振信号混频,I 通道混频后为:
(6) 同理 Q 通道混频后为:
(7) 混频后的数字信号经过低通滤波器滤除高频分量, 再进行 4 倍抽取去除冗余过采样数据,从而降低数据率,即可得到 I、Q 基带信号。
4 数字滤波器的设计
2 中频采样数字接收机及带通采样
现代雷达信号处理系统中, 数字正交解调就是将从天线接 收的射频信号经过限幅低噪声放大和带通滤波后, 与射频本振 混频,向下变频到中频,再经过中频放大和中频滤波器,获取足够 的增益后,由 A/D 转换器在中频进行采样,随后进行数字正交解
王学娟: 硕士研究生
调,得到基带数字 I、Q 两路信号,其原理框图如图 1 所示。
《P LC 技术应用 200 例》
邮局订阅号：82-946 120 元 / 年 - 53 -
博士论坛
回波信号的复包络
, 既降低数据量便于进行后续的信
号处理,又容易获得较精准的幅度和相位信息,即
,
。
在数字波形形成系统中,I、Q 信号的幅相一致与否是影响
系统性能好坏的主要因素之一, 采用中频采样技术的目的就是
图 5 两种设计方法滤波器通带幅度响应
图 6 两种设计法的相位误差与阶数的关系 图 6 所示为两种方法设计的滤波器均方根相位误差与阶 数的关系,可以看出,随着滤波器阶数的增大,相位误差在减小, 均方误差最小化准则设计的滤波器在阶数较小时比切比雪夫 等波纹逼近法设计的滤波器相位误差较小,随着阶数的增大,两 种方法设计的滤波器相位误差性能基本相同。 根据以上分析, 选择均方误差最小化准则设计法设计数字 正交解调滤波器,能够获得较好的幅度误差和相位误差。
技
《微计算机信息》2011 年第 27 卷第 2 期
假定数字低通滤波器的设计参数: 信号波形为线性调频信
号,信号中心频率 fc=40MHz,带宽 B=40MHz,时宽
,通带截
止频率
MHz,阻带截止频率
MHz,采样频率
MHz。
4.2 切比雪夫等波纹逼近法
切比雪夫等波纹逼近法就是根据设计要求, 利用等波纹最
您的论文得到两院院士关注 文 章 编 号 :1008-0570(2011)02-0053-03
博士论坛
中频数字正交解调接收机的研究及实现
Research and implementation of IF digital quadrature demodulation receiver
(1.江南大学;2.清华大学) 王 学 娟 1 秦 宁 宁 1 山 秀 明 2 徐 保 国 1
中图分类号: TN9ract: Application of digital receiver is more and more widely in modern radar, electronic warfare, communications and other fields,digital receiver performance is decided by the signal from the quadrature amplitude and phase demodulation. This paper describes the core part of the digital quadrature demodulation —digital filter design, by comparing the use of MSE minimization design method and chebyshev equality ripple approach method for FIR digital filter design, and use MATLAB simulation platform found, the optimality of the use of MSE minimization design method design a strict linear phase characteristics of FIR digital filter, which can get a better Amplitude error and phase error, and ensure the performance of the digital receiver. Key words: Digital receiver; Digital quadrature demodulation; MSE minimization design method; FIR digital filter
WANG Xue-juan QIN Ning-ning S HAN Xiu-ming XU Bao-guo
摘要: 数字 接 收 机 在 现 代 雷 达 、电 子 战 、通 信 等 领 域 的 应 用 越 来 越 广 泛,数 字 接 收 机 的 性 能 是 由 正 交 解 调 信 号 的 幅 相 一 致 性
优一致逼近原则,使设计的最优滤波器特性在逼近的频率(通带
和阻带)上误差绝对值的最大值为最小,这时所设计的滤波器在
通带和阻带内呈现等波纹幅度特性。理想滤波器与实际滤波器
幅频特性的加权误差函数 E(jw)为:
(10)
式(10)中,W(jw)为误差加权函数,FIR 滤波器的脉冲响应函
数 h(n)应使加权误差函数 E(jw)的最大绝对值最小,即: