单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/2/26,#,软件无线电中的数字下变频技术,汇报,人,：,软件无线电中的数字下变频技术,1,数字下变频的应用背景,在实际应用,中，软件,无线电接收机普遍采用超外差式数字,中频系统结构,系统,先将射频信号模拟混频至统一的中频信号,使用,ADC,器件对其采样,采样后的中频信号经过数字下变频器,即图中的,DDC,模块,变为,低速的基带信号再送往,DSP,进行实时信号处理,它在整个软件无线电系统中的主要作用是对,ADC,采样后的高速中频数字信号,进行数字,混频、数据抽取、滤波处理,将其变为数字基带信号,降低数据速率,减小,DSP,对数据处理,的,负担数字下变频的应用背景在实际应用中，软件无线电接收机普遍采用超,2,原理,数字,下变频器,(DDC),是接收机,A,D,变换后，首先要,完成的,处理工作，一般的,DDC,由本地振荡器,(NCO),、混频器,、低通滤波器,和抽取器组成,.,主要,作用：其一是把中频,信号变为,零中频信号；其二是降低采样率从频谱上看，,数字下变频,将,A/D,采样后信号从中频变换到基带。
这样,的,处,理由,两步完成：首先是将输入信号与正交载波相乘，,然后进行,数字滤波滤除不需要的频率分量,原理数字下变频器(DDC)是接收机AD变换后，首先要完成的,3,结构,NCO,：产生正余弦序列，即,I/Q,两路信号,DDC,主要有三种实现途径：采用专用芯片、自制专用芯片、基于,DSP,或,FPGA,等通用芯片数,字下变频的组成主要,包括数字混频器、,数字控制振荡器,(NCO,),和低通滤波器,(LpF,),三部分组成,结构NCO：产生正余弦序列，即I/Q两路信号数字下变频的组,4,影响数字下变频器性能的主要,因素,数字下变频器的主要性能指标有输入数据的宽度、输入数据的传输速率、数控,振荡器,的分辨率、无杂散动态范围,(sFDR),、整形,FIR,滤波器的阶数、抽取因子等,FPGA,属于,数字设计,所有数据的表示和运算均为二进制的形式,位数不可能无限的大,因此,在具体,设计时很多时候都要不可避免的进行截断,如在,NCO,的设计时对相位累加器的,截断,这对本振频谱的纯度和混频的精度都带来影响,在滤波器的设计中,对各阶系数,的截断,对滤波结果累加输出位数的截断等,这些都属于有限字长效应产生的误差,这,是影响,数字下变频器性能的主要因素之一,。
高,阶,FIR,整形滤波器的阶数也会对数字,下变频器,的性能产生影响,阶数越高,阻带抑制比越高,过渡带越窄,滤波效果越好,但,占用的,FPGA,资源也越多,必须在数字下变频器性能和,FPGA,资源这两方面都做一个折中,以,达到使用较少资源,就可以获得较好下变频性能的目的影响数字下变频器性能的主要因素数字下变频器的主要性能指标有输,5,数字控制振荡器,(NCO,),数控,振荡器的主要功能就是产生两路频率可变、时间离散、相互正交的正弦和余弦数据,样本,在,软件无线电中产生,NCO,样本的方法主要有两种,:,查找,表,法,实时,计算法,(CORDIC,算法,),数字控制振荡器(NCO),6,数字控制振荡器由三部分组成,:,相位累加器、相位加法器及正弦表,只读存储器相位累加器：将,数字本振频率偏移之和转换成相位,每,来一个,时钟 脉冲,相位 在,原来的基础上加一个相位增量,;,相位加法器：设置,一定的初始相位以满足某些应用的需要,;,相位,的正弦值用查正弦表,求得相位角度查找表法,查找表法,7,CORDIC,算法,假设向量,B,是,向量,A,通过,n,次旋转以后得到的，其中第,i,次旋转的角度,为,i,，那么第,i,次旋转的表达式为,CORDIC算法假设向量B是向量 A通过 n 次旋转以后得到,8,规定第,i,次旋转的角度 ，这样，每次,旋转的,tani,的值通过移位就可以实现，那么旋转方程可以简化为,规定第 i 次旋转的角度,9,用,CORDIC,算法中每个迭代,(i),的旋转角度,用CORDIC算法中每个迭代(i)的旋转角度,10,11,经过,多次迭代后,下,式：,其中，,K,由迭代次数,i,决定,当,i,确定下来，,K,就是一个常数了,。
当,迭代,次数足够,多，即,i,足够大,时,，,这,是一个固定的常数,，在硬件处理,的时候，可以忽略它，将它留至最后再处理经过多次迭代后,下式：其中，K 由迭代次数 i 决定,当 i,12,低通滤波和抽取,CIC,滤波器是第一级抽取,滤波器，,HB,滤波器是第二级抽取滤波器,它们既要能够滤除混频后的高频成分,又要能够保证满足抽取后抗混叠滤波的要求,经过,CIC,滤波器和,HB,滤波器抽取后的低速信号,送入到高阶,FIR,滤波器中进行整形滤波,进行整形滤波后的信号即可送给通用的数字信号实时处理器件做进一步的信号处理低通滤波和抽取CIC滤波器是第一级抽取滤波器，HB滤波器是第,13,CIC,滤波器,积分梳状滤波器，,指该,滤波器的冲激响应具有如下形式,D,为,CIC,抽取滤波器,的阶数，也就是抽取因子CIC 滤波器,14,根据,Z,变换的定义，,CIC,滤波器,冲激响应,之,Z,变换为,从上图中可以，,CIC,滤波器由两部分组成其中,，,H1,(z),在实现上就是一个,累加器,，因此被称作积分器,；,H 2(,z),是一个梳状滤波器根据 Z 变换的定义，CIC 滤波器冲激响应之 Z 变换为,15,16,用,MATLAB,画出他们各自的幅频，相频曲线,用MATLAB画出他们各自的幅频，相频曲线,17,计算,出总的频率响应,其幅频和相频特性曲线,计算出总的频率响应其幅频和相频特性曲线,18,单级,CIC,滤波器的旁瓣电平只比,主瓣低,13.46dB,，这也就意味着,阻带衰减,很差，一般是难以满足实用要求的。
为了降低旁瓣电平，可以采用多级,CIC,滤波器,级联的办法来解决，例如用,Q,级,CIC,滤波器实现时的频率响应为,单级 CIC 滤波器的旁瓣电平只比主瓣低 13.46dB，这,19,此时的第一旁瓣抑制为,此时的第一旁瓣抑制为,20,由于,CIC,滤波器的实现非常简单，只有加减运算，没有乘法运算，,FPGA,实现,时可达到很高的处理速率，因此,CIC,滤波器很适合作抽取器前的抗混叠,滤波器，通过,CIC,滤波器抽取和滤波后把高的数据率降到较低的数据率，易于后级的,HB,滤波器,抽取和,FIR,滤波器,滤波多级,CIC,抽取器结构图,由于 CIC 滤波器的实现非常简单，只有加减运算，没有乘法运,21,半带（,HB,）滤波器,所谓半带（,Half Band HB,）滤波器是指其,频率响应满足,以下,关系,的,FIR,滤波器,半带（HB）滤波器所谓半带（Half Band ,22,半带滤波器具有如下,性质：,半带滤波器的冲激响应除了零点不为零,外，在,其余,偶数点,全为零，所以采用半带滤波器进行滤波计算时，只需一半的计算量，有很高,的计算,率，适合于进行实时处理半带滤波器具有如下性质：半带滤波器的冲激响应除了零点不为零外,23,从图 可以看出，其幅频响应在,/2 A,之间不为零。
因此，当对此滤波器的滤波结果做两倍抽取时，数字域的扩展会导致频域混叠,但是,，只要控制抽取前的有用信号,在,0,c,之间,，,抽取后在,0,2,c,没有,混叠的因此，在应用,HB,滤波器进行滤波设计时，要特别,注意,有用信号的带宽从图 可以看出，其幅频响应在/2 A 之间不为零因,24,软件无线电中的数字下变频技术课件,25,FIR,滤波器,FIR,滤波器作为数字下变频中的最后一级滤波器,主要完成,信道,的整形滤波,FIR,滤波器只有零点,为了取得较好的衰减特性,一般要求,FIR,滤波器的,阶数较大,经过多级抽取后,高速的数字信号己经变得相对较低,因此可以较容易,实现,高阶,FIR,滤波器,使得通带带宽、过渡带、阻带衰减、通带和阻带波纹等各项指标,达到,要求FIR滤波器FIR滤波器作为数字下变频中的最后一级滤波器,主,26,FIR,是一种使用非常广泛的线性时,不变数字滤波器FIR,滤波器,存在,N,个抽头,h(n),N,即为滤波器的阶数,滤波器的输出可以通过卷积的数学,形式,表示为,:,N,阶,FIR,滤波器的系统函数可以表示为：,FIR是一种使用非常广泛的线性时不变数字滤波器FIR滤波器,27,软件无线电中的数字下变频技术课件,28,用,DA,分布式算法实现,FIR,滤波器,对于一个,FIR,滤波器的乘积和，可以,用下面的式子来,表述：,用DA分布式算法实现FIR滤波器对于一个 FIR 滤波器的乘,29,代入并展开可得,每个输入的符号位和对应系数的乘积和,括号内的,表达式,，,表示,K,个固定,系数,hk,与,输入的,K,个数据的第,i,位的乘积,和，可用查表计算。
代入并展开可得每个输入的符号位和对应系数的乘积和括号内的表达,30,DA,算法是以一种串行方式的对数据进行处理，它的,计算,速度仅跟输入位宽,n,有关，与抽头数,K,的个数无关,对于大规模乘积和的,运算，其,计算速度有着明显的优势,输入位宽过大时，将,DA,算法改进成并串结构以获得更快的处理速度,DA 算法是以一种串行方式的对数据进行处理，它的计算速度仅跟,31,。
