CN101719769B

CN101719769B - 一种任意抽取滤波装置

Info

Publication number: CN101719769B
Application number: CN 200910223216
Authority: CN
Inventors: 张超; 许建华; 战云; 孟庆立; 周兆运
Original assignee: CETC 41 Institute
Current assignee: CLP Kesiyi Technology Co Ltd
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: CN101719769A

Abstract

一种任意抽取滤波装置，包括以下部分：多项式内插滤波器用于实现1～2倍分数倍抽取滤波；级联的抽取滤波器组用于实现2ⁿ整数倍抽取滤波，包括级联的CIC(积分器-梳状)滤波器和HB(半带)滤波器，CIC滤波器的输入端与多项式内插滤波器的输出端连接，HB滤波器的输出端与可编程FIR(有限冲激响应)滤波器的输入端连接；可编程FIR滤波器用于实现脉冲整形。本发明所述的任意抽取滤波装置，利用多项式内插滤波器和级联的抽取滤波器组相结合完成任意抽取滤波，利用HB滤波器来补偿CIC滤波器引起的通带下降，分数倍抽取和整数倍抽取之后的FIR滤波器设计时仅考虑脉冲整形，不需要考虑补偿抽取滤波器的通带下降，降低FIR滤波器的抽头数目和设计复杂度。

Description

一种任意抽取滤波装置

技术领域

本发明涉及用于数字采集信号抽取滤波的装置，具体的说是一种任意抽取滤波装置。

背景技术

软件无线电是指宽带A/D、D/A尽可能靠近天线，用数字信号处理实现尽可能多的无线电功能。随着模-数转换器(ADC)技术和高速数字信号处理(DSP)技术的发展，对于中频信号和基带信号处理采用FPGA等硬件逻辑实现数字信号处理已经成为可能。

对于中频信号(IF)的数字处理通常包括数字下变频、抽取滤波器、数字本振信号发生器等信号处理模块。因此，通过抽取滤波器实现对感兴趣的窄带信号选择和速率变换是相当重要的信号处理过程，而采用可编程硬件器件来实现实时速率变换是高速信号处理的有效方法。

目前，对于实现非整数倍抽取滤波的数字下变频器，著名的有Harris公司制造的器件HSP50214，其最小抽取比为4，不能实现1～4倍任意抽取。该器件采用CIC滤波器和HB滤波器实现整数倍抽取，然后级联重采样滤波器实现非整数倍转换，采用可编程FIR滤波器实现通带的下降补偿。其缺点在于：由于CIC滤波器和HB滤波器造成的处理增益引起数据位数的扩展使得重采样的实现要相对复杂；同时采用FIR滤波器补偿CIC的通带下降，造成FIR滤波器设计要相对复杂一些；尤其涉及到FIR滤波器作为脉冲整形滤波时，这需要大量的抽头，设计和实现更加复杂。

对于补偿CIC滤波器引起的通带下降，在专利发明“抽取滤波装置和方法”(公开日期：2001年2月28号，公开号：CN 1285975A)中采用了ISOP滤波器，该方法需要复杂的线性编程设计ISOP滤波器，增加了设计复杂度。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种任意抽取滤波装置，利用多项式内插滤波器和级联的抽取滤波器组相结合完成任意抽取滤波，利用HB滤波器来补偿CIC滤波器引起的通带下降，分数倍抽取和整数倍抽取之后的FIR滤波器设计时仅考虑脉冲整形，不需要考虑补偿抽取滤波器的通带下降，降低FIR滤波器的抽头数目和设计复杂度。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种任意抽取滤波装置，其特征在于包括以下部分：

多项式内插滤波器202，输出端与级联的抽取滤波器组201的输入端连接，用于实现1～2倍分数倍抽取滤波；

级联的抽取滤波器组201，包括CIC滤波器203和HB滤波器204，CIC滤波器203的输入端与多项式内插滤波器202的输出端连接，HB滤波器204的输出端与可编程FIR滤波器205的输入端连接，用于实现2ⁿ整数倍抽取滤波；

可编程FIR滤波器205，用于实现脉冲整形。

在上述技术方案的基础上，所述多项式内插滤波器202的传输函数为：

H (z) = \frac{z^{- N / 2}}{M} + Σ_{m = 1}^{M - 1} z^{- m} H_{m} (z^{M}),

H_m(z^M)表示多相分量，是一个分数延迟采样的M子带全通滤波器，增益为1/M。

在上述技术方案的基础上，所述CIC滤波器203为5级级联CIC滤波器，所述HB滤波器为5级级联半带滤波器；

5级级联CIC滤波器的系统函数为：

H (z) = {(\frac{1}{DR} \frac{1 - z^{- DR}}{1 - z^{- 1}})}^{L},

其中，D为抽取整数因子，差分延迟R取值为1，级数L取值为5；

5级级联半带滤波器，每一级在归一化频率中，技术指标如下：

通带：f∈[0，f_p]，

阻带：f∈[0.5-f_p，0.5]，

波纹：对于通带和阻带分别为δ₁和δ₂，

条件：第一级到第五级半带滤波器的通带截止频率f_p依次为0.0625f_p、0.125f_p、0.25f_p、0.5f_p、f_p。

本发明所述的任意抽取滤波装置，利用多项式内插滤波器和级联的抽取滤波器组相结合完成任意抽取滤波，利用HB滤波器来补偿CIC滤波器引起的通带下降，分数倍抽取和整数倍抽取之后的FIR滤波器设计时仅考虑脉冲整形，不需要考虑补偿抽取滤波器的通带下降，降低FIR滤波器的抽头数目和设计复杂度。

附图说明

本发明有如下附图：

图1一般带有抽取滤波处理的数字下变频结构的示意图。

图2整个抽取滤波装置的结构示意图。

图3多项式内插滤波器farrow实现结构。

图4多项式内插滤波器频率响应的示意图。

图5CIC滤波器的结构示意图。

图6 5级HB滤波器的结构示意图。

图7CIC滤波器频率响应的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为一般带有抽取滤波处理的数字下变频结构的示意图。ADC量化后的宽带中频信号首先与正交的两路数字本振信号混频，把中频信号变频到零中频信号(也称基带信号)，获得两路正交的信号，分别为I通道和Q通道。两路正交的信号先经过抽取滤波器，再经过FIR滤波器对信号进行滤波处理后输出。数字下变频器中，抽取滤波器的作用是改变滤波器带宽，以达到抑制带外噪声，从而从宽带中频输入信号中分离信号的目的。抽取滤波器也用于改变信号的输出取样速率，以适应数字调制信号的码元速率，完成数字调制信号的解调。FIR滤波器用于脉冲整形或匹配滤波。

为了达到任意抽取滤波的目的，本发明给出了一种任意抽取滤波装置，如图2所示，包括以下部分：

可编程FIR滤波器205，用于实现脉冲整形。

H (z) = \frac{z^{- N / 2}}{M} + Σ_{m = 1}^{M - 1} z^{- m} H_{m} (z^{M}),

5级级联CIC滤波器的系统函数为：

H (z) = {(\frac{1}{DR} \frac{1 - z^{- DR}}{1 - z^{- 1}})}^{L},

通带：f∈[0，f_p]，

阻带：f∈[0.5-f_p，0.5]，

波纹：对于通带和阻带分别为δ₁和δ₂，

如上所述，本发明采用多项式内插滤波器202(实现1～2倍抽取)和级联的抽取滤波器组201(实现2ⁿ倍抽取)相结合完成任意抽取滤波。输入信号首先通过多项式内插滤波器202，然后通过级联的抽取滤波器组201，最后通过可编程FIR滤波器205完成脉冲整形后输出。其中级联的抽取滤波器组202由5级CIC滤波器203和5级HB滤波器204组成，HB滤波器用于补偿CIC滤波器引起的通带下降，同时用于2、4、8、16、32倍的抽取滤波。

5级CIC滤波器203和5级HB滤波器204共同实现2ⁿ整数倍抽取滤波，具体实施是：当实现2、4、8、16、32倍抽取时，由5级HB滤波器实现，5级CIC滤波器设置抽取比为1；当实现大于32倍的2ⁿ整数倍抽取时，由5级CIC滤波器和5级HB滤波器共同实现，其中5级HB滤波器实现32倍抽取。

本发明所述多项式内插滤波器202是将理想内插滤波器的冲激响应函数h_a(t)在每个采样间隔内采用多项式逼近设计成的离散时间内插滤波器。该冲激响应的时域表达式如下：

h (n, μ_{l}) = h_{a} ((n + μ_{l}) T_{1}) = Σ_{m = 0}^{M} c_{m} (n) {(μ_{l})}^{m}

其中n＝-N/2，-N/2+1，......，N/2-1，μ_l∈(-1，1)。从式中可以看出对于每一个n，单位冲激响应就是一个M次的多项式。多项式的系数c_m(n)即为滤波器的固定系数。μ_l是唯一一个可调整的参数。由冲激响应的表达式可知，该内插滤波器可以采用Farrow结构来实现，图3是显示多项式内插滤波器farrow实现结构。本发明中，多项式内插滤波器只需要完成1～2倍抽取即可，图4是显示多项式内插滤波器频率响应的示意图。

如图2所示，级联的抽取滤波器组采用5级CIC滤波器203和5级HB滤波器204共同实现。可编程FIR滤波器(205)仅用于脉冲整形或匹配滤波。图5是显示5级CIC滤波器的结构示意图。本发明所示的5级CIC滤波器的系统函数为：

H (z) = {(\frac{1}{D} \frac{1 - z^{- D}}{1 - z^{- 1}})}^{5}

由系统函数可知，5级CIC滤波器的结构如图5所示。

图6是显示5级HB滤波器的结构示意图。输入信号经过第一级半带滤波器(601)滤波，然后经过2倍抽取，通过选择器选择输入到第二级半带滤波器(602)，第二级半带滤波器(602)输出经过2倍抽取后通过选择器选择输入到第三级半带滤波器(603)，第三级半带滤波器(603)输出经过2倍抽取后通过选择器选择输入到第四级半带滤波器(604)，第四级半带滤波器(604)输出经过2倍抽取后通过选择器选择输入到第五级半带滤波器(605)，第五级半带滤波器(605)输出通过2倍抽取后再输出。选择器表示每一级HB滤波器输入均可以选择前一级输出信号或者输入信号。

本发明所述的5级HB滤波器的工作过程如下：当实现2倍抽取时，由第五级半带滤波器605实现；当实现4倍抽取时，由第四级604和第五级半带滤波器605级联实现；当实现8倍抽取时，由第三级603、第四级604和第五级半带滤波器605级联实现；当实现16倍抽取时，由第二602级、第三级603、第四级604和第五级半带滤波器605级联实现；当实现32倍抽取时，由五级半带滤波器级联实现。

图7是显示5级CIC滤波器频率响应的示意图。CIC滤波器的系统函数是：

H (z) = {(\frac{1}{DR} \frac{1 - z^{- DR}}{1 - z^{- 1}})}^{L}

其中，D为抽取整数因子，差分延迟R取值为1，级数L取值为5。CIC滤波器的带宽比例因子b＝ω₁/(2π/D)，w₁表示信号可用带宽。(参考：杨小牛，楼才义，徐建良，“软件无线电原理与应用”一书第47页，电子工业出版社，2006年9月第6次印刷)。根据传输函数，当带宽比例因子小于1/32时，信号可用带宽w₁内通带衰减小于0.07dB。

本发明中当CIC滤波器抽取比大于1时，后级必然采用了5级半带滤波器完成32倍抽取，因此带宽比例因子小于1/32，通带衰减小于0.07dB。当通带衰减指标不满足设计要求时，可以增加半带滤波器的级数。采用多少级CIC滤波器和多少级半带滤波器视抽取系统性能要求而定。这样在末级的可编程FIR滤波器在满足应用系统性能的要求下，可以不需要考虑抽取滤波器造成的通带性能下降，对于多标准通信系统中，大大降低了FIR滤波器设计的复杂度，从而设计出满足不同过渡带宽和不同形状的整形滤波器。

假设预定抽取比为D，D为大于等于1的任意有理数。D分解为其中d∈[1，2)，N₁为大于等于0的整数，N₂取值仅为1、2、3、4、5。d倍抽取由多项式内插滤波器(202)实现，倍抽取由CIC滤波器(203)实现，

由HB滤波器(204)实现。当(N₁+N₂)≤5时，N₁取值为0，当(N₁+N₂)大于5时，N₂取值为5。

整体抽取滤波器设计举例一：

当ADC的取样速度固定为Fs＝100Msps，我们希望抽取滤波装置的数据输出速率为1.75Msps。此时我们所希望的抽取因子D＝100/1.75＝400/7。将抽取因子分解为D＝(25/14)×32。将多项式内插滤波器(202)设置成(25/14)倍的抽取，由于32等于2⁵，所以将CIC滤波器(203)抽取比设置为1，5级HB滤波器组(204)设置成32倍抽取，可编程FIR滤波器(205)用于脉冲整形。

整体抽取滤波器设计举例二：

数字化中频的频谱分析仪中，设计要求是中频滤波器带宽(在频谱分析仪中通常称为分辨率带宽)可根据用户自由设置，在FPGA中通过该抽取滤波装置可以任意改变采样速率，从而改变中频滤波器带宽。

归一化频率中，抽取系统技术指标要求：

抽取比范围：1～65536

通带截止频率：0.4

阻带截止频率：0.5

通带波纹：0.2dB

阻带抑制：＞80dB

可以按照级联滤波器的设计原则，分配每一级滤波器的通带和阻带技术指标。本专利涉及的CIC滤波器(202)是5级，因此通带波纹为0.07dB。

抽取滤波器设计完成，在抽取系统应用过程中，当需要抽取比在[1，2)倍时，将多项式内插滤波器(202)设置为抽取比[1，2)，CIC滤波器(203)和HB滤波器(204)设置为旁路。FIR滤波器设计为频谱分析仪中要求的高斯响应滤波器。

当需要抽取比在[2，4)倍时，将多项式内插滤波器(202)设置为抽取比[1，2)，CIC滤波器(203)设置为旁路，HB滤波器(204)设置为2倍抽取。FIR滤波器设计为频谱分析仪中要求的高斯响应滤波器。例如抽取比D＝3.47，则HB滤波器(204)设置为2倍抽取，多项式内插滤波器(202)设置为D/2＝3.47/2＝1.735倍抽取。

当需要抽取比分别为[4，8)倍、[8，16)倍、[16，32)倍、[32，64)倍时，将多项式内插滤波器(202)设置为抽取比[1，2)，CIC滤波器(203)设置为旁路，HB滤波器(204)设置分别为4倍、8倍、16倍、32倍抽取。FIR滤波器设计为频谱分析仪中要求的高斯响应滤波器。

当需要抽取比在大于64倍时，将多项式内插滤波器(202)设置为抽取比[1，2)，CIC滤波器(203)设置抽取比为2^N(N为整数)，HB滤波器(204)设置为32倍抽取。FIR滤波器设计为频谱分析仪中要求的高斯响应滤波器。例如希望抽取比为800。将抽取因子分解为D＝(25/16)×16×32。将多项式内插滤波器(202)设置成(25/16)倍的抽取，将CIC滤波器(203)抽取比设置为16，5级HB滤波器组(204)设置成32倍抽取。

抽取滤波器包括：多项式内插滤波器，用于实现(1～2)分数倍抽取滤波；CIC滤波器和HB滤波器，用于实现2ⁿ倍抽取滤波；HB滤波器，用于补偿CIC滤波器引起的通带下降，同时用于2、4、8、16、32倍的抽取滤波；可编程FIR滤波器，用于脉冲整形。

Claims

1.一种任意抽取滤波装置，其特征在于包括以下部分：

多项式内插滤波器(202)，输出端与级联的抽取滤波器组(201)的输入端连接，用于实现1～2倍分数倍抽取滤波；

所述多项式内插滤波器(202)的传输函数为：

H (z) = \frac{z^{- N / 2}}{M} + Σ_{m = 1}^{M - 1} z^{- m} H_{m} (z^{M}),

H_m(z^M)表示多相分量，是一个分数延迟采样的M子带全通滤波器，增益为1/M，

级联的抽取滤波器组(201)，用于实现2ⁿ整数倍抽取滤波，其包括CIC滤波器(203)和HB滤波器(204)，所述CIC滤波器(203)为5级级联CIC滤波器，所述HB滤波器为5级级联半带滤波器；CIC滤波器(203)的输入端与多项式内插滤波器(202)的输出端连接，HB滤波器(204)的输出端与可编程FIR滤波器(205)的输入端连接；HB滤波器用于补偿CIC滤波器引起的通带下降，同时用于2、4、8、16、32倍的抽取滤波；当实现2、4、8、16、32倍抽取时，由5级HB滤波器实现，5级CIC滤波器设置抽取比为1，当实现大于32倍的2ⁿ整数倍抽取时，由CIC滤波器和HB滤波器共同实现，其中5级HB滤波器实现32倍抽取；

可编程FIR滤波器(205)，用于实现脉冲整形；

所述多项式内插滤波器(202)是将理想内插滤波器的冲激响应函数h_a(t)在每个采样间隔内采用多项式逼近设计成的离散时间内插滤波器，该冲激响应的时域表达式如下：

h (n, μ_{l}) = h_{a} ((n + μ_{l}) T_{1}) = Σ_{m = 0}^{M} c_{m} (n) {(μ_{l})}^{m}

其中n＝-N/2，-N/2+1，......，N/2-1，μl∈(-1，1)，对于每一个n，单位冲激响应就是一个M次的多项式，多项式的系数c_m(n)即为滤波器的固定系数，μ_l是唯一一个可调整的参数，

5级级联CIC滤波器的系统函数为：

H (z) = {(\frac{1}{DR} \frac{1 - z^{- DR}}{1 - z^{- 1}})}^{L},

5级级联半带滤波器中，输入信号经过第一级半带滤波器(601)滤波，然后经过2倍抽取，通过选择器选择输入到第二级半带滤波器(602)，第二级半带滤波器(602)输出经过2倍抽取后通过选择器选择输入到第三级半带滤波器(603)，第三级半带滤波器(603)输出经过2倍抽取后通过选择器选择输入到第四级半带滤波器(604)，第四级半带滤波器(604)输出经过2倍抽取后通过选择器选择输入到第五级半带滤波器(605)，第五级半带滤波器(605)输出通过2倍抽取后再输出，选择器表示每一级HB滤波器输入均可以选择前一级输出信号或者输入信号，当实现2倍抽取时，由第五级半带滤波器(605)实现；当实现4倍抽取时，由第四级(604)和第五级半带滤波器(605)级联实现；当实现8倍抽取时，由第三级(603)、第四级(604)和第五级半带滤波器(605)级联实现；当实现16倍抽取时，由第二(602)级、第三级(603)、第四级(604)和第五级半带滤波器(605)级联实现；当实现32倍抽取时，由五级半带滤波器级联实现，

每一级在归一化频率中，技术指标如下：

通带：f∈[0，f_p]，

阻带：f∈[0.5-f_p，0.5]，

波纹：对于通带和阻带分别为δ₁和δ₂，

条件：第一级到第五级半带滤波器的通带截止频率f_p依次为0.0625f_p、0.125f_p、0.25f_p、0.5f_p、f_p；

将取值为大于等于1的任意有理数的预定抽取比分解为

其中d∈[1，2)，N₁为大于等于0的整数，N₂取值仅为1、2、3、4、5，则：d倍抽取由多项式内插滤波器(202)实现，倍抽取由CIC滤波器(203)实现，由HB滤波器(204)实现；当(N₁+N₂)≤5时，N₁取值为0，当(N₁+N₂)大于5时，N₂取值为5。