CN107749762A - 一种多相滤波数字信道化实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多相滤波数字信道化实现方法，一种多相滤波数字信道化实现方法，包括(1)首先将中频信号经过数模转换器量化为数字信号通过数字下变频模块DDC降为基带信号(2)设置采样频率fs，划分成D个子信道,在多相滤波器前端进行D倍抽取，抽取后的信号进入多相滤波器进行滤波；本发明利用数字信道化技术可以将频带划分成多个独立的子带信道，各个子带信道之间可以实现并行运算。计算机仿真结果验证了该高效结构的正确性。同时，该结构设计利用FPGA实现，充分体现了多通道并行运算的优势。

Description

一种多相滤波数字信道化实现方法
技术领域
本发明属于光电通信领域，尤其是涉及一种多相滤波数字信道化实现方法。
背景技术
信道化接收机时目前电子系统中一种非常有前途的信号接收机，在各个领域中都有着广泛的应用。这种接收机的精度、分辨率、灵敏度均可达到窄带外差接收机的水平，并具有宽带接收机100％，正是这些特点信道化接收机对各种信号适应能力都很强；
随着DSP和FPGA的飞速发展，用数字技术代替传统的模拟信道化技术成为了趋势，根据目前软无线电的接收机类别，无论是射频低通采样或带通采样都减少了模拟器件的使用，随着目前高采样率A/D的使用，两片并行采样的方式就可实现高速率，但是随着采样速率的提高所带来的另外一个问题是如何解决高速A/D芯片与信号处理器之间的矛盾。带采样后的数据流速率很高，将导致后续的信号处理速度无法跟上，特别是对一些同步解调算法，其计算量大，如果其数据吞吐率太高是很难满足实时性要求，如何解决高速A/D芯片与信号处理器之间的矛盾是现有技术中存在的普遍问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种体现多通道并行优势的多相滤波数字信道化实现方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种多相滤波数字信道化实现方法，包括如下步骤：
(1)首先将中频信号经过数模转换器量化为数字信号通过数字下变频模块DDC降为基带信号；
(2)设置采样频率fs，划分成D个子信道,在多相滤波器前端进行D 倍抽取，抽取后的信号进入多相滤波器进行滤波；
(3)抽取后的信号进入多相滤波器进行滤波；
(4)由步骤(2)滤波后的信号通过逆傅立叶变换后输出；
(5)数据验证，将步骤(4)输出的信号输出并合成一路文件，求出频谱与源信号对比。
进一步，所述步骤(3)中滤波器为原型低通滤波器的多相分量；
进一步，所述步骤(3)包括将步骤(2)抽取后的信号分别与对应的多相滤波器进行卷积运算。
进一步，所述步骤(1)经过数字下变频模块DDC后的基带信号为有符号整型数据。
进一步，在进行卷积运算后得出的结果数据，截取多余数据的位数。
相对于现有技术，本发明所述的一种多相滤波数字信道化实现方法具以下优势：
本发明利用数字信道化技术可以将频带划分成多个独立的子带信道，各个子带信道之间可以实现并行运算。计算机仿真结果验证了该高效结构的正确性；
同时，该结构设计利用FPGA实现，充分体现了多通道并行运算的优势；此外，本发明降低了滤波器的复杂度和资源利用率；降低了滤波器的运算速度，能够更好的实现实时处理；并行运算充分体现了资源高效复用的特点。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的带抽取器的滤波器组信道化结构图；
图2为本发明实施例所述的抽取滤波器的对等关系图；
图3为本发明实施例所述的多相滤波原理图；
图4为本发明实施例所述的信道划分示意图；
图5为本发明实施例所述的数字信道化多相滤波结构图
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
工作原理：频率信道化——是把通过一组覆盖整个频段的滤波器将频段划分为若干个子频段(子信道)，每个滤波器的输出就是一个信道输出。D 个信道的划分如图1所示，直接采用如图1所示的信道化结构在高速状态下是无法实现的。因此必须探寻变通的方法，仔细分析图1可以看出，在数据抽样输出前的运算数据有较人的冗余，大量的数据运算后被丢弃了；其次每个滤波器波形基本一致，只是中心频率不同而已。因此能否利用各个滤波器之间的关系降低运算的复杂度变得至关重要。
在数字信道化技术中采用的关键技术之一就是多相滤波技术，多相滤波是通过改变抽取或内插的位置来降低数字滤波器的处理速度，如图2所示。
以抽取滤波器设计为例，数字抽取滤波器冲击响应h(n)，其Z变换定义为：
令
则
数字抽取滤波器EK(z)例为多相结构，其网络图有抽取在滤波器前和抽取在滤波器后两种表示形式，前一种结构降低了数字抽取滤波器的速度要求。设原始结构中的低通滤波器h(n)的阶数为N，采样率为fs，其计算速度 S1＝Nxfs。采用前一种多相结构后(设抽取因子为D)，各分支滤波器计算速度为S2＝Nxfs/D2。多相滤波器原理图如图3所示
所以，当抽取因子比较大时，采用多相滤波结构可减低数字滤波器设计的难度。
数字信道化模型结构——将采样频率fs划分为D个滤波器组，其信道划分如图4所示，其中H0为原型滤波器，带宽2π/D，中心频率ω＝0，，其z 变换为：
其中：
上式说明输入数据通过第n个滤波器的输出可以等效为数据经过H0滤波器的多相分量并做IDFT的第n个输出。因此可得到其信道化模型如图5 所示的多相滤波结构，其中m＝n/D：hk(m)是滤波器Ek(z)的冲击响应，k＝1， 2，...，D-1，为原型滤波器H0的多相分量；即图中的D个抽取滤波器已不是原先的原型滤波器，而是该滤波器的多相分量。总运算量仅为一个原形低通滤波器和D点IDFT的运算量之和。
本发明的理论验证过程：1.使用MATLAB模拟仿真，建立信道化模型，
对于多相滤波模型建立，我们设置采样频率fs为120MHz，信道数目K 和前端抽取系数D均为8，每个信道带宽为15MHz。源信号由四个正弦信号混合而成，其频率分别为f1＝6MHz,f2＝21MHz,f3＝36MHz,f4＝51MHz。在 MATLAB的FDATOOL(Filter Design andAnalysis Tool)中设计原型滤波器，将原型滤波器分为8组抽取滤波器，即原型滤波器的多相分量。数据同样按照图5延时并分为8组，按顺序通过抽取滤波器，然后经过逆傅立叶变换(IDFT)，得到多相滤波后各个信道的信号。经过多相滤波之后每个信道滤出原始信号的一部分频谱，将各个信道再合成就可还原原始信号。
同时，现场可编程门阵列FPGA是可编程逻辑器件的一种，它充分利用 EDA技术进行器件的开发与应用，目前已成为实现数字系统的主流平台之一。FPGA由若干独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接成所需要的数字系统。选用Xilinxxc7k410t芯片为核心器件设计信号处理，使用Xilinx System Generator可在MATLAB/Simulink的环境下建立数字信号处理系统的抽象算法，并将算法转化成可靠的硬件实现。
本发明的具体工作过程：
1)首先，由信号源将MATLAB生成的源信号(四个正弦信号混合)输入板卡接收端，中频信号经数模转换器量化为数字信号。然后经过数字下变频模块，由DDS Compiler和ComplexMult组成，将中频信号降到基带进行处理。之后在多相滤波模块中，将数据分为8个通道，分别通过滤波器组。
2)设计原型滤波器，将120MHz分为8通道，每通道带宽为15MHz。其中采样频率为fs＝120MHz，通带频率为7.5MHz，阻带频率为8MHz，带内平坦度小于0.5dB，带外抑制低于43dB，滤波器阶数为512阶。如图5所示，将原型滤波器系数在MATLAB生成，分为8组抽取滤波器，每组系数为64阶，转化为16比特有符号整型数据。这样，每一路滤波器分路由原来的512阶减少为64阶，降低了滤波运算的累计误差，提高了算法的精确度。
3)下变频之后的信号为有符号整型数据，并将其分成8路进行操作。使用CIC进行抽取滤波操作，将数据速率由120MHz降为15MHz，然后把抽取放在多相滤波之前进行，就降低了后续运算的速度，可以高效进行信号实时处理。
4)将降速之后的8路信号分别与相应的多相滤波器进行卷积运算，这个运算过程需要使用有限冲激响应滤波器(FIR)，并选用凯塞窗降低带外衰减。卷积之后要注意截位，在保证原数据精度不变的情况下截取多余数据位数，以避免消耗不必要的资源。通过多相滤波器组后，各个通道需要作复数乘法，乘上通道系数。此时，已经完成原数据在每个分路上实现滤波。
5)各个通道进行8位的逆傅立叶变换(IFFT)，此步骤在流水线操作流程中需要注意顺序，按照先进先出的原则进行IFFT，并按自然序列输出。输出的八路信号分别为八个信道的多相滤波数据。
6)为了验证数据的正确性，将FPGA输出的八路信号输出到文件，然后在MATLAB中合成一路，并求频谱。然后，将各个信道合成与源信号对比，除了底部噪声外，正弦频点源信号频谱图一致。
整个系统采用流水线处理，充分利用时钟周期，实现多相滤波信道化功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多相滤波数字信道化实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先将中频信号经过数模转换器量化为数字信号通过数字下变频模块DDC降为基带信号；
(2)设置采样频率fs，划分成D个子信道,在多相滤波器前端进行D倍抽取，抽取后的信号进入多相滤波器进行滤波；
(3)抽取后的信号进入多相滤波器进行滤波；
(4)由步骤(2)滤波后的信号通过逆傅立叶变换后输出；
(5)数据验证，将步骤(4)输出的信号输出并合成一路文件，求出频谱与源信号对比。
2.根据权利要求1所述的一种多相滤波数字信道化实现方法，其特征在于：所述步骤(3)中滤波器为原型低通滤波器的多相分量。
3.根据权利要求1所述的一种多相滤波数字信道化实现方法，其特征在于：所述步骤(3)包括将步骤(2)抽取后的信号分别与对应的多相滤波器进行卷积运算。
4.根据权利要求1所述的一种多相滤波数字信道化实现方法，其特征在于：所述步骤(1)经过数字下变频模块DDC后的基带信号为有符号整型数据。
5.根据权利要求2所述的一种多相滤波数字信道化实现方法，其特征在于：在进行卷积运算后得出的结果数据，截取多余数据的位数。
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