CN109962731B - 近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化器，用于解决现有星载数字信道化器重构误差高、保护间隔宽、计算复杂度高的技术问题。实现方法包括：设计原型低通半带滤波器；根据该原型低通半带滤波器设计其对应互补高通半带滤波器；将原型低通半带滤波器上采样作为上支路初级滤波器，并将原型互补高通半带滤波器上采样做为下支路初级滤波器；设计上下支路次级滤波器并做多相分解；通过上下支路次级滤波器多相分解的转置完成信号重构。本发明降低了原有星载数字信道化器的重构误差，降低了保护间隔宽度，降低了计算复杂度，简单高效，易于实现。

Description

近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化方法
技术领域
本发明属于数字信号处理技术领域，涉及一种近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化器，具体涉及一种星载柔性转发器中数字信道化器实现方法。
背景技术
随着现代通信技术的快速发展，宽带卫星移动通信系统作为全球移动通信中的重要环节，近年来向着更大通信容量，更强星上处理能力，更广范围通信覆盖方向发展。而作为星上处理的重要部分，星载柔性转发器相比于传统透明转发器和处理转发器具有更灵活的星上处理能力及更低的计算复杂度，其中，随着卫星通信频谱资源的日益紧张，对于星载柔性转发器中数字信道化器提出了更低的计算复杂度，更窄的过渡带宽等要求。
当前的设计数字信道化器的方法有解析信号法、数字下变频法及频域滤波法等，。其中解析信号法利用信号的解析属性实现，但只能实现均匀信道划分；数字下变频法可实现非均匀信道划分，但当子信道数目增加时，其所需乘法器数量也随子信道数目线性增加，耗费硬件资源；频域滤波法将信号映射到频域完成分析，交换及重构操作，计算量低，但对存储空间要求较高，且需要实时调整FFT的运算点数，灵活性差。为实现完全子带相对位置可调，可使用离散余弦变换滤波器组和离散傅里叶变换滤波器组，其中，离散余弦变换滤波器组常用作精确重构滤波器组结构，但其在实现时，滤波器阶数通常为104级别，而且过渡带很宽，占到通带的40％～60％，从而导致严重的邻带混叠。而离散傅里叶变换滤波器组实现形式更简单，复杂度更低，但是重构误差偏高，为10-1级别,且当重构误差降低时，需提升过渡带带宽为代价。
为了兼顾星载数字信道化器对于重构误差及算法复杂度的要求，田斌、李晨曦在论文近似精确重构的低复杂度星载信道化器(.系统工程与电子技术:1-10[2019-03-11])中提出了一种结合频谱遮蔽(frequency response masking，FRM)及改进型离散傅里叶变换(modified discrete Fourier transform，MDFT)的星载数字信道化器的设计方法，通过FRM结构得到陡峭的FIR低通原型，进一步通过MDFT结构消除邻带混叠，所提方法具有更低的运算复杂度，更陡峭的过渡带和更窄的保护间隔，更小的重构误差。但是，该方法在完成整个星上数字信道化器分析与综合过程仍占用大量乘法器资源。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化器，结合半带滤波器的良好特性、FRM结构设计FIR滤波器的特性及复指数调制滤波器组，进一步降低运算复杂度，实现更窄的保护间隔及更小的重构误差。为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：
1.一种近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、设计原型低通半带滤波器Hl(z)；
(2)、根据该原型低通半带滤波器，设计其对应互补高通半带滤波器Hh(z)；
(3)、对原型低通半带滤波器Hl(z)进行M/2倍上采样得到Hu(zM/2)作为初级滤波器模块上支路，对互补高通N阶半带滤波器Hh(z)进行M/2倍上采样得到Hd(zM/2)作为初级滤波模块下支路；
(4)、将输入信号X(z)分别同时输入到初级滤波模块上支路和初级滤波模块下支路进行滤波得到上下两路信号Xh(z)和Xl(z)；
(5)、设计上支路次级N阶低通滤波器Hum(z)及下支路N阶次级滤波器Hdm(z)；
(6)、将次级滤波器做复指数调制得到次级复指数调制滤波器组，实现步骤为：
(6a)、将上支路次级低通滤波器Hum(z)做多相分解得到M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器，下支路次级滤波器Hdm(z)做多相分解得到M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器；
(6b)、将上支路M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器结合M/2点IFFT构成次级上支路复指数调制滤波器组模块，下支路M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器结合M/2点IFFT构成下支路复指数调制滤波器组模块；
(7)、将步骤(4)中读出的上路信号Xh(z)通过步骤(6)中所得到的上支路次级复指数调制滤波器组模块得到奇数路各子路信号，下路信号Xl(z)通过步骤(6)中所得到的下支路次级复指数调制滤波器组模块得到偶数路各子路信号；
(8)、将步骤(7)中所得到的各子路信号通过交换矩阵控制实现各路子信号的交换；
(9)、将步骤(8)完成交换的各子路信号中的奇数路信号通过步骤(6)中的上支路次级复指数调制滤波器组的转置得到Yh(z)，偶数路信号通过步骤(6)中的下支路次级复指数调制滤波器组的转置得到Yl(z)，并将Yh(z)与Yl(z)相加得到Y(z)，完成多路信号的重构；
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明由于使用低通半带滤波器作为初级滤波模块的上支路原型滤波器，同时通过半带滤波器良好的互补特性，得到下支路原型滤波器，保证了更低的重构误差及更窄的过渡带宽，同时因半带滤波器中一半系数为零，在相同阶数下初级滤波模块可以降低一半的运算复杂度。次级滤波模块中通过圆周频移特性得到下支路复指数调制滤波器组的原型滤波器，将IFFT及FFT运算点数降低一半，具有面对更高路数数字信道化器的应用前景。同时因半带滤波器良好的互补特性，省去了原FRM结构中最后一级滤波的结构。从而整个星载数字信道化器结构有效降低了计算复杂度，同时保证了更窄的过渡带及更低的重构误差
附图说明
图1为本发明的分析模块结构图，包括初级滤波模块和次级滤波模块；
图2为本发明的综合模块结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。
参照图1和图2，本发明包括以下步骤：
步骤1，设计原型低通半带滤波器Hl(z)。
原型低通半带滤波器依据星载数字信道化器的性能要求进行设计，数字信道化器系统性能要求如下
(1).通道带宽为160MHz，划分成64个子信道；
(2).通道内有效带宽为120MHz，包括48个子信道；
(3).子信道带宽为2.5MHz；
(4).子信道间保护间隔为200KHz；
由此得出原型低通半带滤波器Hl(z)的归一化过渡带宽为0.2/2.5＝0.08，选择的原型低通半带滤波器归一化参数如表1所示：
表1原型低通半带滤波器参数
Figure GDA0002299018460000041
步骤2，根据该原型低通半带滤波器，设计其对应互补高通半带滤波器Hh(z)，实现步骤为：
根据低通半带滤波器对应高通半带滤波器计算公式
Figure GDA0002299018460000042
其中，Na为原型低通半带滤波器Hl(z)的阶数。此时Hh(z)的通带为Hl(z)的阻带，且Hh(z)的阻带为Hl(z)的通带，二者完全互补。
步骤3，对原型低通半带滤波器Hl(z)进行M/2倍上采样得到Hu(zM/2)作为初级滤波器模块上支路，对互补高通N阶半带滤波器Hh(z)进行M/2倍上采样得到Hd(zM/2)作为初级滤波模块下支路。实现步骤如下：
对原型低通半带滤波器Hl(z)的系数hl(n)进行M/2倍上采样，即在hl(n)的两个相邻样点中插入M/2-1个零得到Hu(zM/2)，此时Hu(zM/2)为Hl(z)的M/2-1次镜像周期重复，；同理对互补高通半带滤波器Hl(z)进行M/2倍上采样得到Hd(zM/2)，此时Hd(zM/2)为Hh(z)的M/2-1次镜像周期重复，并将Hu(zM/2)作为初级滤波器模块上支路，通带为
Figure GDA0002299018460000051
Hd(zM/2)作为初级滤波模块下支路,通带为
Figure GDA0002299018460000052
步骤4，将输入信号X(z)分别同时输入到初级滤波模块上支路和初级滤波模块下支路进行滤波得到上下两路信号Xh(z)和Xl(z)；
步骤5，设计上支路次级N阶低通滤波器Hum(z)及下支路N阶次级滤波器Hdm(z)。实现步骤如下：
上支路次级低通滤波器Hum(z)依据初级滤波模块上支路设计，其通带截止频率为ωp/(M/2)，阻带截止频率为-ωp/(M/2)+1/(M/2)；下支路次级低通滤波器Hdm(z)依据上支路次级低通滤波器Hum(z)设计，利用圆周频移特性得到，其表达式为：
Figure GDA0002299018460000053
其中，hum(n)为Hum(z)的时域系数。
步骤6，将次级滤波器做复指数调制得到次级复指数调制滤波器组，以上支路次级滤波器组为例，实现步骤为：
(6a)对原型滤波器
Figure GDA0002299018460000054
进行变形：
Figure GDA0002299018460000055
其中，L＝N/(M/2)；
(6b)在hum(n)的系统函数中，
令
Figure GDA0002299018460000061
进行等价代换，得到次级原型低通滤波器的系统函数hum(n)的多相分解形式：
Figure GDA0002299018460000062
其中，k为自变量，且0≤k≤M/2-1；
(6c)对原型滤波器的hum(n)系统函数的多相分解形式进行分析，得到了M/2个阶数为L的多相滤波器，其表达式为：
hum(k)(n)＝hum(nM/2+k) (6-4)
对下支路次级滤波器组执行上述同样的操作，其表达式为
hdm(k)(n)＝hdm(nM/2+k) (6-5)
(6d)将上支路M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器结合M/2点IFFT构成次级上支路复指数调制滤波器组模块，下支路M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器结合M/2点IFFT构成下支路复指数调制滤波器组模块；
步骤7，将步骤(4)中读出的上路信号Xh(z)通过步骤(6)中所得到的上支路次级复指数调制滤波器组模块得到奇数路各子路信号，下路信号Xl(z)通过步骤(6)中所得到的下支路次级复指数调制滤波器组模块得到偶数路各子路信号；
步骤8，将步骤(7)中所得到的各子路信号通过交换矩阵控制实现各路子信号的交换；
步骤9,将步骤(8)完成交换的各子路信号中的奇数路信号通过步骤(6)中的上支路次级复指数调制滤波器组的转置得到Yh(z)，偶数路信号通过步骤(6)中的下支路次级复指数调制滤波器组的转置得到Yl(z)，并将Yh(z)与Yl(z)相加得到Y(z)，完成多路信号的重构，如图2所示。
本发明提出的一种近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化器，利用半带滤波器良好的互补特性和一半系数为0的特点，同时通过上下两路复指数调制滤波器组完成了信号的分析和重构操作，进一步降低了星载柔性转发器中数字信道化器部分的计算复杂度和重构误差。

Claims (5)

1.一种近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、设计原型低通半带滤波器Hl(z)；
(2)、根据该原型低通半带滤波器，设计其对应互补高通半带滤波器Hh(z)；
(3)、对原型低通半带滤波器Hl(z)进行M/2倍上采样得到Hu(zM/2)作为初级滤波器模块上支路，对互补高通N阶半带滤波器Hh(z)进行M/2倍上采样得到Hd(zM/2)作为初级滤波模块下支路；
(4)、将输入信号X(z)分别同时输入到初级滤波模块上支路和初级滤波模块下支路进行滤波得到上下两路信号Xh(z)和Xl(z)；
(5)、设计上支路次级N阶低通滤波器Hum(z)及下支路N阶次级滤波器Hdm(z)；
(6)、将次级滤波器做复指数调制得到次级复指数调制滤波器组，实现步骤为：
(6a)、将上支路次级低通滤波器Hum(z)做多相分解得到M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器，下支路次级滤波器Hdm(z)做多相分解得到M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器；
(6b)、将上支路M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器结合M/2点IFFT构成次级上支路复指数调制滤波器组模块，下支路M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器结合M/2点IFFT构成下支路复指数调制滤波器组模块；
(7)、将步骤(4)中读出的上路信号Xh(z)通过步骤(6)中所得到的上支路次级复指数调制滤波器组模块得到奇数路各子路信号，下路信号Xl(z)通过步骤(6)中所得到的下支路次级复指数调制滤波器组模块得到偶数路各子路信号；
(8)、将步骤(7)中所得到的各子路信号通过交换矩阵控制实现各路子信号的交换；
(9)、将步骤(8)完成交换的各子路信号中的奇数路信号通过步骤(6)中的上支路次级复指数调制滤波器组的转置得到Yh(z)，偶数路信号通过步骤(6)中的下支路次级复指数调制滤波器组的转置得到Yl(z)，并将Yh(z)与Yl(z)相加得到Y(z)，完成多路信号的重构。
2.根据权利要求1所述的一种近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化方法，其特征在于：步骤(1)中所述的原型低通半带滤波器Hl(z)的参数，包括通带截止频率、通带内纹幅度抖动、阻带衰减和阶数。
3.根据权利要求1所述的一种近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化方法，其特征在于：步骤(2)中所述的互补高通半带滤波器，其表达式为：
Figure FDA0002299018450000021
其中，Na为原型低通半带滤波器Hl(z)的阶数。
4.根据权利要求1所述的一种近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化方法，其特征在于：步骤(5)中所述的上支路次级N阶低通滤波器Hum(z)的参数，包括通带截止频率、阻带截止频率、过渡带宽、通带内纹幅度抖动和阻带衰减，下支路N阶次级滤波器Hdm(z)利用圆周频移特性得到，其表达式为：
Figure FDA0002299018450000022
其中，hum(n)为上支路次级N阶低通滤波器Hum(z)的系数。
5.根据权利要求1所述的一种近似完全重构星载低复杂度非均匀带宽数字信道化方法，其特征在于：步骤(6)中所述的对次级滤波器Hum(z)及Hdm(z)进行多相分解，实现步骤为：
(6a)对原型滤波器
Figure FDA0002299018450000031
进行变形：
Figure FDA0002299018450000032
其中，L＝N/(M/2)；
(6b)在hum(n)的系统函数中，
令
Figure FDA0002299018450000033
进行等价代换，得到次级原型低通滤波器的系统函数hum(n)的多相分解形式：
Figure FDA0002299018450000034
其中，k为自变量，且0≤k≤M/2-1；
(6c)对原型滤波器的hum(n)系统函数的多相分解形式进行分析，得到了M/2个阶数为L的多相滤波器，其表达式为：
hum(k)(n)＝hum(nM/2+k)
对下支路次级滤波器组执行上述同样的操作，其表达式为
hdm(k)(n)＝hdm(nM/2+k)
(6d)将上支路M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器结合M/2点IFFT构成次级上支路复指数调制滤波器组模块，下支路M/2个阶数为N/(M/2)的多相滤波器结合M/2点IFFT构成下支路复指数调制滤波器组模块。
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