CN117040486B - 一种多档数字滤波器及宽带数字接收机 - Google Patents

一种多档数字滤波器及宽带数字接收机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及数字滤波器领域，具体涉及一种多档数字滤波器及宽带数字接收机，极大地提高了对大带宽范围变化需求的适应性。本发明提供一种多档数字滤波器，包括第一级滤波模块、第二级滤波模块、第一路由选择模块以及第二路由选择模块，第一路由选择模块与第一级滤波模块连接，第一级滤波模块与第二级滤波模块通过第二路由选择模块连接，输入信号通过第一路由选择模块到达第一级滤波模块时，通过第一路由选择模块选择第一级滤波模块中的滤波器进行滤波；第一级滤波模块的输出信号通过第二路由选择模块到达第二级滤波模块时，通过第二路由选择模块选择第二级滤波模块中的滤波器进行滤波。本发明适用于数字滤波器。

Description

一种多档数字滤波器及宽带数字接收机
技术领域
本发明涉及数字滤波器领域，具体涉及一种多档数字滤波器及宽带数字接收机。
背景技术
目前接收机按其功能主要分为通信接收机和电子战接收机。通信接收机主要用于恢复合作发射机的信号，要求信号的连续性。与此相反，电子战接收机用于侦察非合作信号，测定信号的特征，并利用这些信息来判断信号的类型。伴随通信接收机的带宽日益增大，未来通信接收机和电子战接收机的带宽可能变得大致相当，大带宽是接收机的发展趋势。现阶段国内主流数字接收机的带宽是40MHz，且在40MHz带宽下的频谱多为信号切片（信号分段连续），受制于多滤波器的资源消耗及信号速率的变化范围大，大带宽要求信号处理速率快、数据量大等因素。
现有技术主要通过简化滤波器结构满足大带宽需求、直接级联滤波器满足带宽变换及滤波精度需求。如CN112865751A公开的一种三级级联结构滤波器，包括依次连接的CIC（Cascaded Integrator-Comb，级联积分梳状）滤波器、余弦级联滤波器、ISOP（(Interpolated Second-Order Polynomials，插值二次多项式）滤波器和半带滤波器；输入信号输入至CIC滤波器后、依次经过余弦级联滤波器和ISOP滤波器，最终从半带滤波器输出。
上述方案虽然通过三级级联提高了数字滤波器的精度，但其能实现的带宽范围有限，限制性较高，无法在高速率下完成对数字信号的处理过程。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种多档数字滤波器及宽带数字接收机，提高了对大带宽范围变化需求的适应性。
本发明采取如下技术方案实现上述目的，一种多档数字滤波器，包括第一级滤波模块、第二级滤波模块、第一路由选择模块以及第二路由选择模块，第一路由选择模块与第一级滤波模块连接， 第一级滤波模块与第二级滤波模块通过第二路由选择模块连接，输入信号通过第一路由选择模块到达第一级滤波模块时，通过第一路由选择模块选择第一级滤波模块中的滤波器进行滤波；
第一级滤波模块的输出信号通过第二路由选择模块到达第二级滤波模块时，通过第二路由选择模块选择第二级滤波模块中的滤波器进行滤波。
进一步的是，所述第一级滤波模块至少包括第一一级滤波器以及第二一级滤波器，第一一级滤波器与第二一级滤波器并联在第一路由选择模块及第二路由选择模块之间，所述第二级滤波模块至少包括第一二级滤波器；
输入信号通过第一路由选择模块到达第一级滤波模块时，通过第一路由选择模块选择第一一级滤波器或第二一级滤波器进行滤波；
第一级滤波模块的输出信号通过第二路由选择模块到达第二级滤波模块时，通过第二路由选择模块选择第一二级滤波器进行滤波。
进一步的是，所述第一一级滤波器为直通滤波器，第二一级滤波器为半带滤波器，第一二级滤波器为高速FIR滤波器，所述高速FIR滤波器为工作在第一设定速率下的FIR滤波器。
进一步的是，所述第一级滤波模块还包括第三一级滤波器，所述第三一级滤波器与第一一级滤波器以及第二一级滤波器并联在第一路由选择模块及第二路由选择模块之间，输入信号通过第一路由选择模块到达第一级滤波模块时，通过第一路由选择模块选择第一一级滤波器、第二一级滤波器或第三一级滤波器进行滤波。
进一步的是，所述第三一级滤波器为级联积分梳状滤波器。
进一步的是，所述多档数字滤波器还包括选择开关，所述选择开关与第二级滤波模块连接。
进一步的是，所述第二级滤波模块还包括第二二级滤波器，所述第一二级滤波器与第二二级滤波器并联在第二路由选择模块以及选择开关之间，第一级滤波模块的输出信号通过第二路由选择模块到达第二级滤波模块时，通过第二路由选择模块选择第一二级滤波器或第二二级滤波器进行滤波，滤波后通过选择开关进行输出。
进一步的是，所述第二二级滤波器为低速可变FIR滤波器，所述低速可变FIR滤波器为工作在第二设定速率下并可动态切换系数实现多种形状不同的FIR滤波器。
进一步的是，所述第一路由选择模块为一分二开关或一分三开关，所述第二路由选择模块二选一开关、三选一开关、三入二出开关或二入二出开关。
一种宽带数字接收机，所述宽带数字接收机包含如上述所述的多档数字滤波器。
本发明的有益效果为：
本发明通过可变化的级联结构，提高了对大宽带范围变化需求的适应性，适用于无线电信号接收的数字滤波处理过程，满足数字接收机的不同带宽的滤波需求。通过特定滤波器的级联，能够实现80MHz-1KHz的带宽范围，满足数字接收机的不同带宽的滤波需求，同时还满足了在204.8M-12.5K信号速率下均正常工作的需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的多档数字滤波器第一实施例结构图；
图2是本发明实施例提供的多档数字滤波器第二实施例结构图；
图3是本发明实施例提供的多档数字滤波器第三实施例结构图；
图4是本发明实施例提供的的多档数字滤波器第四实施例结构图；
图5是本发明实施例提供的的多档数字滤波器第五实施例结构图；
图6是本发明实施例提供的的多档数字滤波器第六实施例结构图；
图7是本发明实施例提供的的有限冲激响应滤波器原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供的多档数字滤波器主要由两级结构构成，每级间均通过高速程控开关（即路由选择模块）控制，其中的第一路由选择模块、第二路由选择模块、以及二选一开关均可通过寄存器地址映射直接由CPU（Central Processing Unit，中央处理器）统一控制。本发明主要使用了直通滤波器、半带滤波器、CIC滤波器、高速FIR（Finite ImpulseResponse，有限长单位冲激响应）滤波器以及低速可变FIR滤波器。
直通滤波器实现80MHz带宽，半带滤波器完成高效的2倍抽取实现40MHz带宽，CIC波器实现4、8、16、…、8192倍抽取实现20MHz、10MHz、5MHz、…、1KHz带宽，高速FIR滤波器工作在204.8M-12.8M速率下，可变FIR滤波器工作在6.4M-12.5K速率下并可动态切换系数实现5种形状不同的滤波器。
CIC滤波器结构简单高效，不需要进行乘法运算，可以对高速数据流进行低通滤波运算，其系统函数为：
，N是CIC的级联级数，R是抽取率，M是滤波器的梳状部分的延迟拍数，*表示乘积，H(z)表示CIC滤波器的系统函数，Z表示复变量。
FIR滤波器，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统，如图7所示，其系统函数为：
，k为整数，n整数，*表示乘积，y(k)表示FIR滤波器的系统函数，a(n)表示滤波器的系数。
可变FIR滤波器指一组具有不同形状，但是阶数相同（上式中的k）的滤波器，将不同滤波器的系数存于片上存储中，根据控制接口指令进行快速切换，一般在几个时钟周期，甚至1个周期内完成切换。因此，电路比单纯的FIR复杂，适用的频率上项也相应降低。
半带滤波器（HB）是一种非常适合于2倍抽取的FIR滤波器，可以使2倍抽取的每秒乘法次数比一般线性相位的FIR滤波器减少近1/2，是一种实现数字下变频的高效数字滤波器。
下面结合附图进行详细说明。
如图1所示，为本发明实施例提供的多档数字滤波器第一实施例结构图，第一级滤波模块包括直通滤波器、半带滤波器以及CIC滤波器，直通滤波器、半带滤波器以及CIC滤波器并联在第一路由选择模块及第二路由选择模块之间，第一路由选择模块在直通滤波器、半带滤波器或CIC滤波器中选择合适的工作滤波器同时关断未工作滤波器，减小系统功耗，第二路由选择模块保留工作滤波器通路的同时关断未工作滤波器通路，防止寄生信号干扰，第二路由选择模块在此处的实现为三选一开关，即将第一级滤波的输出信号输出。
通过该结构，第一级滤波模块实现了在直通滤波器、半带滤波器以及CIC滤波器的三选一，其中半带滤波器实现2倍抽取、CIC滤波器可实现4-8192区间内的任意抽取，整个第一级模块能实现1-8192倍变速。第一级处理主要控制信号速率，同时完成部分带外信号抑制。第二级滤波模块通过高速FIR滤波器实现了对数据的高速处理。
如图2所示，为本发明实施例提供的多档数字滤波器第二实施例结构图，与第一实施例结构相比，区别在于，本实施例第二级滤波模块采用的是可变FIR滤波器，第二级滤波模块的可变FIR滤波器对第一级滤波模块的输出信号进行处理后输出。
与第一实施例结构相比，第二级滤波模块通过可变FIR滤波器实现了精细控制带宽及阻带参数。
如图3所示，为本发明实施例提供的多档数字滤波器第三实施例结构图，与第一实施例及第二实施例相比，区别在于，本实施例第二级滤波模块连接二选一开关，第二级滤波模块包含了高速FIR滤波器与可变FIR滤波器，高速FIR滤波器与可变FIR滤波器并联在第二路由选择模块以及二选一开关之间，第二级滤波模块通过第二路由选择模块实现二选一，即选择高速FIR滤波器或可变FIR滤波器的滤波输出信号进行输出。二选一开关关断未工作滤波器通路，防止寄生信号干扰。
本实施例中，第二路由选择模块可由一个3入2出程控选择开关实现，该程控选择开关的输出均由寄存器控制，同时刷新2个输出的寄存器（每输出一个）实现路由功能的同时，隔离了未工作滤波器产生的寄生信号。同样，第二路由选择模块也可由一个一分二开关和一个三选一开关组成，其结构相对复杂。
如图4所示，为本发明实施例提供的多档数字滤波器第四实施例结构图，与第三实施例的结构相比，区别在于，本实施例第一级滤波模块包含直通滤波器与CIC滤波器，直通滤波器与CIC滤波器并联在第一路由选择模块与第二路由选择模块之间。通过该结构实现了在第一级滤波器模块的二选一，即通过第一路由选择模块实现直通滤波器或CIC滤波器的输出信号至第二级滤波模块。
如图5所示，为本发明实施例提供的多档数字滤波器第五实施例结构图，与第四实施例的结构相比，区别在于，本实施例第一级滤波模块包含半带滤波器与CIC滤波器，半带滤波器与CIC滤波器并联在第一路由选择模块与第二路由选择模块之间。通过该结构实现了在第一级滤波器模块的二选一，即通过第一路由选择模块实现半带滤波器或CIC滤波器的输出信号至第二级滤波模块。
如图6所示，为本发明实施例提供的多档数字滤波器第六实施例结构图，本实施例第一级滤波模块包含了直通滤波器与CIC滤波器，直通滤波器与CIC滤波器并联在第一路由选择模块与第二路由选择模块之间，第二级滤波模块采用的是高速FIR滤波器。通过本实施例的结构，实现了在第一级滤波器模块的二选一，即通过第一路由选择模块实现选择直通滤波器或CIC滤波器的输出信号至第二级滤波模块，第二级滤波模块通过高速FIR滤波器对第一级滤波模块的输出信号进行处理。
在本实施例中，也可以采用可变FIR滤波器替代高速滤波器。
本发明还提供了一种宽带数字接收机，包含上述所述的多档数字滤波器，该宽带数字接收机基于上述的滤波处理过程，结合前级的隔直滤波器、数字下变频及其后级联的高速FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）处理过程及数据存储过程构成了完整的数字接收机。
综上所述，本发明突破了滤波器传统的单路级联结构、实现了可选的多路结构，在有限的资源消耗下，实现80MHz-1KHz之间多档带宽的滤波器，在具体实施中实现80MHz、40MHz、20MHz、10MHz、5MHz、2MHz、1MHz、500kHz、200kHz、100kHz、50kHz、20kHz、10kHz、5kHz、2kHz、1kHz共16个滤波器。
本发明实现了80MHz的连续滤波，结合其它电路可实现80MHz实时频谱功能，解决时短信号，特别是跳频信号的侦察能力。在具体实施中，16个滤波器均能连续滤波并保存其连续IQ数据。
本发明利用新的程控高速路由开关，直接由CPU通过寄存器映射控制，突破了高速数字信号中CIC滤波器与FIR滤波器直接级联的思路，在中间引入了高速路由选择开关（即二选一或三选一开关）同时路由数据及控制信号，使3路高速信号复用第二级的高速FIR滤波器，减少了不同滤波器资源消耗，特别是节约了DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）资源。
本发明控制电路技术先进，主控和嵌入式共用ARM处理核心，高速开关控制采用了寄存器映射技术，级联梳状滤波器的抽取率和可变FIR滤波器的系数通过DMA控制。
在具体实施时，本发明可以采用Xilinx ZCU102开发板（SoC芯片XCZU9EG）、ADI的评估开发板AD9467-250EBZ、美数科技MRH03D射频模块搭建宽带数字接收机原型样机，玖锦科技VSG5000A矢量信号发生器作为测试信号源进行验证。电路使用Vivado 2020.2进行设计，嵌入式软件使用Vitis2020.2开发，界面测试软件使用Qt Creator4.11.1开发。宽带数字接收机原型样机工作频率为20MHz-18GHz、具备80MHz实时频谱、512M连续IQ留盘、300G/S扫描速度等国内先进的指标。
本发明在本实施例中，通过FPGA逻辑实施。当其级联前部的隔直滤波器、数字下变频处理过程、后面的实时FFT处理过程及高速数据存储过程就构成了完整的高速数字信号处理过程。再结合嵌入式软件的恰当控制及信息变换和分发过程，组成一台完整的宽带数字接收机。再配合前端的显控终端软件，就是一套可用的系统。
本发明提供一种在原型样机中完成信号的滤波处理，提供16档数字滤波器，如下表1：
表1 16档数字滤波器表
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多档数字滤波器，其特征在于，包括第一级滤波模块、第二级滤波模块、第一路由选择模块、第二路由选择模块以及选择开关，第一路由选择模块与第一级滤波模块连接，第一级滤波模块与第二级滤波模块通过第二路由选择模块连接，所述选择开关与第二级滤波模块连接，输入信号通过第一路由选择模块到达第一级滤波模块时，通过第一路由选择模块选择第一级滤波模块中的滤波器进行滤波；
第一级滤波模块的输出信号通过第二路由选择模块到达第二级滤波模块时，通过第二路由选择模块选择第二级滤波模块中的滤波器进行滤波，滤波后通过选择开关进行输出。
2.根据权利要求1所述的多档数字滤波器，其特征在于，所述第一级滤波模块至少包括第一一级滤波器以及第二一级滤波器，第一一级滤波器与第二一级滤波器并联在第一路由选择模块及第二路由选择模块之间，所述第二级滤波模块至少包括第一二级滤波器；
输入信号通过第一路由选择模块到达第一级滤波模块时，通过第一路由选择模块选择第一一级滤波器或第二一级滤波器进行滤波；
第一级滤波模块的输出信号通过第二路由选择模块到达第二级滤波模块时，通过第二路由选择模块选择第一二级滤波器进行滤波。
3.根据权利要求2所述的多档数字滤波器，其特征在于，所述第一一级滤波器为直通滤波器，第二一级滤波器为半带滤波器，第一二级滤波器为高速FIR滤波器，所述高速FIR滤波器为工作在第一设定速率下的FIR滤波器。
4.根据权利要求2所述的多档数字滤波器，其特征在于，所述第一级滤波模块还包括第三一级滤波器，所述第三一级滤波器与第一一级滤波器以及第二一级滤波器并联在第一路由选择模块及第二路由选择模块之间，输入信号通过第一路由选择模块到达第一级滤波模块时，通过第一路由选择模块选择第一一级滤波器、第二一级滤波器或第三一级滤波器进行滤波。
5.根据权利要求4所述的多档数字滤波器，其特征在于，所述第三一级滤波器为级联积分梳状滤波器。
6.根据权利要求2所述的多档数字滤波器，其特征在于，所述第二级滤波模块还包括第二二级滤波器，所述第一二级滤波器与第二二级滤波器并联在第二路由选择模块以及选择开关之间，第一级滤波模块的输出信号通过第二路由选择模块到达第二级滤波模块时，通过第二路由选择模块选择第一二级滤波器或第二二级滤波器进行滤波，滤波后通过选择开关进行输出。
7.根据权利要求6所述的多档数字滤波器，其特征在于，所述第二二级滤波器为低速可变FIR滤波器，所述低速可变FIR滤波器为工作在第二设定速率下并可动态切换系数实现多种形状不同的FIR滤波器。
8.根据权利要求1所述的多档数字滤波器，其特征在于，所述第一路由选择模块为一分二开关或一分三开关，所述第二路由选择模块二选一开关、三选一开关、三入二出开关或二入二出开关。
9.一种宽带数字接收机，其特征在于，所述宽带数字接收机包含如权利要求1-8任意一项所述的多档数字滤波器。
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16通道选频带通滤波器的设计与研究;丁德强;谢群;王鑫昊;丛培田;;成组技术与生产现代化(第02期);211-217 *
Design of a high-order single-loop Σ△ ADC followed by a decimator in 0.18μm CMOS technology;Di Li等;J. Semiconductor(第10期);331-337 *

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