软件无线电中数字下变频技术研究

张红福

【摘要】 根据软件无线电理论和多速率数字信号处理原理完成了对数字下变频系统方案的设计，包括混频、NCO、滤波器组的设计。重点研究了用于降速处理的抽取理论，并深入研究了一种高效的滤波器——级联积分梳状（CIC）滤波器，CIC滤波器作为抽取滤波器实现可编程抽取，CIC滤波器不需要乘法器，不需要存储滤波器系数，仅使用延时和加法操作，因而很适合采用FPGA实现；半带滤波器（Half-Band Filter）在多速率信号处理中占有重要的地位，这种滤波器特别适于实现2的n次幂倍的抽取，计算效率高，实时性强；数字下变频的多级高效数字滤波器模块中，最后一级一般要使用FIR整形滤波器对整个信道进行整形，尽可能让期望信号通过，同时尽可能抑制无用信号。

【关键词】 软件无线电 数字下变频 数控震荡器 CIC滤波器 HBF FIR滤波器

一、引言

随着移动通信的快速发展，一種新型的无线通信系统被提出，这种新系统叫做软件无线电，它实现了无线通信大的突破，代表了未来无线发展的方向。

二、数字变频相关理论

1、多速率信号处理理论。软件无线电的中心思想是将宽带模数装换器和数模转换器尽可能接近天线端，因此好的软件无线电结构需要ADC的采样率很高。但是随着AD采样速率的提高，就会导致采样后的数据流速率很高，造成后续信号处理的速度要求很高。解决这一问题须要采用多速率信号处理方法，该方法的关键在于抽取和内插两种技术。

2、数字滤波器理论。半带滤波器（Half-Band Filter）[2]在多速率信号处理中被广泛应用。因为这种滤波器的处理效率很高，实时性好，特别适合完成 D = 2M倍的抽取。半带滤波器的冲激响应h（k）除了零点不为零外，在其余偶数点均为零，所以采纳半带滤波器来实现取样率变换时，仅仅要求很少的计算量，但却有很高好的效率，很适合于进行实时处理。用其可以完成两倍内插，减少了很大的计算量，提高了效率。当其抽取率为2的幂次方时，就可以采用多个半带滤波器级联的方法，是很有效率的。

3、正交数字混频理论。正交数字混频[5]，就是将模数转换器转换后的信号经串并变换电路变成两路信号，一个信号乘以余弦波，下变频到零中频附近，形成与初始信号相位相同的信号；另一个信号乘以经过九十度相移的正弦波，也下变频到零中心频率附近，形成与原信号相位正交的信号，实现数字的混频。

三、下变频系统方案设计

1、系统要求。本设计中数字下变频主要要实现的功能包括3个方面：1）数字变频。将要处理的数字信号（符号速率64KHz）与数控振荡器产生的正交本振信号（采样率97.536MHz，载频24.384MHz）通过数字混频器相乘，生成I/ Q两路混合频率信号，将需要的信号下变频到中等频率；2）低通滤波。滤除所需频带带外信号，提取需要的信息，同时按照系统要求对信号滤波整形；3）采样速率转换（采样率由97.536MHz转变为64KHz）。通过多级抽取滤波降低信号的采样速率，减小对后续DSP的压力。

2、方案设计。将信源产生的I/Q两路信号（采样率为64KHz）与数控振荡器产生的正交本振信号（采样率97.536MHz，载频24.384MHz）通过数字混频器相乘，再经过数字加法器相加完成数字上变频（DUC）。得到的上变频的信号再分别与数控振荡器[6]产生的正交本振信号通过数字混频器相乘得到I/Q两路混频信号。分别将两路信号经过数字滤波器组滤除带外信号，提取有用信息，同时完成信号采样率的变换，恢复出信源信号完成数字下变频。

3、混频的结构。混频的目的在于将输入的数字信号频谱搬移，降低有用信号频率。数字信号一路乘以正弦波，下变频到零中心频率上，形成与原信号相位相同的信号；另一路乘以经过90°相移的正弦波，下变频到零中心频率上，形成与原信号正交的相位成分。其中，NCO的作用是产生频率相同相位正交的正（余）弦信号。因此，滤除高频部分同时降低基频部分的采样速率就成为下面要解决的问题。

4、抽取和滤波结构。

抽取的目的：降低信号的采样速率。

滤波的目的是：1）防止频谱混叠；2）提取有用信号；3）实现对信号的滤波整形[7]。

为了实现多级抽取滤波，可以充分利用前面介绍的两种高效的数字滤波器——积分梳状滤波器（CIC）和半带滤波器（HBF）。由于CIC滤波器无需乘法运算，可以实现高速滤波，因而CIC滤波器一般用在输入采样率最高的第一级，半带滤波器虽然有乘法，但运算量只相当于普通FIR滤波器的一半，所以HBF滤波器一般用在中等输入采样率的第二级，经过前两级的抽取滤波后，采样率已明显降低，随后的滤波器要根据系统的要求对信号进行滤波整形，通常用普通的FIR滤波器来实现。根据以上的研究和分析，确定本系统滤波的实现结构。从24.39MHz模拟中频带通采样、并进行数字下变频到64Kbps符号率的变换过程，1536倍采样率抽取分三级来实现，1536=3×26×8。积分梳状滤波器（CIC）完成第一级3倍抽取滤波，半带滤波器（HBF）实现后面的26倍抽取滤波，第三级普通的 FIR 滤波器完成最后的8倍抽取同时进行滤波整形，整个抽取过程被实现。

结论：本文主要对软件无线电中的数字下变频技术进行了研究，在研究相关理论的基础上，分析了数字下变频结构及实现方法。经过仿真，达到了设计要求，证明了系统的可行性。

参 考 文 献

[1] 张建，向敬成.软件无线电技术导论[M].成都：电子科技大学出版社，2001

[2] 程佩青.数字信号处理教程（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2001

[3] 宗孔德.多抽样率信号处理[M].北京：清华大学出版社，1996：4-30

[4] 胡广书编著.数字信号处理.北京：清华大学出版社，2003

[5] 杨小牛，楼才义，徐建良. 软件无线电原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2003

[6] 赵荣黎，王庭昌，李承恕译，软件无线电体系结构.北京：机械工业出版版社，2003

[7] 郭福成，皇甫堪，李纲.数字下变频实现技术研究[J].国防科技大学学报，2000，20 （5）：95-97