應(yīng)用于寬帶信號(hào)接收的多相濾波正交變換技術(shù)

廖萬友

摘 要： 針對(duì)目前成熟的模擬正交變換處理的信號(hào)大多屬于窄帶信號(hào)，而數(shù)字處理方法中的希爾伯特正交變換受到帶寬限制，不能很好地應(yīng)用于中頻寬帶信號(hào)的接收。提出應(yīng)用多相濾波正交變換的方法實(shí)現(xiàn)中頻頻段寬帶信號(hào)的接收前端處理。該方法可很好地解決寬帶接收信號(hào)的數(shù)字下變頻正交變換的問題，并且適合在FPGA上實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工程實(shí)時(shí)處理。

關(guān)鍵詞： 多相濾波； 數(shù)字正交變換； 中頻寬帶信號(hào)； 前端處理

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）17?0055?03

Abstract： Since the signals processed by present mature simulation orthogonal transformation technology mostly belong to the narrow band signal， and Hilbert orthogonal transformation in the digital processing method is limited by bandwidth and can't be used in reception of the medium?frequency broadband signal， the method of using the poly?phase filtering orthogonal transformation to realize the receiving front?end processing of the medium?frequency broadband signal is proposed in this paper. This method is good for solving the problem of digital frequency conversions orthogonal transformation of broadband received signals and is suitable for implementation on FPGA and real?time processing in engineering.

Keywords： poly?phase filtering； digital orthogonal transformation； medium?frequency broadband signal； front?end processing

0 引 言

通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的信號(hào)正交變換（即將射頻信號(hào)變換為基帶同相和正交分量）在信號(hào)處理中具有重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）運(yùn)算速度日益提高，高精度和寬動(dòng)態(tài)范圍模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，以及現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）器件等性能更強(qiáng)大的新器件的不斷推出， 可以實(shí)現(xiàn)直接對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，得到所需的兩路正交信號(hào)。

傳統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)正交變換的技術(shù)為模擬正交分解。該方法的主要缺點(diǎn)是需要產(chǎn)生相互正交的兩個(gè)本振信號(hào)，當(dāng)這兩個(gè)本振信號(hào)產(chǎn)生誤差不能正交時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生虛假信號(hào)。文獻(xiàn)[1]中提到的數(shù)字正交變換常用方法有濾波法、希爾伯特變換法。這兩種方法原理上可以歸結(jié)為低通濾波法。低通濾波法的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)模擬處理方法有相似之處，只是將移頻放在A/D變換之后，對(duì)濾波器的階數(shù)要求較高。希爾伯特變換法和濾波法都是只對(duì)一路通道進(jìn)行濾波，另一路通道則保留原來的采樣值。這都會(huì)引起I/Q兩路幅度的不一致性和正交性的偏移，從而影響接收效果。

針對(duì)上述方法的不足，本文介紹一種利用多相濾波器[2]實(shí)現(xiàn)中頻寬帶信號(hào)數(shù)字正交變換的方法。這種方法采用雙路濾波。由于兩通道所用的濾波器為相同的原型濾波器，所以其頻響特性很相似，他們相對(duì)于理想濾波器的偏差不會(huì)直接帶來I/Q兩路的不一致。此外，該方法不僅不需要正交本振，而且后續(xù)的數(shù)字低通濾波器的階數(shù)也很低，大大減小了運(yùn)算量，易于實(shí)時(shí)處理。3 性能分析

在Matlab仿真中，通過與希爾伯特正交變換的比較，不難發(fā)現(xiàn)多相濾波變換法在寬帶信號(hào)接收方面有著無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：增加了接收機(jī)對(duì)不同信號(hào)的適應(yīng)性。這就更適合應(yīng)用于軟件寬帶接收機(jī)[6]前端。

與傳統(tǒng)的方法相比：一方面，由于它是直接對(duì)中頻進(jìn)行采樣，在數(shù)字信號(hào)中將它分為正交的I/Q信號(hào)，所以它能夠克服在傳統(tǒng)方法中由于I，Q通道中模擬器件和其他數(shù)字變換方法的不一致和穩(wěn)定性等造成的兩通道間的相位和幅度誤差；另一方面，A/D變換后的數(shù)據(jù)流，通過數(shù)據(jù)選擇器后分為奇數(shù)和偶數(shù)序列從而將數(shù)據(jù)流的速率降低了一半，等于A/D采樣頻率的降為1/2，易于后端的處理，而且后端的多相濾波器為小數(shù)延時(shí)插補(bǔ)波器，階數(shù)可以做得很低，因而可取得比較好的效果。

此外，多相濾波器的系數(shù)是從同一個(gè)低通濾波器的系數(shù)中有規(guī)律地選取出來的，具有相似的頻率特性，因?yàn)樗窃跀?shù)字域進(jìn)行信號(hào)處理，即使所設(shè)計(jì)的低通濾波器的濾波特性是非理想的，也不會(huì)給I/Q兩路信號(hào)的正交性帶來很大影響。

4 結(jié) 論

多相濾波正交變換技術(shù)應(yīng)用于寬帶接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理在中頻范圍內(nèi)的應(yīng)用，更靠近射頻接收端。從而可以利用軟件無線電技術(shù)思想，便于算法更新。接收機(jī)中頻及中頻以下的功能可以用軟件實(shí)現(xiàn)，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了系統(tǒng)的靈活性。同時(shí)，寬帶接收也是未來接收機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向：帶寬更寬，接收信號(hào)的適應(yīng)性更強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅星華，蘇濤.基于多相濾波原理的數(shù)字正交采樣技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（3）：28?30.

[2] 顏彪，許宗澤，鄒國梁.基于多相濾波的直接數(shù)字濾波器正交變換技術(shù)[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，9（1）：9?12.

[3] 聶仙娥，許愛國，趙河明，等.基于Matlab的FIR型希爾伯特變換器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（7）：113?116.

[3] 王永亮，高丙坤，陳云.基于多相濾波的數(shù)字正交變換[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，5（4）：184?187.

[4] 江春燕，周勝源，陳星.基于軟件無線電多相濾波的數(shù)字正交變換技術(shù)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（6）：89?92.

[5] 楊小華，姚遠(yuǎn)程.基于多相濾波的PCM/FM正交解調(diào)[J].通信技術(shù)，2011，44（11）：1?3.

[6] 陳大海，王洪，呂幼信.寬帶數(shù)字下變頻器的高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008，22（5）：43?46.

摘 要： 針對(duì)目前成熟的模擬正交變換處理的信號(hào)大多屬于窄帶信號(hào)，而數(shù)字處理方法中的希爾伯特正交變換受到帶寬限制，不能很好地應(yīng)用于中頻寬帶信號(hào)的接收。提出應(yīng)用多相濾波正交變換的方法實(shí)現(xiàn)中頻頻段寬帶信號(hào)的接收前端處理。該方法可很好地解決寬帶接收信號(hào)的數(shù)字下變頻正交變換的問題，并且適合在FPGA上實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工程實(shí)時(shí)處理。

關(guān)鍵詞： 多相濾波； 數(shù)字正交變換； 中頻寬帶信號(hào)； 前端處理

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）17?0055?03

Abstract： Since the signals processed by present mature simulation orthogonal transformation technology mostly belong to the narrow band signal， and Hilbert orthogonal transformation in the digital processing method is limited by bandwidth and can't be used in reception of the medium?frequency broadband signal， the method of using the poly?phase filtering orthogonal transformation to realize the receiving front?end processing of the medium?frequency broadband signal is proposed in this paper. This method is good for solving the problem of digital frequency conversions orthogonal transformation of broadband received signals and is suitable for implementation on FPGA and real?time processing in engineering.

Keywords： poly?phase filtering； digital orthogonal transformation； medium?frequency broadband signal； front?end processing

0 引 言

通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的信號(hào)正交變換（即將射頻信號(hào)變換為基帶同相和正交分量）在信號(hào)處理中具有重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）運(yùn)算速度日益提高，高精度和寬動(dòng)態(tài)范圍模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，以及現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）器件等性能更強(qiáng)大的新器件的不斷推出， 可以實(shí)現(xiàn)直接對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，得到所需的兩路正交信號(hào)。

傳統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)正交變換的技術(shù)為模擬正交分解。該方法的主要缺點(diǎn)是需要產(chǎn)生相互正交的兩個(gè)本振信號(hào)，當(dāng)這兩個(gè)本振信號(hào)產(chǎn)生誤差不能正交時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生虛假信號(hào)。文獻(xiàn)[1]中提到的數(shù)字正交變換常用方法有濾波法、希爾伯特變換法。這兩種方法原理上可以歸結(jié)為低通濾波法。低通濾波法的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)模擬處理方法有相似之處，只是將移頻放在A/D變換之后，對(duì)濾波器的階數(shù)要求較高。希爾伯特變換法和濾波法都是只對(duì)一路通道進(jìn)行濾波，另一路通道則保留原來的采樣值。這都會(huì)引起I/Q兩路幅度的不一致性和正交性的偏移，從而影響接收效果。

針對(duì)上述方法的不足，本文介紹一種利用多相濾波器[2]實(shí)現(xiàn)中頻寬帶信號(hào)數(shù)字正交變換的方法。這種方法采用雙路濾波。由于兩通道所用的濾波器為相同的原型濾波器，所以其頻響特性很相似，他們相對(duì)于理想濾波器的偏差不會(huì)直接帶來I/Q兩路的不一致。此外，該方法不僅不需要正交本振，而且后續(xù)的數(shù)字低通濾波器的階數(shù)也很低，大大減小了運(yùn)算量，易于實(shí)時(shí)處理。3 性能分析

在Matlab仿真中，通過與希爾伯特正交變換的比較，不難發(fā)現(xiàn)多相濾波變換法在寬帶信號(hào)接收方面有著無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：增加了接收機(jī)對(duì)不同信號(hào)的適應(yīng)性。這就更適合應(yīng)用于軟件寬帶接收機(jī)[6]前端。

與傳統(tǒng)的方法相比：一方面，由于它是直接對(duì)中頻進(jìn)行采樣，在數(shù)字信號(hào)中將它分為正交的I/Q信號(hào)，所以它能夠克服在傳統(tǒng)方法中由于I，Q通道中模擬器件和其他數(shù)字變換方法的不一致和穩(wěn)定性等造成的兩通道間的相位和幅度誤差；另一方面，A/D變換后的數(shù)據(jù)流，通過數(shù)據(jù)選擇器后分為奇數(shù)和偶數(shù)序列從而將數(shù)據(jù)流的速率降低了一半，等于A/D采樣頻率的降為1/2，易于后端的處理，而且后端的多相濾波器為小數(shù)延時(shí)插補(bǔ)波器，階數(shù)可以做得很低，因而可取得比較好的效果。

此外，多相濾波器的系數(shù)是從同一個(gè)低通濾波器的系數(shù)中有規(guī)律地選取出來的，具有相似的頻率特性，因?yàn)樗窃跀?shù)字域進(jìn)行信號(hào)處理，即使所設(shè)計(jì)的低通濾波器的濾波特性是非理想的，也不會(huì)給I/Q兩路信號(hào)的正交性帶來很大影響。

4 結(jié) 論

多相濾波正交變換技術(shù)應(yīng)用于寬帶接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理在中頻范圍內(nèi)的應(yīng)用，更靠近射頻接收端。從而可以利用軟件無線電技術(shù)思想，便于算法更新。接收機(jī)中頻及中頻以下的功能可以用軟件實(shí)現(xiàn)，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了系統(tǒng)的靈活性。同時(shí)，寬帶接收也是未來接收機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向：帶寬更寬，接收信號(hào)的適應(yīng)性更強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅星華，蘇濤.基于多相濾波原理的數(shù)字正交采樣技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（3）：28?30.

[2] 顏彪，許宗澤，鄒國梁.基于多相濾波的直接數(shù)字濾波器正交變換技術(shù)[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，9（1）：9?12.

[3] 聶仙娥，許愛國，趙河明，等.基于Matlab的FIR型希爾伯特變換器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（7）：113?116.

[3] 王永亮，高丙坤，陳云.基于多相濾波的數(shù)字正交變換[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，5（4）：184?187.

[4] 江春燕，周勝源，陳星.基于軟件無線電多相濾波的數(shù)字正交變換技術(shù)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（6）：89?92.

[5] 楊小華，姚遠(yuǎn)程.基于多相濾波的PCM/FM正交解調(diào)[J].通信技術(shù)，2011，44（11）：1?3.

[6] 陳大海，王洪，呂幼信.寬帶數(shù)字下變頻器的高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008，22（5）：43?46.

摘 要： 針對(duì)目前成熟的模擬正交變換處理的信號(hào)大多屬于窄帶信號(hào)，而數(shù)字處理方法中的希爾伯特正交變換受到帶寬限制，不能很好地應(yīng)用于中頻寬帶信號(hào)的接收。提出應(yīng)用多相濾波正交變換的方法實(shí)現(xiàn)中頻頻段寬帶信號(hào)的接收前端處理。該方法可很好地解決寬帶接收信號(hào)的數(shù)字下變頻正交變換的問題，并且適合在FPGA上實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工程實(shí)時(shí)處理。

關(guān)鍵詞： 多相濾波； 數(shù)字正交變換； 中頻寬帶信號(hào)； 前端處理

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）17?0055?03

Abstract： Since the signals processed by present mature simulation orthogonal transformation technology mostly belong to the narrow band signal， and Hilbert orthogonal transformation in the digital processing method is limited by bandwidth and can't be used in reception of the medium?frequency broadband signal， the method of using the poly?phase filtering orthogonal transformation to realize the receiving front?end processing of the medium?frequency broadband signal is proposed in this paper. This method is good for solving the problem of digital frequency conversions orthogonal transformation of broadband received signals and is suitable for implementation on FPGA and real?time processing in engineering.

Keywords： poly?phase filtering； digital orthogonal transformation； medium?frequency broadband signal； front?end processing

0 引 言

通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的信號(hào)正交變換（即將射頻信號(hào)變換為基帶同相和正交分量）在信號(hào)處理中具有重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）運(yùn)算速度日益提高，高精度和寬動(dòng)態(tài)范圍模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，以及現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）器件等性能更強(qiáng)大的新器件的不斷推出， 可以實(shí)現(xiàn)直接對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，得到所需的兩路正交信號(hào)。

傳統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)正交變換的技術(shù)為模擬正交分解。該方法的主要缺點(diǎn)是需要產(chǎn)生相互正交的兩個(gè)本振信號(hào)，當(dāng)這兩個(gè)本振信號(hào)產(chǎn)生誤差不能正交時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生虛假信號(hào)。文獻(xiàn)[1]中提到的數(shù)字正交變換常用方法有濾波法、希爾伯特變換法。這兩種方法原理上可以歸結(jié)為低通濾波法。低通濾波法的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)模擬處理方法有相似之處，只是將移頻放在A/D變換之后，對(duì)濾波器的階數(shù)要求較高。希爾伯特變換法和濾波法都是只對(duì)一路通道進(jìn)行濾波，另一路通道則保留原來的采樣值。這都會(huì)引起I/Q兩路幅度的不一致性和正交性的偏移，從而影響接收效果。

針對(duì)上述方法的不足，本文介紹一種利用多相濾波器[2]實(shí)現(xiàn)中頻寬帶信號(hào)數(shù)字正交變換的方法。這種方法采用雙路濾波。由于兩通道所用的濾波器為相同的原型濾波器，所以其頻響特性很相似，他們相對(duì)于理想濾波器的偏差不會(huì)直接帶來I/Q兩路的不一致。此外，該方法不僅不需要正交本振，而且后續(xù)的數(shù)字低通濾波器的階數(shù)也很低，大大減小了運(yùn)算量，易于實(shí)時(shí)處理。3 性能分析

在Matlab仿真中，通過與希爾伯特正交變換的比較，不難發(fā)現(xiàn)多相濾波變換法在寬帶信號(hào)接收方面有著無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：增加了接收機(jī)對(duì)不同信號(hào)的適應(yīng)性。這就更適合應(yīng)用于軟件寬帶接收機(jī)[6]前端。

與傳統(tǒng)的方法相比：一方面，由于它是直接對(duì)中頻進(jìn)行采樣，在數(shù)字信號(hào)中將它分為正交的I/Q信號(hào)，所以它能夠克服在傳統(tǒng)方法中由于I，Q通道中模擬器件和其他數(shù)字變換方法的不一致和穩(wěn)定性等造成的兩通道間的相位和幅度誤差；另一方面，A/D變換后的數(shù)據(jù)流，通過數(shù)據(jù)選擇器后分為奇數(shù)和偶數(shù)序列從而將數(shù)據(jù)流的速率降低了一半，等于A/D采樣頻率的降為1/2，易于后端的處理，而且后端的多相濾波器為小數(shù)延時(shí)插補(bǔ)波器，階數(shù)可以做得很低，因而可取得比較好的效果。

此外，多相濾波器的系數(shù)是從同一個(gè)低通濾波器的系數(shù)中有規(guī)律地選取出來的，具有相似的頻率特性，因?yàn)樗窃跀?shù)字域進(jìn)行信號(hào)處理，即使所設(shè)計(jì)的低通濾波器的濾波特性是非理想的，也不會(huì)給I/Q兩路信號(hào)的正交性帶來很大影響。

4 結(jié) 論

多相濾波正交變換技術(shù)應(yīng)用于寬帶接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理在中頻范圍內(nèi)的應(yīng)用，更靠近射頻接收端。從而可以利用軟件無線電技術(shù)思想，便于算法更新。接收機(jī)中頻及中頻以下的功能可以用軟件實(shí)現(xiàn)，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了系統(tǒng)的靈活性。同時(shí)，寬帶接收也是未來接收機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向：帶寬更寬，接收信號(hào)的適應(yīng)性更強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅星華，蘇濤.基于多相濾波原理的數(shù)字正交采樣技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（3）：28?30.

[2] 顏彪，許宗澤，鄒國梁.基于多相濾波的直接數(shù)字濾波器正交變換技術(shù)[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，9（1）：9?12.

[3] 聶仙娥，許愛國，趙河明，等.基于Matlab的FIR型希爾伯特變換器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（7）：113?116.

[3] 王永亮，高丙坤，陳云.基于多相濾波的數(shù)字正交變換[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，5（4）：184?187.

[4] 江春燕，周勝源，陳星.基于軟件無線電多相濾波的數(shù)字正交變換技術(shù)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（6）：89?92.

[5] 楊小華，姚遠(yuǎn)程.基于多相濾波的PCM/FM正交解調(diào)[J].通信技術(shù)，2011，44（11）：1?3.

[6] 陳大海，王洪，呂幼信.寬帶數(shù)字下變頻器的高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008，22（5）：43?46.