高速信號抽取抗混疊濾波器的設(shè)計

李漢陽

摘要：在通信系統(tǒng)中，常見數(shù)字接收機(jī)解調(diào)器中經(jīng)常會遇到高速信號抽取的問題，這就會用到多速率數(shù)字信號處理技術(shù)。在抽取前，需要設(shè)計合適的抗混疊濾波器對信號進(jìn)行濾波處理。在抽取倍數(shù)較大的情況下，濾波器階數(shù)較多，其延遲時間和硬件消耗較大。本文提出了一種級聯(lián)濾波結(jié)構(gòu)，按照文中的參數(shù)，在同樣的濾波效果下，方案復(fù)雜度降低了90.7%。

關(guān)鍵詞：高速率信號 抗混疊 濾波器

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

通信系統(tǒng)中，常見數(shù)字接收機(jī)解調(diào)器中經(jīng)常會遇到高速信號抽取的問題，這就會用到多速率數(shù)字信號處理技術(shù)。在抽取前，需要設(shè)計合適的抗混疊濾波器對信號進(jìn)行濾波處理。在抽取倍數(shù)較大的情況下，濾波器階數(shù)較多，其延遲時間和硬件消耗較大。本文提出了一種級聯(lián)濾波結(jié)構(gòu)，在同樣的濾波效果下，降低了信號處理的方案復(fù)雜度。

1參數(shù)設(shè)置

為了更好地描述上述問題，本文以以下的參數(shù)為例進(jìn)行分析。令接收端接收到載波頻率為30MHz的模擬信號，ADC芯片以24MHz的采樣頻率對模擬信號進(jìn)行帶通采樣，采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入解調(diào)器，進(jìn)行的6MHz的數(shù)字正交下變頻，信號帶寬為50KHz，正交下變頻后信號采樣率為24MHz。24MHz的信號需要經(jīng)過100倍降采樣后采樣率為240KHz的信號，處理后再次經(jīng)過40倍采樣用于其他處理。

2 100倍抽取方案設(shè)計

解調(diào)器涉及到多速率數(shù)字信號處理技術(shù)，100倍降采樣及40倍降采樣都需要考慮信號的混疊問題，需要設(shè)計合適的抗混疊濾波器在抽取前對信號進(jìn)行濾波處理。首先討論100倍降采樣濾波器設(shè)計。抽取前采樣率為24MHz，抽取比例100，抽取后采樣率為240KHz。由s上節(jié)的參數(shù)可知，倍抽取前抗混疊濾波器阻帶頻率不能大于120KHz，從而保證抽取后信號不會發(fā)生混疊。利用Matlab濾波器設(shè)計和分析工具fdatool對濾波器進(jìn)行設(shè)計，參數(shù)設(shè)置見表1。

由表1可知，在24MHz的采樣率下，一次性實現(xiàn)100倍降采樣需要抗混疊濾波器階數(shù)為1716，意味著輸入數(shù)據(jù)要與濾波器系數(shù)做1716次乘法及加法，硬件資源消耗大，濾波器延遲時間長。

為了解決上述的多次乘法的問題，可將抽取過程分解為5*5*4倍抽取的級聯(lián)實現(xiàn)100倍降采樣過程：第一次倍抽取無需抗混疊濾波器（信號截止頻率為2.4MHz，噪聲最大帶寬為0.5MHz，小于截止頻率）；第二次倍抽取僅需要39階濾波器；第三次倍抽取僅需要69階濾波器；對比以上兩種方案，第二種級聯(lián)方案實現(xiàn)簡單，資源消耗小。其參數(shù)設(shè)置見表2。通過計算可知，采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)后，所需的乘法次數(shù)為39+69=108次，其方案復(fù)雜度降低了93.7%。

3 40倍抽取過程

從以上可以看出，采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)的濾波器比直接抽取濾波器階數(shù)小，設(shè)計簡單，節(jié)省硬件資源。100倍抽取采用5*5*4倍抽取級聯(lián)的形式完成，40倍抽取則采用5*5*2倍抽取級聯(lián)的形式完成，其參數(shù)設(shè)置見表3所示?？芍?，40倍的抽取采用多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)后，方案復(fù)雜度降低了（363-46-25-17）/363=75.7%。總體方案復(fù)雜度降低了90.5%。

4 其他降低復(fù)雜度的方案

此外，可以將5倍、4倍、2倍抽取利用多相濾波實現(xiàn)，不僅降低對實時處理的要求因此，而且模塊可以實現(xiàn)復(fù)用，提高效率。工程應(yīng)用中，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計對資源要求比較高時，可以選擇使用半帶濾波器和CIC濾波器實現(xiàn)濾波及抽取過程。對于40倍抽取來說，可以采用CIC濾波器實現(xiàn)5倍抽取，三級半帶濾波器級聯(lián)實現(xiàn)8倍抽取，每級濾波器系數(shù)10階左右，資源消耗低，計算速度快；若系統(tǒng)對實時處理要求很高，則建議采用多相濾波結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的實時處理能力及吞吐量。

5結(jié)語

本文提出了一種級聯(lián)濾波結(jié)構(gòu)，在同樣的濾波效果下，將100倍抽取采用5*5*4倍抽取級聯(lián)的形式完成，40倍抽取采用5*5*2倍抽取級聯(lián)的形式完成，對兩種抽取分別降低了93.7%和75.7%，總體方案復(fù)雜度降低了90.7%，很好地減少了資源的消耗并降低了信號處理的延遲時間。

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