認(rèn)知無線電中下變頻信號處理的頻譜研究

梁 爽，伍小芹

(1.西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 海口 570028)

認(rèn)知無線電中下變頻信號處理的頻譜研究

梁 爽1，伍小芹2

(1.西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570028)

針對認(rèn)知無線電中下變頻處理中的信號抽取過程對信號頻譜的影響進(jìn)行了研究，信號抽取由積分梳狀(CIC)濾波器、半帶(HB)濾波器及多相濾波器級聯(lián)而成，利用傅里葉變換對各環(huán)節(jié)處理后的信號頻譜進(jìn)行理論推導(dǎo)，得出各級抽取后信號頻譜的變化規(guī)律及各參數(shù)選擇要注意的問題。通過實(shí)驗(yàn)仿真，對整個(gè)抽取系統(tǒng)進(jìn)行測試，仿真結(jié)果表明，采樣率為fs的信號經(jīng)過3級抽取，且抽取倍數(shù)為DCIC·DHB·D多相時(shí)，輸出信號的采樣率變?yōu)閒s/(DCIC·DHB·D多相)，與理論推導(dǎo)結(jié)果一致，實(shí)現(xiàn)了多速率信號處理。

認(rèn)知無線電；積分梳狀濾波器；半帶濾波器；多相濾波器；頻譜分析

0 引言

數(shù)字下變頻技術(shù)是認(rèn)知無線電實(shí)現(xiàn)信號多速率處理的關(guān)鍵技術(shù)[1]，主要工作是將中頻載波上攜帶的有用信號搬移到基帶[2]，頻譜搬移是利用信號抽取完成的，先讓信號通過積分梳狀(CIC)濾波器和半帶(HB)濾波器，降低信號的采樣率，必要時(shí)還要經(jīng)過多相濾波器，以實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍[3]或非整數(shù)倍的采樣率變換[4]。

針對采樣信號的抽取、內(nèi)插、抽取和內(nèi)插結(jié)合的分?jǐn)?shù)倍采樣率變換的研究有很多[5]，大都是根據(jù)多采樣率信號處理理論進(jìn)行相應(yīng)的討論，沒有討論多個(gè)抽取濾波器的級聯(lián)。文獻(xiàn)[6]給出了一種典型的多速率信號處理結(jié)構(gòu)圖，對各環(huán)節(jié)進(jìn)行了討論，但沒有形成整個(gè)抽取系統(tǒng)，缺少整體可行性分析。文獻(xiàn)[7]利用窗函數(shù)法和特征濾波器法分別設(shè)計(jì)半帶濾波器，討論半帶濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。根據(jù)對文獻(xiàn)的分析，缺少對整個(gè)多速率信號處理系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)，單個(gè)濾波器容易實(shí)現(xiàn)，但在級聯(lián)時(shí)需要考慮相應(yīng)的問題[8]。本文從認(rèn)知無線電下變頻技術(shù)入手，討論了利用CIC濾波器、HB濾波和多相濾波器級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍或非整數(shù)倍采樣率變換的結(jié)構(gòu)，結(jié)合各濾波器的特征，對各抽取器的關(guān)鍵參數(shù)的選擇進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的整體仿真，完成了多采樣率的變換。

1 認(rèn)知無線電中的下變頻技術(shù)

認(rèn)知無線電中數(shù)字下變頻技術(shù)原理[9]如圖1所示，硬件處理是對接收到的射頻模擬信號進(jìn)行預(yù)處理，得到模擬中頻信號，對該模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采樣得到數(shù)字中頻信號，假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換后采樣率為fs[10]。將數(shù)字中頻信號與數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的復(fù)向量在正交數(shù)字混頻器中相乘，產(chǎn)生的信號包含低頻和高頻頻率成分[11]。由于信號采樣頻率可能會過高，后面的模塊無法達(dá)到這種速率，所以可以先讓信號通過CIC抽取和HB抽取濾波器，降低信號的采樣速率，再利用FIR濾波器對信號進(jìn)行整形，得到基帶信號進(jìn)行后續(xù)處理[12]。

圖1 數(shù)字下變頻技術(shù)原理

通過對數(shù)字下變頻原理及結(jié)構(gòu)的分析，將其中多速率信號處理部分單獨(dú)整理出一種多速率信號處理結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍或非整數(shù)倍抽取，在結(jié)構(gòu)中加入多相濾波器，如圖2所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)包括CIC濾波器、HB濾波器、FIR濾波器以及多相濾波器，它們在系統(tǒng)中分別有著不同的作用，一起完成信號抽取任務(wù)。

圖2 多速率信號處理結(jié)構(gòu)圖

2 各濾波器設(shè)計(jì)及頻譜分析

CIC濾波器可實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍抽取，HB實(shí)現(xiàn)2N倍的采樣率變換，F(xiàn)IR濾波器用來去除HB濾波器過寬的過渡帶造成的殘留頻率[13]，多相濾波器采用分?jǐn)?shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)非整數(shù)倍抽取。下面對CIC濾波器、HB濾波器、多相濾波器的設(shè)計(jì)及其頻譜進(jìn)行分析。

2.1 CIC濾波器設(shè)計(jì)及其頻譜分析

CIC濾波器的沖激響應(yīng)為[14]：

(1)

式中，M為濾波器的長度,對應(yīng)的系統(tǒng)幅頻特性為：

(2)

圖3 CIC濾波器長度對幅頻特性的影響

圖4 CIC級數(shù)對幅頻特性的影響

2.2 HB濾波器

HB濾波器是一種特殊的FIR濾波器，要求抽頭數(shù)N滿足N+1是4的整數(shù)倍[16]，且其沖擊響應(yīng)在偏移中心點(diǎn)的偶序號點(diǎn)上系數(shù)都取零，奇序號點(diǎn)上的系數(shù)關(guān)于濾波器的中心點(diǎn)呈現(xiàn)偶對稱[17]，這些特性使得在實(shí)現(xiàn)此類濾波器時(shí)節(jié)省近一半的乘法器數(shù)量。

不同階數(shù)的HB濾波器的幅頻特性如圖5所示，HB濾波器的過渡帶寬與其階數(shù)成反比，階數(shù)越小，通帶衰減快，同時(shí)過渡帶越寬，在多采樣率系統(tǒng)中會加大頻譜混疊影響。

圖5 不同階數(shù)的HB濾波器幅頻特性

2.3 CIC濾波器與HB濾波器比較

作為抽取濾波器，CIC濾波器與HB濾波器都能夠完成整數(shù)倍抽取，但是2種濾波器各有優(yōu)點(diǎn)。CIC濾波器只有加法器沒有乘法器，與一般的線性濾波器、非線性濾波器相比節(jié)省計(jì)算存儲存儲空間。HB濾波器節(jié)省一半的計(jì)算量，適合實(shí)時(shí)性處理[18]。利用Matlab仿真比較兩濾波器的計(jì)算效率，相同輸入信號，相同倍數(shù)抽取，Matlab仿真結(jié)果和仿真所用時(shí)間分別如圖6和圖7所示。

(a) CIC兩倍抽取時(shí)域結(jié)果

(b) CIC濾波器計(jì)算所用時(shí)間圖6 CIC兩倍抽取濾波器抽取結(jié)果與計(jì)算效率

(a) HB兩倍抽取時(shí)域結(jié)果

(b) HB濾波器計(jì)算所用時(shí)間圖7 HB兩倍抽取濾波器抽取結(jié)果與計(jì)算效率

圖6(a)和圖7(a)顯示2種濾波器都能實(shí)現(xiàn)2倍的采樣率變化，圖6(b)與圖7(b)分別是2種抽取濾波所用時(shí)間，通過對比可以發(fā)現(xiàn)HB抽取濾波器總時(shí)間為0.590 s，CIC抽取濾波器總時(shí)間為1.099 s，HB濾波器比CIC濾波器用時(shí)短，計(jì)算效率高。所以一般在信號變速率時(shí)，首先考慮的是利用HB濾波器。雖然HB濾波器具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是HB濾波器只能完成2N倍采樣率變換，實(shí)際采樣率變換并不一定2N倍，使得在很多環(huán)境下無法只利用HB濾波器完成采樣率變換，通常會與CIC濾波器相結(jié)合，抽取濾波器系統(tǒng)就可以完成任意整數(shù)倍的高效抽取頻率變換。

2.4 分?jǐn)?shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換多相濾波器

為實(shí)現(xiàn)信號的分?jǐn)?shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換，可先對輸入信號進(jìn)行整數(shù)I倍內(nèi)插，再進(jìn)行整數(shù)因子D倍抽取來實(shí)現(xiàn)[19]。為避免產(chǎn)生不必要的計(jì)算量，通常采用的采樣結(jié)構(gòu)如圖8所示，將下采樣過程省略，只需要控制多相內(nèi)插后的輸出轉(zhuǎn)向開關(guān)的位置即可。如果旋轉(zhuǎn)開關(guān)旋轉(zhuǎn)時(shí)，每隔D-1個(gè)端口切換一次，就能夠得到I/D的采樣率變換[20]。

圖8 分?jǐn)?shù)倍多相濾波器結(jié)構(gòu)

3 多速率信號處理系統(tǒng)的Matlab仿真

根據(jù)多速率信號處理系統(tǒng)中各個(gè)濾波器特性以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析，對圖2所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。假設(shè)輸入SINC信號，采樣頻率fs=4 kHz，選擇DCIC=5，DHB=4，多相濾波器I=3,D=5，從抽取倍數(shù)看即D多相=5/3，每個(gè)環(huán)節(jié)采樣率變化如圖9所示，最終輸出信號的采樣頻率為:

圖9 多速率信號處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)采樣率變化

在Matlab環(huán)境下，對整個(gè)多速率信號處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)頻域進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10 輸入信號的時(shí)域、頻域圖

圖11 經(jīng)過CIC后信號的時(shí)域、頻域圖

圖12 經(jīng)過HB后信號的時(shí)域、頻域圖

圖13 經(jīng)過多相濾波器后的時(shí)域、頻域圖

由仿真結(jié)果可知，抽取使得信號的時(shí)域縮短，從而導(dǎo)致頻域的展寬，理論上說信號進(jìn)行了N倍抽取之后，信號的頻譜也會對應(yīng)地展寬N倍。信號通過5倍CIC濾波器抽取后產(chǎn)生信號y1(n)，其幅頻特性的頻域相比輸入信號展寬了5倍，同理有了不同采樣率的輸出信號y2(n)，F(xiàn)IR濾波器只是對信號進(jìn)行整形，沒有對信號進(jìn)行抽取，因此y3(n)采樣率和y2(n)一樣，經(jīng)過多相濾波器后得到采樣率為3fs/100的信號y4(n)。

4 結(jié)束語

針對認(rèn)知無線電中下變頻處理中的信號抽取過程對信號頻譜的影響進(jìn)行了研究，對各抽取濾波器的設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，CIC濾波器、HB濾波器及多相濾波器都能實(shí)現(xiàn)采樣率的變換，但每種濾波器有各自的特點(diǎn)，CIC濾波器的長度會影響頻譜的主瓣寬度，級數(shù)會影響阻帶衰減，HB濾波器計(jì)算效率高，但只能完成2N倍采樣率變換，實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常會與CIC濾波器相結(jié)合，多相濾波器可以高效實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換。采樣率為fs的信號經(jīng)過3級抽取，且抽取倍數(shù)為DCIC·DHB·D多相時(shí)，輸出信號的采樣率變?yōu)閒s/(DCIC·DHB·D多相)，因此，這種多級抽取系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)認(rèn)知無線電中信號的下變頻技術(shù)，完成信號的多速率轉(zhuǎn)換。

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TheSpectrumStudyofDigitalDownConversioninCognitiveRadio

LIANG Shuang1,WU Xiao-qin2

(1.CollegeofTelecommunicationsEngineering,XidianUniversity,Xi’anShaanxi710071,China; 2.CollegeofInformationTechnology,HainanUniversity,HaikouHainan570028,China)

The impact of signal decimation on the signal spectrum during the digital down conversion in cognitive radio is studied.The digital signal decimation is composed of cascaded integrator comb (CIC) filter,half-band (HB) filter and poly-phase filer.In order to get the rule of the signal spectrum and know the matters of the parameter selection,the paper gives the theoretical derivation of the signal spectrum in each step by use of the Fourier transform.The test of the whole decimation system is carried by simulation.Both theoretical analysis and simulation results show that the three-stage cascaded decimation system can make the sampling ratefsof the input signal fall tofs/(DCIC·DHBD多相),which is consistent with the theoretical derivation,and the multi-rate conversion can be achieved.

cognitive radio;CIC filter;HB filter;poly-phase filter;spectrum analysis

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.04

梁爽，伍小芹.認(rèn)知無線電中下變頻信號處理的頻譜研究[J].無線電工程,2017,47(12):15-19.[LIANG Shuang,WU Xiaoqin.The Spectrum Study of Digital Down Conversion in Cognitive Radio[J].Radio Engineering,2017,47(12):15-19.]

TN914.3； TN911.72

A

1003-3106(2017)12-0015-05

2017-06-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61561017)；海南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20166214)。

梁爽女，(1995—)，碩士研究生。主要研究方向：無線通信。

伍小芹女，(1975—)，博士，副教授。主要研究方向：無線通信、數(shù)字信號處理。