专利名称：一种任意抽取滤波装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于数字采集信号抽取滤波的装置，具体的说是一种任意抽取滤波装置。
背景技术：
软件无线电是指宽带A/D、D/A尽可能靠近天线，用数字信号处理实现尽可能多的
无线电功能。随着模-数转换器(ADC)技术和高速数字信号处理(DSP)技术的发展，对于
中频信号和基带信号处理采用FPGA等硬件逻辑实现数字信号处理已经成为可能。 对于中频信号(IF)的数字处理通常包括数字下变频、抽取滤波器、数字本振信号
发生器等信号处理模块。因此，通过抽取滤波器实现对感兴趣的窄带信号选择和速率变换
是相当重要的信号处理过程，而采用可编程硬件器件来实现实时速率变换是高速信号处理
的有效方法。 目前，对于实现非整数倍抽取滤波的数字下变频器，著名的有Harris公司制造的 器件HSP50214，其最小抽取比为4，不能实现1 4倍任意抽取。该器件采用CIC滤波器和 HB滤波器实现整数倍抽取，然后级联重采样滤波器实现非整数倍转换，采用可编程FIR滤 波器实现通带的下降补偿。其缺点在于由于CIC滤波器和HB滤波器造成的处理增益引起 数据位数的扩展使得重采样的实现要相对复杂；同时采用FIR滤波器补偿CIC的通带下降， 造成FIR滤波器设计要相对复杂一些；尤其涉及到FIR滤波器作为脉冲整形滤波时，这需要 大量的抽头，设计和实现更加复杂。 对于补偿CIC滤波器引起的通带下降，在专利发明"抽取滤波装置和方法"(公开 日期2001年2月28号，公开号CN 1285975A)中采用了 IS0P滤波器，该方法需要复杂的 线性编程设计ISOP滤波器，增加了设计复杂度。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种任意抽取滤波装置，利 用多项式内插滤波器和级联的抽取滤波器组相结合完成任意抽取滤波，利用HB滤波器来 补偿CIC滤波器引起的通带下降，分数倍抽取和整数倍抽取之后的FIR滤波器设计时仅考 虑脉冲整形，不需要考虑补偿抽取滤波器的通带下降，降低FIR滤波器的抽头数目和设计 复杂度。 为达到以上目的，本发明采取的技术方案是
—种任意抽取滤波装置，其特征在于包括以下部分 多项式内插滤波器202，输出端与级联的抽取滤波器组201的输入端连接，用于实 现1 2倍分数倍抽取滤波； 级联的抽取滤波器组201，包括CIC滤波器203和HB滤波器204， CIC滤波器203 的输入端与多项式内插滤波器202的输出端连接，HB滤波器204的输出端与可编程FIR滤 波器205的输入端连接，用于实现2n整数倍抽取滤波；[ooi3:
可编程FIR滤波器205，用于实现脉冲整形。
在上述技术方案的基础上，所述多项式内插滤波器202的传输函数为
-■A/72 M-l
Hm(zM)表示多相分量，是一个分数延迟采样的M子带全通滤波器，增益为1/M。 在上述技术方案的基础上，所述CIC滤波器203为5级级联CIC滤波器，所述HB 滤波器为5级级联半带滤波器；
5级级联CIC滤波器的系统函数为
1 1 —
其中，D为抽取整数因子，差分延迟R取值为1，级数L取值为5 ; 5级级联半带滤波器，每一级在归一化频率中，技术指标如下
通带:f G
，
阻带f G
，
波纹对于通带和阻带分别为、和S2，
条件第一级到第五级半带滤波器的通带截止频率fp依次为0. 0625fp、0. 125fp、 0. 25fp、0. 5fp、fp。 本发明所述的任意抽取滤波装置，利用多项式内插滤波器和级联的抽取滤波器组 相结合完成任意抽取滤波，利用HB滤波器来补偿CIC滤波器引起的通带下降，分数倍抽取 和整数倍抽取之后的FIR滤波器设计时仅考虑脉冲整形，不需要考虑补偿抽取滤波器的通 带下降，降低FIR滤波器的抽头数目和设计复杂度。 本发明有如下附图
图1 一般带有抽取滤波处理的数字下变频结构的示意图。 图2整个抽取滤波装置的结构示意图。 图3多项式内插滤波器farrow实现结构。 图4多项式内插滤波器频率响应的示意图。 图5CIC滤波器的结构示意图。 图65级HB滤波器的结构示意图。 图7CIC滤波器频率响应的示意图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。 图1为一般带有抽取滤波处理的数字下变频结构的示意图。ADC量化后的宽带中 频信号首先与正交的两路数字本振信号混频，把中频信号变频到零中频信号(也称基带信 号)，获得两路正交的信号，分别为I通道和Q通道。两路正交的信号先经过抽取滤波器，再 经过FIR滤波器对信号进行滤波处理后输出。数字下变频器中，抽取滤波器的作用是改变 滤波器带宽，以达到抑制带外噪声，从而从宽带中频输入信号中分离信号的目的。抽取滤波
4器也用于改变信号的输出取样速率，以适应数字调制信号的码元速率，完成数字调制信号 的解调。FIR滤波器用于脉冲整形或匹配滤波。 为了达到任意抽取滤波的目的，本发明给出了一种任意抽取滤波装置，如图2所 示，包括以下部分 多项式内插滤波器202，输出端与级联的抽取滤波器组201的输入端连接，用于实 现1 2倍分数倍抽取滤波； 级联的抽取滤波器组201，包括CIC滤波器203和HB滤波器204， CIC滤波器203 的输入端与多项式内插滤波器202的输出端连接，HB滤波器204的输出端与可编程FIR滤 波器205的输入端连接，用于实现2n整数倍抽取滤波；
可编程FIR滤波器205，用于实现脉冲整形。 在上述技术方案的基础上，所述多项式内插滤波器202的传输函数为
//(Z) = +m/fffl (,)， Hm(zM)表示多相分量，是一个分数延迟采样的M子带全通滤波器，增益为1/M。 在上述技术方案的基础上，所述CIC滤波器203为5级级联CIC滤波器，所述HB
滤波器为5级级联半带滤波器； 5级级联CIC滤波器的系统函数为
1 1 —z一训i [画],=卜z—!)丄， 其中，D为抽取整数因子，差分延迟R取值为l，级数L取值为5 ; 5级级联半带滤波器，每一级在归一化频率中，技术指标如下 通带:f G
， 阻带f G
， 波纹对于通带和阻带分别为S工和S 2， 条件第一级到第五级半带滤波器的通带截止频率fp依次为0. 0625fp、0. 125fp、 0. 25fp、0. 5fp、fp。 如上所述，本发明采用多项式内插滤波器202 (实现1 2倍抽取)和级联的抽取 滤波器组201(实现2n倍抽取)相结合完成任意抽取滤波。输入信号首先通过多项式内插 滤波器202，然后通过级联的抽取滤波器组201，最后通过可编程FIR滤波器205完成脉冲 整形后输出。其中级联的抽取滤波器组202由5级CIC滤波器203和5级HB滤波器204组 成，HB滤波器用于补偿CIC滤波器引起的通带下降，同时用于2、4、8、16、32倍的抽取滤波。
5级CIC滤波器203和5级HB滤波器204共同实现2n整数倍抽取滤波，具体实施 是当实现2、4、8、 16、32倍抽取时，由5级HB滤波器实现，5级CIC滤波器设置抽取比为1 ; 当实现大于32倍的2n整数倍抽取时，由5级CIC滤波器和5级HB滤波器共同实现，其中5 级HB滤波器实现32倍抽取。 本发明所述多项式内插滤波器202是将理想内插滤波器的冲激响应函数ha(t)在 每个采样间隔内采用多项式逼近设计成的离散时间内插滤波器。该冲激响应的时域表达式 如下
5
<formula>formula see original document page 6</formula> 其中n = _N/2，-N/2+1 ，......，N/2-l，i^G (-l，l)。从式中可以看出对于每一
个n，单位冲激响应就是一个M次的多项式。多项式的系数Cm(n)即为滤波器的固定系数。
P i是唯一一个可调整的参数。由冲激响应的表达式可知，该内插滤波器可以采用Farrow
结构来实现，图3是显示多项式内插滤波器farrow实现结构。本发明中，多项式内插滤波
器只需要完成1 2倍抽取即可，图4是显示多项式内插滤波器频率响应的示意图。 如图2所示，级联的抽取滤波器组采用5级CIC滤波器203和5级HB滤波器204
共同实现。可编程FIR滤波器(205)仅用于脉冲整形或匹配滤波。图5是显示5级CIC滤
波器的结构示意图。本发明所示的5级CIC滤波器的系统函数为
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
由系统函数可知，5级CIC滤波器的结构如图5所示。 图6是显示5级HB滤波器的结构示意图。输入信号经过第一级半带滤波器(601) 滤波，然后经过2倍抽取，通过选择器选择输入到第二级半带滤波器(602)，第二级半带滤 波器(602)输出经过2倍抽取后通过选择器选择输入到第三级半带滤波器(603)，第三级半 带滤波器(603)输出经过2倍抽取后通过选择器选择输入到第四级半带滤波器(604)，第四 级半带滤波器(604)输出经过2倍抽取后通过选择器选择输入到第五级半带滤波器(605)， 第五级半带滤波器(605)输出通过2倍抽取后再输出。选择器表示每一级HB滤波器输入 均可以选择前一级输出信号或者输入信号。 本发明所述的5级HB滤波器的工作过程如下当实现2倍抽取时，由第五级半带 滤波器605实现；当实现4倍抽取时，由第四级604和第五级半带滤波器605级联实现；当 实现8倍抽取时，由第三级603、第四级604和第五级半带滤波器605级联实现；当实现16 倍抽取时，由第二 602级、第三级603、第四级604和第五级半带滤波器605级联实现；当实 现32倍抽取时，由五级半带滤波器级联实现。 图7是显示5级CIC滤波器频率响应的示意图。CIC滤波器的系统函数是 <formula>formula see original document page 6</formula>
其中，D为抽取整数因子，差分延迟R取值为l，级数L取值为5。 CIC滤波器的带
宽比例因子b二 "乂(2ji/D)，巧表示信号可用带宽。(参考杨小牛，楼才义，徐建良，"软
件无线电原理与应用"一书第47页，电子工业出版社，2006年9月第6次印刷)。根据传输
函数，当带宽比例因子小于1/32时，信号可用带宽巧内通带衰减小于O. 07dB。 本发明中当CIC滤波器抽取比大于1时，后级必然采用了 5级半带滤波器完成32
倍抽取，因此带宽比例因子小于1/32，通带衰减小于0. 07dB。当通带衰减指标不满足设计
要求时，可以增加半带滤波器的级数。采用多少级CIC滤波器和多少级半带滤波器视抽取
系统性能要求而定。这样在末级的可编程FIR滤波器在满足应用系统性能的要求下，可以
不需要考虑抽取滤波器造成的通带性能下降，对于多标准通信系统中，大大降低了FIR滤
波器设计的复杂度，从而设计出满足不同过渡带宽和不同形状的整形滤波器。 假设预定抽取比为D， D为大于等于1的任意有理数。D分解为丄2W' .2^ ，其中dG [1，2)，K为大于等于0的整数，^取值仅为1、2、3、4、5。 d倍抽取由多项式内插滤波器 (202)实现，2M咅抽取由CIC滤波器(203)实现，2^由HB滤波器(204)实现。当(N,N2)《5 时，K取值为0，当(N,N2)大于5时，N2取值为5。
整体抽取滤波器设计举例一 当ADC的取样速度固定为Fs = lOOMsps，我们希望抽取滤波装置的数据输出速率 为1. 75Msps。此时我们所希望的抽取因子D = 100/1. 75 = 400/7。将抽取因子分解为D =(25/14) X32。将多项式内插滤波器(202)设置成(25/14)倍的抽取，由于32等于25， 所以将CIC滤波器(203)抽取比设置为1，5级HB滤波器组(204)设置成32倍抽取，可编 程FIR滤波器(205)用于脉冲整形。
整体抽取滤波器设计举例二 数字化中频的频谱分析仪中，设计要求是中频滤波器带宽(在频谱分析仪中通常
称为分辨率带宽)可根据用户自由设置，在FPGA中通过该抽取滤波装置可以任意改变采样
速率，从而改变中频滤波器带宽。 归一化频率中，抽取系统技术指标要求 抽取比范围1 65536 通带截止频率0. 4 阻带截止频率0. 5 通带波纹0. 2dB 阻带抑制〉80dB 可以按照级联滤波器的设计原则，分配每一级滤波器的通带和阻带技术指标。本 专利涉及的CIC滤波器(202)是5级，因此通带波纹为0. 07dB。 抽取滤波器设计完成，在抽取系统应用过程中，当需要抽取比在[1，2)倍时，将多 项式内插滤波器(202)设置为抽取比[1，2)， CIC滤波器(203)和HB滤波器(204)设置为 旁路。FIR滤波器设计为频谱分析仪中要求的高斯响应滤波器。 当需要抽取比在[2，4)倍时，将多项式内插滤波器(202)设置为抽取比[1，2)，CIC 滤波器(203)设置为旁路，HB滤波器(204)设置为2倍抽取。FIR滤波器设计为频谱分析 仪中要求的高斯响应滤波器。例如抽取比D = 3. 47，则HB滤波器(204)设置为2倍抽取， 多项式内插滤波器(202)设置为D/2 = 3. 47/2 = 1. 735倍抽取。 当需要抽取比分别为[4，8)倍、[8，16)倍、[16，32)倍、[32，64)倍时，将多项式内 插滤波器(202)设置为抽取比[1，2)，CIC滤波器(203)设置为旁路，HB滤波器(204)设置 分别为4倍、8倍、16倍、32倍抽取。FIR滤波器设计为频谱分析仪中要求的高斯响应滤波 器。 当需要抽取比在大于64倍时，将多项式内插滤波器(202)设置为抽取比[1，2)， CIC滤波器(203)设置抽取比为2N(N为整数)，HB滤波器(204)设置为32倍抽取。FIR滤 波器设计为频谱分析仪中要求的高斯响应滤波器。例如希望抽取比为800。将抽取因子分 解为D = (25/16) X 16X32。将多项式内插滤波器(202)设置成(25/16)倍的抽取，将CIC 滤波器(203)抽取比设置为16， 5级HB滤波器组(204)设置成32倍抽取。
抽取滤波器包括多项式内插滤波器，用于实现(1 2)分数倍抽取滤波；CIC滤 波器和HB滤波器，用于实现2n倍抽取滤波；HB滤波器，用于补偿CIC滤波器引起的通带下降，同时用于2、4、8、16、32倍的抽取滤波；可编程FIR滤波器，用于脉冲整形。
权利要求
一种任意抽取滤波装置，其特征在于包括以下部分多项式内插滤波器(202)，输出端与级联的抽取滤波器组(201)的输入端连接，用于实现1～2倍分数倍抽取滤波；级联的抽取滤波器组(201)，包括CIC滤波器(203)和HB滤波器(204)，CIC滤波器(203)的输入端与多项式内插滤波器(202)的输出端连接，HB滤波器(204)的输出端与可编程FIR滤波器(205)的输入端连接，用于实现2n整数倍抽取滤波；可编程FIR滤波器(205)，用于实现脉冲整形。
2. 如权利要求l所述的任意抽取滤波装置，其特征在于所述多项式内插滤波器(202)的传输函数为<formula>formula see original document page 2</formula>Hm(zM)表示多相分量，是一个分数延迟采样的M子带全通滤波器，增益为1/M。
3. 如权利要求l所述的任意抽取滤波装置，其特征在于所述CIC滤波器(203)为5级级联CIC滤波器，所述HB滤波器为5级级联半带滤波器；5级级联CIC滤波器的系统函数为其中，D为抽取整数因子，差分延迟R取值为1 ，级数L取值为5 ;5级级联半带滤波器，每一级在归一化频率中，技术指标如下通带:f G
，阻带f G
，波纹对于通带和阻带分别为、和S2，条件第一级到第五级半带滤波器的通带截止频率fp依次为O. 0625fp、0. 125f,0. 25fp、0. 5fp、fp。
全文摘要
一种任意抽取滤波装置，包括以下部分多项式内插滤波器用于实现1～2倍分数倍抽取滤波；级联的抽取滤波器组用于实现2n整数倍抽取滤波，包括级联的CIC(积分器-梳状)滤波器和HB(半带)滤波器，CIC滤波器的输入端与多项式内插滤波器的输出端连接，HB滤波器的输出端与可编程FIR(有限冲激响应)滤波器的输入端连接；可编程FIR滤波器用于实现脉冲整形。本发明所述的任意抽取滤波装置，利用多项式内插滤波器和级联的抽取滤波器组相结合完成任意抽取滤波，利用HB滤波器来补偿CIC滤波器引起的通带下降，分数倍抽取和整数倍抽取之后的FIR滤波器设计时仅考虑脉冲整形，不需要考虑补偿抽取滤波器的通带下降，降低FIR滤波器的抽头数目和设计复杂度。
文档编号H03M1/12GK101719769SQ20091022321
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者周兆运, 孟庆立, 张超, 战云, 许建华 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所