半带抽取有限冲激响应滤波器的应用设计及仿真
第30卷 第2期
2004年5月
大连海事大学学报
Journal of Dalian Maritime U niversity
Vol. 30,No. 2May , 2004
文章编号:100627736(2004) 0220057204
半带抽取有限冲激响应滤波器的应用设计及仿真
王 静, 杨 梅, 1
1
2
Ξ
(1. 大连海事大学信息工程学院, 2. 大显股份有限公司摘要和TMS320C54xDSP 集成开发环境CCS 软件实现了半带抽取有限冲激响应滤. 仿真结果表明, 半带抽取FIR 滤波器适用于多级滤波抽取的前级和中级抗混叠抽取滤波, 可极大减少运算量和存储器的使用, 但不适用于后级抽取滤波.
关键词:软件无线电接收机; 数字下变频器; 半带滤波器; 应用设计及仿真
中图分类号:TN924. 2; TN713. 4 文献标识码
:A
0 引 言
在全球海上遇险与安全系统(GMDSS ) 软件
[1]
无线电接收机设计中, 数字下变频器(DDC ) 的设计是非常关键的. 对于实际的通信系统来说,
实现DDC 所面临的问题是严峻的. 所设计的数字滤波器的要求带宽非常窄, 过渡带非常陡, 要实现这样的滤波器其系数将会达到几百甚至上千阶, 由此引起的滤波器延迟将很大, 并且系统的特性将会非常不稳定. 因此在实际设计中, 一般都需要多级滤波和抽取
, 逐级降低采样率, 同时也降低了对每一级抗混叠滤波器的要求. 半带(HB ) 抽取有限冲激响应(FIR ) 滤波器是一种实现DDC 的高效数字滤波器, 本文研究其性质、应用以及设计和仿真.
图1 半带滤波抽取器的单级实现
变化后不产生混叠失真, 必须将频率在f s Π4以上的频率分量全部滤掉, 如果滤除不干净, 这些频率分量将以f s Π4为中心折叠进入有用的频带. 现在考虑频率特性如图2(横坐标f 为模拟频率, ω为数字角频率) 所示的一种特殊FIR 滤波器, 它具有如下特性:
1 半带抽取FIR 滤波器的性质
图1为半带滤波抽取器的单级实现框图, 其中HB (Half 2Band ) 为半带滤波器, f s 为输入采样率, 而f s ′=f s Π2为输出采样率, 符号“2↓”表示2倍抽取. 一般来说, 为了保证滤波抽取器抽样率
Ξ收稿日期:[1**********]
图2 半带FIR 滤波器的频率特性
作者简介:王 静(19562) , 女, 山西绛县人, 副教授.
大连海事大学学报 第30卷
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(1) 通带波动δp 与阻带衰减δs 相等, 即δp =
δs ;
(2) 通带边频F p 与阻带边频F s 相对于f s Π4
对称, 即F p +F s =f s Π2.
此类FIR 数字低通滤波器称为HB FIR 滤波器. 显然, 当δs 足够小时,HB FIR 滤波器可用作抽取因子为2的滤波器. 因为此时(F s -f s Π4) 内的频率分量仅会折叠进(f s Π4-F p ) 频带内(即在滤波器的过渡带内) , 不会对感兴趣的(0～F p ) 通带内信号产生影响.
为了保证FIR , ) =h (N -1-n , 设N 为奇数. 另外, HB 滤波器系数除中心点[即n =(N -1) Π2+1点]外, 所有的h (n ) 的偶次系数均为零, 而且由于HB FIR 滤波器系数的对称性和近一半的系数为零, 使得滤波运算的乘法次数减少了近3Π4, 加法次数减少了近一半. 用于存放滤波器系数的存储器也减少了一半, 因而更有利于采用高效数字信号处理器(DSP ) 实时实现.
便完成了低通滤波和数据抽取, 其输出便是数据流降低了的正交数字基带信号I (m ) 、Q (m ) . 以卫星L 波段B 站、C 站接收机为例:1530～1545MHz 的射频信号经两次模拟下变频为80～95MHz 的模拟中频后, 经A ΠD 带通采样(采样率
f s =70MHz ) 变为数字中频信号, 每信道带宽20
kHz , f 0为每信道中心频率, f 0, 带
宽减半为10:5级CIC (1) 5级HB 滤D 2) , 再级联FIR 滤率D 3=7) , 总抽取率D =
1D 2D 3=1120, 输出数字基带信号采样率f s ′
5
为70MHz Π1120=62. 5kHz.
3 MA TLAB 设计和DSP 仿真
设计多级HB 滤波器要注意3个问题:一是每级带宽F p 不能小于信号带宽; 二是每级过渡带是可变的, 取决于每一级的输入采样率f s 及F p ; 三是如果对通带波动要求为δ, 则用特性相同的M 级实现时, 每一级的通带波动为δΠM . 图3中5级HB 滤波器的设计性能指标如下:总的输入采样率
f s1=70MHz Π5=14MHz ,5级HB 级联, 所以抽
2 半带抽取FIR 滤波器在数字
下变频器中的应用
本文设计的HB 滤波器应用在GMDSS 软件
无线电接收机的DDC 部分中, 其单信道DDC 如图3所示. 模拟中频信号经过模数转换器(A ΠD )
转换
取率D 2=2
5
=32, 总的输出采样率为f s2=
f s1ΠD 2=437. 5kHz , 每级模拟通带带宽均为10
kHz , 通带波动和阻带衰减均为δ=0. 001
(60dB ) . 采用最简单的窗口法设计5级HB 滤波
器, 先用MA TLAB 设计出滤波器系数h (n ) , 然后用TMS320C54x 的DSP 集成开发环境CCS 软件进行仿真.
经选择采用凯撒窗, 由于其通带太小, 用MA TLAB 设计的5级滤波器系数都基本相同, 均为11阶, 具体系数如下:
h (1) =h (11) =0. 0013, h (2) =h (10) =0. 0000, h (3) =h (9) =-0. 0386, h (4) =h (8) =0. 0000, h (5) =h (7) =0. 2870, h (6)
图3 单信道DDC 原理框图
=0. 5000
为数字中频信号, 输入到数字混频器中. 两个相乘器构成数字混频器, 数控振荡器(NCO ) 捕获跟踪多信道数字中频输入中的有用窄带数字信号的中心频率, 控制产生两个正交数字载频信号, 经相乘混频后的两路正交I (n ) 、Q (n ) 信号再分别经抗混叠高抽取滤波[由积分梳状(CIC ) 滤波抽取器和HB 滤波抽取器组成]及FIR 滤波抽取器处理,
由于TMS320C54x 是16位定点处理器, 在进行汇编程序设计时,FIR 滤波器系数需要采用
Q15格式, 即必须将上述系数转化为Q15定点格式, 这只要将滤波器各系数分别乘以2
15
=32768
即可, 换算结果如下:
h (1) =h (11) =42, h (2) =h (10) =0, h (3) =h (9) =-1264, h (4) =h (8) =0,
第2期 王 静, 等:半带抽取有限冲激响应滤波器的应用设计及仿真 59
h (5) =h (7) =9404, h (6) =16384.
kHz 的两个信号, 频率为7kHz 的信号被保留, 基
先用MA TLAB 设计滤波器的系数h (n ) , 再用CCS 软件来仿真该滤波器的功能(相关的主文件fir2. c , 系数文件test. h , 链接文件fir. cmd , tms320. h 文件,dsplib. h 文件和54xdsp. lib 文件此处略) . 仿真后所显示的第5级HB 滤波抽取器滤波前后和抽取后的时域波形和频域图形如图4所示, 左边为时域波形, 右边为频域图形, 从上到下依次为滤波前后输入信号、输出信号和抽取后的信号.
(1) 频域特性分析输入为7kHz 、300800的4, 427. 5kHz 的HB
, 500kHz 和800
本上达到了预期的滤波效果. 但是由于HB 滤波器的特性,300kHz 的信号不会被滤除, 只是衰减了其幅度, 可见HB 滤波器只适合用作中间滤波. 观察抽取后的频域图形, 虽然抽样率降为原来的一半, 但信号的频率成分不会变化. 对比图形, 其频率分量基本上保持不变, 达到了预期的效果.
(2) 时域特性分析, 比较杂, 7300kHz 的高频信号7kHz 的低频信号上; 而抽取后的信号还是保持了和滤波后未抽取信号一样的波形, 符合要求.
图4 输入Π输出Π抽取三部分信号的时域波形和频域图形
4 结束语
从上述设计与仿真结果分析可知,HB 抽取FIR 滤波器有将近一半的滤波器系数精确为零, 因此可用作DDC 多级滤波抽取的前级和中级抽取抗混叠滤波器, 这样可以大大减少运算量和减少存储器的使用, 有利于滤波过程的DSP 实时实现. 值得指出的是, 由HB 滤波器的频率特性可知, 它要求F s =f s Π2-F p , 即滤波器的过渡带为ΔF =F s -F P =f s Π2-2F p . 当信号通带F p 很小参 考 文 献:
时, 这种过渡带对于多级滤波抽取器的最后一级
来说往往过大, 不能满足滤波特性的总体要求, 因此不适合用作多级滤波抽取器的最后一级. 后级滤波器必须采用其他类型的FIR 滤波器. 对于后级滤波器而言, 信号经前级CIC 、HB 滤波抽取后, 输入采样速率相对来说已经很低了, 所以在一定的处理时钟速率下, 可采用更高阶的一般频率特性的FI R 滤波器, 使得其通带波动、过渡带带宽、阻带衰减等性能指标能够设计得更高, 从而满足滤波特性的总体要求.
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Application design and simulation of
HB decimation FIR f ilters
WAN G Jing , YAN G Mei ,L IU Tao
1
1
2
(1. Inf orm ation Eng . College ,Dalian Univ. , 2. Technol . Development Dept . , , Abstract :This article introduces GMDSS (G lobal Maritime Distress and Safety to HB (Half 2band ) decimation filter that is an design and simulation of HB decimation FIR (Finite Impulse Re 2sponse ) by using MA TLAB and the IDE (Integrated Development Environment ) CCS (Code Studio ) software of TMS320C54x DSP (Digital Signal Processor ) . The simulated results show that HB decimation filters which can greatly reduce the amount of operations and memories and are advantageous to the real 2time implementation of filtering are suited for the first and middle of anti 2aliasing decimation filters , but aren ’t suited for the last stages.
K ey w ords :softwareradio receiver ; digital down converter ; half 2band filters ; design and simulation (上接第56页)
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Equivalent circuit model and characteristics
of coreless PCB transformer
L I Ru 2lai ,ZHU Y i 2sheng
(Inf orm ation Eng . College , Dalian Maritime Univ. , Dalian 116026, China )
Abstract :It is required that the electronic equipment have high density , small volume and high operating frequency with the development of science and technology. The key is reducing volume and enhancing the operating frequency of the coreless PCB transformers. So the coreless PCB transformers are designed. The coreless PCB transformers get rid of the magnetic core in order that their volumes are reduced and their properties and integrated production are improved. The coreless PCB transformers have good high -fre 2quency characteristics. They have a good application future in modern micro -electronic elements and por 2table equipments. The paper will analyze the theories and study the performance of coreless PCB transform 2ers and structure , and then derive the equivalent circuit model of coreless PCB transformers according to the modern circuit theory. Finally the mathematical expressions of input impedance , output impedance and fre 2quency response will be derived , which is proved by experiments.
K ey w ords :corelessprinted circuit board transformer ;
equivalent circuit model ; mathematical expressions