現(xiàn)代通信系統(tǒng)中數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方法研究.pdf

1、眾所周知，數(shù)字濾波器在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)要求寬帶、實(shí)時(shí)處理、集成化和低功耗的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)字濾波器的性能提出了非常高的要求，其主要表現(xiàn)為，在滿足濾波性能要求的前提下，處理速度應(yīng)盡可能快，電路復(fù)雜度應(yīng)盡可能低，消耗功率應(yīng)盡可能小。在某些特殊條件下，還要求其參數(shù)能進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。而這些要求又相互制約，因此，這些要求成為從事現(xiàn)代通信系統(tǒng)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的技術(shù)人員所面臨的一大挑戰(zhàn)。
　　 如何設(shè)計(jì)一個(gè)滿足上述要求的

2、數(shù)字濾波器呢?首先，較快的處理速度和較低的電路復(fù)雜度以及較小的靜態(tài)功耗，均要求濾波器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，從信號(hào)處理理論而言，其實(shí)可以歸結(jié)于尋求較簡(jiǎn)捷的傳遞函數(shù)。級(jí)聯(lián)積分—梳狀(cascadedintegrator-comb，CIC)濾波器，由于其無(wú)乘法器、無(wú)系數(shù)存儲(chǔ)器，顯然是一種傳遞函數(shù)形式非常簡(jiǎn)捷，效率極高的抽取或內(nèi)插濾波器，被廣泛地使用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，尤其適用于高采樣率的數(shù)字前端使用。半帶濾波器是一種特殊的線性相位FIR濾波器。當(dāng)濾波器

3、的長(zhǎng)度為奇數(shù)時(shí)，其奇系數(shù)等于零(除中間點(diǎn)外)，因此它可以比一般線性相位FIR濾波器減少一半的乘法器，而比普通全系數(shù)濾波器減少3/4的乘法器，因此它也是一種傳遞函數(shù)形式比較簡(jiǎn)捷，效率較高的抽取或內(nèi)插濾波器，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)也被經(jīng)常使用。其次，從實(shí)現(xiàn)方法而言，可以歸結(jié)于尋求高效率的算法。分布式算法將采樣信號(hào)序列的對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)形成地址，映射到一數(shù)據(jù)表，通過(guò)讀表實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，可以極大地提高了運(yùn)算速度。多相濾波將高速濾波器分支成并行的多路低速子濾

4、波器，可以降低系統(tǒng)功耗。流水線將某一操作分解成時(shí)間上依次部分重疊的若干個(gè)子任務(wù)，在大批量簡(jiǎn)單而重復(fù)的運(yùn)算場(chǎng)合，如卷積、FIR或FFT等，也可以極大地提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。再次，從實(shí)現(xiàn)的載體而言，可以歸結(jié)于尋求一種合適的物理器件。目前最適合作通信信號(hào)處理的物理器件主要有現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)微處理器，前者適用于高速的數(shù)字前端頻帶信號(hào)處理，后者適用于低速的數(shù)字后端的基帶信號(hào)處理。
　　 本文的研究線路可概括

5、為：從信號(hào)理論到算法理論，再到物理方法。首先，簡(jiǎn)要闡述現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的變速率濾波和自適應(yīng)濾波的一些基本概念，介紹研究背景及所完成的主要研究工作。其次，研究高效率濾波器的傳遞函數(shù)特征，以通信系統(tǒng)數(shù)字前端常用的級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(cascaded integrator comb，CIC)和半帶濾波器(HB Filter)兩種變速率濾波器為例，分別對(duì)其在數(shù)字下變頻中對(duì)多路2FSK和2PSK信號(hào)的的信道選擇過(guò)程進(jìn)行了基于Matlab的理論仿真和

6、基于Modelsim的邏輯仿真，得到了兩者吻合的波形和頻譜仿真結(jié)果。本文引入效用函數(shù)的概念，用于評(píng)價(jià)數(shù)字濾波器的工作效率。通過(guò)推演，得到了CIC濾波器和半帶濾波器的效用函數(shù)，并對(duì)兩者進(jìn)行了比較。然后，研究了數(shù)字濾波器的三種高效率實(shí)現(xiàn)算法，即分布式算法、流水線結(jié)構(gòu)和多相結(jié)構(gòu)，用基于三種算法的FIR抽取濾波器，對(duì)2FSK和2PSK信號(hào)的抽取濾波過(guò)程進(jìn)行了基于Matlab的理論仿真和基于Modelsim的邏輯仿真，得到了兩者吻合的波形和頻譜仿

7、真結(jié)果。接著在此基礎(chǔ)上，首先研究了基于FPGA的高效率濾波器的實(shí)現(xiàn)方法，基于EDA軟件QuartusⅡ的對(duì)2FSK和2PSK信號(hào)的抽取濾波進(jìn)行了物理層仿真和實(shí)際波形測(cè)試，得到了與理論和仿真吻合的波形，以及硬件資源消耗和功率消耗的仿真結(jié)果。其次研究了基于DSP微處理器的IIR和FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)方法，基于CCS開(kāi)發(fā)軟件，對(duì)它們的濾除高低頻合成信號(hào)中高頻成分的過(guò)程進(jìn)行了仿真，得到了與理論吻合的波形和頻譜，并進(jìn)行了分析比較。最后，通過(guò)作者科研