软件无线电接收机中CIC滤波器及改进技术研究

摘要

软件无线电(SDR)技术已成为当前新一代无线通信系统的关键技术,其核心思想是构造一个通用硬件平台,将各种功能用软件来完成,并使A/D转换器尽可能地靠近天线,使无线通信系统具有高度的灵活性和开放性。无论在军用上还是在民用上,软件无线电技术一直是现代通信技术研究的热点。在所有无线通信频段均采用射频直接数字化目前尚有难度。对信号在中频阶段进行数字化,不仅在一定程度上简化了接收机的前端电路设计,而且配以后续的数字化处理,具有较好的波形适应性、带宽适应性以及可扩展性,是近期最为可行的一种设计方案。接收机无论是射频数字化,还是中频数字化,通常采用数字下变频(DDC)技术,将信号频谱向下搬移,同时将采样速率降低。数字下变频的核心技术之一是抽取技术。级联积分-梳状(CIC)滤波器,是一种高效的抽取或内插滤波器,被广泛应用于基于软件无线电思想的接收机或发射机的数字前端。然而,CIC滤波器在运算高效的同时,也存在两大缺陷,即通带下垂(droop)严重和阻带衰减不充分,实际应用中通常需要加以改进。研究重点即CIC滤波器及其改进技术。 本文首先介绍了软件无线电的的定义、技术动态、CIC滤波器在软件无线电接收机中的地位和作用,然后介绍了CIC滤波器的基本理论,通过仿真验证了CIC滤波器的功能以及存在的缺陷,以此为基础,研究了几种改进技术。第一,介绍了Kaiser和Hamming提出的CIC滤波器锐化方法,阐述了其基本原理,通过一个子信道调谐滤波器设计实例解决方案的仿真,验证了该方法的有效性；第二,介绍了旋转辛克修正法,阐述了其基本原理,介绍一种基于该方法,改进CIC滤波器阻带特性的解决方案。并与Kaiser-Hamming锐化法结合,研究了一种同时又能改进CIC滤波器通带特性的解决方案。在上述解决方案中,建立了数学模型,得到了其频率特性曲线, 验证了该方法的有效性。另外,对以混叠噪声最小化为原则的优化问题进行了求解,得到了一次修正和二次修正RS的旋转量最优解,对工程设计具有一定的指导意义；第三,针对旋转辛克(RS)修正法仍需乘法器的问题,研究了无需乘法器的基于余弦滤波的改进法,阐述了基本原理,研究一种基于该方法,改进CIC滤波器的阻带特性的解决方案。并与Kaiser-Hamming锐化法结合,研究了一种同时又能改进CIC滤波器通带特性的解决方案。在上述解决方案中,建立了数学模型,得到了其频率特性曲线,验证了该方法的有效性。第四,针对上述各种方法的不足,研究了基于内插二阶多项式(ISOP)的改进方法,阐述了基本原理,介绍了一个基于该方法,改进CIC滤波器的通带频率特性的解决方案。在该解决方案中,建立了一个数学模型,得到了其频率特性曲线,验证了该方法的有效性。第五,针对抽取滤波器结构复杂度问题,研究了一种基于分圆多项式理论的梳状滤波器的优化设计方法,阐述了基本原理,建立了一个以加法器和存储器最简为原则的梳状滤波器优化设计数学模型,并对该线性优化问题进行了整数域求解,得到了一个分圆多项式最优组合,解决了一个设计实例,对工程设计具有一定的指导意义。最后,总结了上述各种改进方法的优缺点,展望了技术发展方向。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

§1.1软件无线电的基本概念

§1.2数字变频技术

1.2.1数字变频器的作用

1.2.2实现数字变频的途径

1.2.3数字变频器的结构

§1.3 CIC滤波器及其改进

§1.4本文的主要工作概述

第二章CIC抽取滤波器

§2.1抽取

§2.2 CIC滤波器

2.2.1 CIC滤波器的结构特点。

2.2.2 CIC滤波器的频率特性

§2.3 CIC滤波器的功能仿真

§2.4本章小结

第三章基于Kaiser-Hamming锐化法的CIC性能改进

§3.1 Kaiser-Hamming锐化法的原理

§3.2基于Kaiser-Hamming锐化法的子信道调谐滤波器设计实例

3.2.1 问题的提出

3.2.2抽取滤波器设计方案

3.2.3抽取效果的Matlab仿真

§3.3本章小结

第四章基于RS修正法的CIC性能改进

§4.1 RS修正法的原理

§4.2 RS修正法与Kaiser-Hamming锐化法的结合

4.2.1数学模型

4.2.2频率特性仿真结果及分析

§4.3以混叠噪声最小化为原则的优化设计

4.3.1优化问题的建立

4.3.2优化问题的解算结果-优化系统的特性

§4.4本章小结

第五章余弦滤波改进法及ISOP补偿技术

§5.1余弦滤波改进法

5.1.1一种多级CIC抽取形式

5.1.2余弦滤波器及其多级级联

5.1.3多级余弦滤波器与多级CIC滤波器级联

§5.2余弦滤波与Kaiser-Hamming锐化法结合

5.2.1传递函数与频率特性

5.2.2运算结构

§5.3 ISOP补偿法

5.2.1工作原理

5.2.1优化设计

§5.4本章小结

第六章基于分圆多项式的梳状滤波器组的优化设计

§6.1分圆多项式

6.1.1分圆多项式定义

6.1.2分圆多项式的性质

§6.2分圆多项式与梳状滤波器的关系

6.2.1梳状滤波器传递函数与分圆多项式的关系

6.2.2滤波器开销与分圆多项式结构的关系

§6.3基于分圆多项式的梳状滤波器的优化设计算法

§6.4优化设计仿真实例

6.4.1设计要求

6.4.2设计步骤

6.4.3仿真结果分析

§6.5本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

附录