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基于軟件無線電和接收信號處理器芯片AD6624實現(xiàn)基帶濾波器的設(shè)計

電子設(shè)計 ? 來源:電訊技術(shù) ? 作者:劉玲,曾孝平,曾浩 ? 2021-05-25 10:14 ? 次閱讀

本文在分析軟件無線電的寬帶數(shù)字中頻和數(shù)字下變頻的基本模型基礎(chǔ)上,結(jié)合ADI公司推出的接收信號處理器芯片AD6624的工作原理,提出CDMA基站反向鏈路中基帶信號處理的設(shè)計方案,并詳細討論了基帶濾波器的設(shè)計方法,同時給出了仿真結(jié)果。

軟件無線電( Software DefineDRadio,SDR)的宗旨就是盡可能地簡化射頻模擬前端,使A/D轉(zhuǎn)換盡可能靠近天線去完成模擬信號的數(shù)字化,而且數(shù)字化后的信號要盡可能多地用軟件來處理,實現(xiàn)各種功能和指標。模擬信號進行數(shù)字化后的處理任務(wù)全由DSP軟件來承擔。

在目前的軟件無線電研究中,由于受硬件發(fā)展水平的限制,接收機的結(jié)構(gòu)大多數(shù)都是將射頻信號經(jīng)模擬下變頻至中頻( Intermediate Frequency,IF),在中頻通過高速、高精度A/D轉(zhuǎn)換器對寬帶中頻信號進行欠采樣,即對射頻模擬信號的采樣數(shù)字化采用寬帶中頻帶通信號軟件無線電結(jié)構(gòu),如圖1所示。

基于軟件無線電和接收信號處理器芯片AD6624實現(xiàn)基帶濾波器的設(shè)計

圖1寬帶中頻帶通信號軟件無線電結(jié)構(gòu)

但是中頻采樣后的數(shù)據(jù)量非常大,如果直接用軟件進行處理,將占用大量的DSP計算資源。尤其對CDMA系統(tǒng)來說,其寬帶性更增加了DSP的處理難度。為了減輕DSP的處理壓力,現(xiàn)在通常的做法是把A/D轉(zhuǎn)換器傳來的數(shù)字信號,經(jīng)過專用數(shù)字信號處理器件如數(shù)字下變頻器(Digtal DownConverter,DDC)處理,降低數(shù)據(jù)流速率,并把信號變至基帶后,再把數(shù)據(jù)送給通用DSP進行處理。數(shù)字下變頻的組成主要包括一個數(shù)字控制振蕩器(Numerically ControlleD Oscillator,NCO)、一個數(shù)字混頻器和低通濾波器,如圖2所示。NCO產(chǎn)生的本振信號與ADC后的輸入信號進行混頻。數(shù)字混頻器就是乘法器。信號經(jīng)混頻后輸出到低通濾波器以濾除倍頻分量和帶外信號,然后進行抽取處理。

圖2數(shù)字下變頻器的組成

系統(tǒng)模型設(shè)計

基于軟件無線電的CDMA基站接收單元對有用信號進行下變頻處理,將信號移至基帶,并把高速基帶信號做速率轉(zhuǎn)換處理,即對信號進行抽取和插值濾波,最后進行基帶濾波處理。在我們的設(shè)計中,RSP(Receive Signal Processor)芯片采用AD公司AD6624。它的主要特征是:80MSPS寬帶輸入,兩路高速數(shù)據(jù)輸入端口和4個獨立的數(shù)字下變頻通道,可編程抽取FIR 濾波器。將它運用到基站軟件無線電接收機中可以多信道同時進行數(shù)字下變頻。AD6624包含4個信號處理部分:數(shù)控振蕩器(NCO)、二階的重抽樣級聯(lián)積分梳狀濾波器( rCIC2)、五階的級聯(lián)積分梳狀FIR濾波器(CIC5)以及一個RAM系數(shù)濾波器(RCF)。NCO是把數(shù)字信號分成I、Q兩路信號,而且把數(shù)字中頻信號變換到數(shù)字基帶。rCIC2作重采樣濾波器允許主時鐘和輸出速率有非整數(shù)倍關(guān)系。CIC5是一個比rCIC2濾波特性更陡峭的抽取濾波器。RAM是乘積求和可編程系數(shù)抽取濾波器。基于AD6624的反向鏈路中頻到基帶的信號處理過程如圖3所示。

圖3CDMA反向基帶濾波處理框圖

反向中頻信號經(jīng)A/D采用后輸入RSP進行數(shù)字下變頻和濾波處理,首先對信號進行數(shù)字正交變換,把輸入的數(shù)字中頻信號變成數(shù)字基帶信號,變換后的I/Q數(shù)據(jù)送入rCIC2進行重采樣(抽取和插值濾波處理),然后送入CIC5進行抽取濾波,經(jīng)過兩次抽取后的低速數(shù)據(jù)送入RCF進行基帶濾波處理,同時也可以進行抽取處理??紤]到RCF的基帶濾波處理能力不夠,所以在邏輯中又增加了一級FIR濾波器進行基帶濾波處理。

參照前向基帶濾波器和系統(tǒng)對抗單音阻塞性能的要求,初步提出基帶濾波器的指標如下:通帶為590kHz,帶內(nèi)波動為±1. 5dB,阻帶- 40dB@740kHz、- 80dB@900kHz。

濾波器設(shè)計與仿真

抽取系數(shù)的確定

根據(jù)目前的設(shè)計,A/D采樣率為48 Chip,基帶信號的采樣率為2Chip,所以在RSP內(nèi)可以實現(xiàn)24倍抽取,RCF內(nèi)濾波器的階數(shù)最高為24階。為了避免信號混疊,保持最佳的濾波性能,并降低對邏輯( FPGA)內(nèi)的FIR 濾波器性能的要求,需要在rCIC2、CIC5和RCF之間合理的分配抽取率。

(1)rCIC2抽取率的確定

rCIC2濾波器是一個二階級聯(lián)積分梳狀濾波器,可以實現(xiàn)1~4096倍抽?。∕rCIC2)和1~512倍插值(L rCIC2),對其唯一的要求是抽取和插值的倍數(shù)必須滿足LrCIC2/MrCIC2≤1的關(guān)系。由于AD6624中rCIC2只有兩級,且由于CIC的過渡帶和阻帶的衰減性能不太好,這樣旁瓣電平比較高,當Mm1時,旁瓣電平最多只比主瓣電平低27dB,由于阻帶衰減很差,無法滿足抗混疊要求,一般不做高階抽取。在本設(shè)計中,考慮到采樣率(48 ChiP)遠大于信號帶寬(0. 59450MHz),則只要保證抽取后無混疊信號帶寬大于信號的帶寬,就不會引起混疊,于是取MrCIC2= 2,L rCIC2= 1,則抽取后的采樣率變?yōu)?4Chip,無混疊信號帶寬為12ChiP( 14. 7456MHz),大于信號帶寬。

(2)CIC5抽取率的確定

CIC5的可編程抽取率(MCIC5)大小為2~32。對CIC5抽取率的選取主要從以下3個方面考慮。

1)處理增益

由Q級CIC濾波器頻率響應(yīng)的表達式HQ ( ejω)=DQ.SaQ (ωD/2).Sa- Q (ω/2)可知,CIC抽取濾波器有一個處理增益DQ。隨著濾波器級數(shù)Q和抽取因子D的增大,處理增益也越大,但是因為CIC5的運算精度有限,所以增益不能過大,否則容易引起溢出或降低運算精度。

2)抗混疊性能

為了降低混疊影響,獲得足夠大的阻帶衰減,在輸入采樣速率一定的前提下,盡可能的采用小的抽取因子。

3)帶內(nèi)平坦度考慮

隨著抽取率的增高,通帶內(nèi)的信號衰減也增大,不過帶內(nèi)衰減可以在后級濾波器中進行補償。鑒于以上幾個因素的綜合考慮,選取MCIC5= 6。

(3)RCF抽取率的確定

圖4rCIC2和CIC5的幅頻響應(yīng)

因為整個基帶信號處理要實現(xiàn)24階抽取,已確定MrCIC2= 2、MCIC5= 6,所以MRCF= 2。在RCF的處理中,經(jīng)過rCIC2和CIC5的高倍抽取,此時數(shù)據(jù)的采樣率已經(jīng)變得很低,所以對RCF的抗混疊性能要求較高,同時還要考慮對單音信號的抑制。經(jīng)過上面的分析,確定如下系數(shù):MrCIC2= 2、LrCIC2= 1、MCIC5= 6、MRCF= 2。RCIC2和CIC5的幅頻響應(yīng)見圖4。由圖可見,帶內(nèi)(0~0. 59MHz)衰減小于1dB,CIC5的阻帶衰減約為62dB。通常CIC濾波器會引起信號混疊,但如果抽取的信號帶寬很窄,則在其信號帶寬內(nèi)這種混疊可以忽略不計,因為CIC濾波器可以對混疊部分提供有效的抑制這里CIC5可以對混疊到帶內(nèi)( 0~0. 59 MHz)的信號抑制82dB。

RCF和FIR設(shè)計

在確定了各級濾波器的抽取率之后,接下來就對RCF和FIR的設(shè)計了。最終的濾波結(jié)果要滿足通帶為590kHz,帶內(nèi)波動為±1. 5dB,阻帶- 40dB@740kHz、- 80dB@900kHz的基帶濾波要求。

對于一個24階的FIR濾波器無法實現(xiàn)上述要求,而RCF的階數(shù)已經(jīng)確定,無法做得更高,解決的方法有2種,一是采用多通道處理,二是在邏輯內(nèi)部增加一級FIR濾波器來滿足濾波要求。本文主要討論第二種方案。

因為在RCF中要實現(xiàn)2倍抽取,為了使邏輯內(nèi)的濾波有效,則RCF中濾波主要起到抗混疊作用,阻帶抑制指標可以放在后級濾波中實現(xiàn),實際上在RCF(24階)中無法達到阻帶抑制的要求,也無法完全抑制900kHz處單音。折衷的設(shè)計是增加濾波器的過渡帶,在滿足抗混疊和單音抑制的條件下,使阻帶抑制達到80dB。這樣設(shè)計的結(jié)果是過渡帶加寬,后級的FIR濾波器需要更高的階數(shù)進行阻帶抑制和單音抑制?;谶@樣的考慮,設(shè)計的濾波器結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5RCF濾波器的幅頻響應(yīng)

圖624階FIR濾波器的幅頻響應(yīng)

圖732階FIR濾波器的幅頻響應(yīng)

圖5中的A線為CIC5的響應(yīng),B線為CIC5和RCF的組合響應(yīng)。帶內(nèi)波動小于1dB。從圖中可以看出濾波的結(jié)果滿足抗混疊要求,阻帶抑制滿足- 80dB的要求,即可以濾除大于1. 15MHz頻帶內(nèi)的單音,在后面的FIR濾波處理中主要是針對頻帶0. 59~1. 15MHz,需要使這個頻帶滿足阻帶抑制和900kHz處的單音抑制要求。在FIR的設(shè)計中可以實現(xiàn)較高的階數(shù),考慮到邏輯資源的因素,此濾波器的階數(shù)不能做得太高,否則無法實現(xiàn)??紤]到RCF對0. 59~1. 15MHz頻帶衰減,F(xiàn)IR濾波器的阻帶衰減可以降低要求,只要兩者加起來滿足- 80dB的阻帶抑制則可。

如圖6和圖7所示,分別設(shè)計了24階和32階FIR濾波器,其中24階FIR濾波器的帶內(nèi)波動小于1. 8 dB,32階FIR濾波器的帶內(nèi)波動小于1. 5dB,阻帶抑制分別為- 60dB和- 80dB。由于該濾波器在FPGA內(nèi)實現(xiàn),只要邏輯資源夠用,可以根據(jù)實際需要滿足不同濾波要求。

結(jié)束語

經(jīng)過上面的討論,初步完成基帶濾波器的設(shè)計過程,因為沒有進行篩選,所以上面的提到的一些系數(shù)和指標的確定也許不是最優(yōu)化的。系數(shù)的優(yōu)化和篩選,以及各個指標的確定需要大量工作,更需要在實際的硬件調(diào)試中進行驗證和優(yōu)化。

事實上,反向基帶濾波器的指標是比較模糊的一個問題,究竟定為多少,標準中沒有規(guī)定。因此主要參考前向基帶濾波器的指標進行設(shè)計,是否合理還有待驗證。在實現(xiàn)上,主要是在資源允許的條件下,盡量將指標提得高一些。另一個問題是匹配濾波,即是否需要進行匹配濾波,以及如何進行匹配濾波,還需要進一步考慮。

責任編輯:gt

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