一种高速数字信号通道解调系统的制作方法

1.本发明属于高速数字信号通道技术领域，特别是涉及一种高速数字信号通道解调系统。


背景技术：

2.fir滤波器的设计好坏直接影响整个射频收发机的性能，一方面，设计的fir滤波器要在采样率进行转换时保证频谱不能进行混叠，同时在满足基本功能的基础之上，要使得滤波器的抽头数尽可能的少，从而降低运算量，减少相应的存储单元，提高效率，获得较低的运算复杂度；另一方面，要考虑fir滤波器的性能，在滤波器的长度较短时，对信号进行滤波处理时误差往往较大，具体为通带的波纹较大，阻带的衰减较低，不能干净的滤除掉杂余信号，因此在进行fir滤波器设计时，要对以上两方面综合考虑。
3.此外，带宽的增加导致整个收发机链路中的基带模拟低通滤波器的3db带宽更加陡峭，从而影响信号的调制和解调，因此需要设计对应的数字滤波器使得两者的级联频率响应在3db带宽处更加的平坦，提高通信系统的性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高速数字信号通道解调系统，解决了现有带宽的增加导致整个收发机链路中的基带模拟低通滤波器的3db带宽更加陡峭，从而影响信号的调制和解调的技术问题。
5.为达上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种高速数字信号通道解调系统，包括发射机，发射机用于利用数字滤波器补偿基带模拟滤波器的响应，使得级联响应在3db带宽处更加平滑；
7.发射机采用可编程有限长脉冲响应tfir滤波器级联3个固定系数的半带插值滤波器thb1、thb2和thb3，tfir通过1、2或4的因子进行插值或直接绕过对基带低通滤波器的3db带宽进行平滑补。
8.可选的，有限长脉冲响应tfir滤波器具体包括低通fir滤波器、半带hb插值滤波器和半带hb抽取滤波器，由于对于脉冲输入信号的响应最终趋向于0，所以它是相对于无限冲激响应iir滤波器而言是有限的，有限长脉冲响应tfir滤波器冲激响应在有限时间内衰减为零，其输出仅取决于当前和过去的输入信号值。
9.可选的，3个半带插值滤波器thb1、thb2和thb3用2倍的系数进行插值或绕过，tfir具有可配置的抽头数量为：20、40、60和80，tfir最大抽头数受tfir时钟速率的限制，tfir时钟速率来源于数据处理时钟dpclk，最大dpclk时钟速率为500mhz，根据hsdig_clk分频器的设置，dpclk时钟速率是高速数字时钟hsdig_clk除以4或5，dpclk时钟速率影响使用的tfir滤波器抽头的最大数量关系为：最大fir滤波抽头数＝(dpclk时钟速率/发射机i/q数据速率)
×
20，tfir滤波器可编程增益设置为6db或0db或-6db或-12db。
10.本发明的实施例具有以下有益效果：
11.本发明的一个实施例通过发射机采用可编程有限长脉冲响应tfir滤波器级联3个固定系数的半带插值滤波器thb1、thb2和thb3，tfir通过1、2或4的因子进行插值或直接绕过对基带低通滤波器的3db带宽进行平滑补，从而减小了带宽的增加对整个收发机链路中的基带模拟低通滤波器的3db带宽的影响，从而实现数字滤波器中信号的调制和解调两者的级联频率响应在3db带宽处更加的平坦，提高通信系统的性能。
12.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
13.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
14.图1为本发明一实施例的直接型fir滤波器结构图；
15.图2为本发明一实施例的半带滤波器频率响应图；
16.图3为本发明一实施例的半带滤波器示意图；
17.图4为本发明一实施例的信号抽取过程示意图；
18.图5为本发明一实施例的信号滤波器处理示意图；
19.图6为本发明一实施例的信号插值过程示意图；
20.图7为本发明一实施例的信号插值滤波器示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
22.为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。
23.在本实施例中提供了一种高速数字信号通道解调系统，包括：发射机，发射机用于利用数字滤波器补偿基带模拟滤波器的响应，使得级联响应在3db带宽处更加平滑，发射机主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。广泛应用于电视，广播，雷达等各种民用、军用设备。主要可分为调频发射机，调幅发射机，光发射机等多种类型，发射机就是可以将信号按一定频率发射出去的装置，是一个比较笼统的概念，它广泛应用与电视，广播，通信，报警，雷达，遥控，遥测，电子对抗等各种民用、军用设备。发射机按调制方式可可分为调频(fm)，调幅(am)，调相(pm)和脉冲调制四大类。他们又有模拟和数字之分。通常，发射机包括三个部分：高频部分，低频部分，和电源部分。高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放推动级与末级功放。主振器的作用是产生频率稳定的载波。为了提高频率稳定性，主振级往往采用石英晶体振荡器，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级。低频信号通过逐渐放大，在末级功放处获得所需的功率电平，以便对高频末级功率放大器进行调制。因此，末级低频功率放大级也叫调制器。调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡(载频)
信号上去的过程。所以末级高频功率放大级则成为受调放大器，一般而言，调频发射机是调频广播发射机的简称，主要用于将调频广播电台的语音和音乐节目以无线方式发射出去。调频发射机首先将音频信号和高频载波调制为调频波，使高频载波的频率随音频信号发生变化，再对所产生的高频信号进行放大，激励，功放和一系列的阻抗匹配，使信号输出到天线，发送出去的装置。高频信号的产生有频率合成，pll等方式。我国的商业调频广播的频率范围为88mhz～108mhz，校园为76mhz～87mhz，西方国家为70mhz～90mhz。就是指使振幅随调制信号的变化而变化，严格的讲，调幅发射机就是指载波振幅与调制信号的大小成线性关系，而它的频率和相位不变。振幅调制分为4种方式：am(普通调幅)、dsb(抑制载波双边带调幅)、ssb(单边带调幅)、vsb(残留边带调幅)，光发射机的作用是将从复用设备送来的hdb3信码变换成nrz码；接着将nrz码编为适合在光缆线路上传输的码型；最后在进行电/光转换，将电信号转换成光信号并耦合进光纤；
24.发射机采用可编程有限长脉冲响应tfir滤波器级联3个固定系数的半带插值滤波器thb1、thb2和thb3，tfir通过1、2或4的因子进行插值或直接绕过对基带低通滤波器的3db带宽进行平滑补，低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置，对于不同滤波器而言，每个频率的信号的强弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器，或高音消除滤波器，低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路(如音频设备中使用的hiss滤波器)、平滑数据的数字算法、音障(acoustic barriers)、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式，低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数(moving average)所起的作用；
25.低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。
26.具体的3个半带插值滤波器thb1、thb2和thb3用2倍的系数进行插值或绕过，半带插值滤波器，使得该滤波器所使用的逻辑资源大幅减少，功耗降低，这种半带插值滤波器利用多相位滤波和移位寄存器串折返相加节省逻辑资源，并将多相位滤波中的一个相位处理简化为只有一个数据与一个系数相乘，并进一步简化为一个简单的移位加法器，该滤波器包含如下模块：加权模块，移位寄存器延时模块，加法模块，查找表模块和二选一选择器模块，tfir具有可配置的抽头数量为：20、40、60和80，tfir最大抽头数受tfir时钟速率的限制，tfir时钟速率来源于数据处理时钟dpclk，最大dpclk时钟速率为500mhz，根据hsdig_clk分频器的设置，dpclk时钟速率是高速数字时钟hsdig_clk除以4或5，dpclk时钟速率影响使用的tfir滤波器抽头的最大数量关系为：最大fir滤波抽头数＝(dpclk时钟速率/发射机i/q数据速率)
×
20，tfir滤波器可编程增益设置为6db或0db或-6db或-12db。
27.具体的有限长脉冲响应tfir滤波器具体包括低通fir滤波器、半带hb插值滤波器和半带hb抽取滤波器，由于对于脉冲输入信号的响应最终趋向于0，所以它是相对于无限冲激响应iir滤波器而言是有限的。
28.请参阅图1-7所示，通过发射机采用可编程有限长脉冲响应tfir滤波器级联3个固定系数的半带插值滤波器thb1、thb2和thb3，tfir通过1、2或4的因子进行插值或直接绕过对基带低通滤波器的3db带宽进行平滑补，从而减小了带宽的增加对整个收发机链路中的基带模拟低通滤波器的3db带宽的影响，从而实现数字滤波器中信号的调制和解调两者的级联频率响应在3db带宽处更加的平坦，提高通信系统的性能。
29.有限长脉冲响应tfir滤波器冲激响应在有限时间内衰减为零，其输出仅取决于当前和过去的输入信号值，由于无限冲激响应滤波器中存在反馈回路，因此对于脉冲输入信号的响应是无限延续的，fir滤波器为全零点结构，系统稳定，并且具有线性相位的特征，在有效频率范围内所有信号相位上不失真，fir滤波器为一线性系统，时域表达式为：
[0030][0031]
x(n)为输入信号，h(n)为fir滤波器系数，y(n)为滤波之后的信号，n为fir滤波器的抽头数，n-1为滤波器阶数，其直接型fir滤波器结构如图1所示。
[0032]
由延迟单元、乘法器和加法器组成。常见的fir滤波器设计方法有最小化平均误差、最小化最大误差和频率采样法。
[0033]
半带滤波器是一种特殊的低通fir数字滤波器，阶数只能为偶数，长度为奇数，其频率特性如图2所示，通带和阻带相对于二分之一nyquist频率对称，即wc＝π-wa，通带波纹与阻带波纹相等，冲激响应除了在h(0)零点处为1外，在其他偶数点的取值均为零，和普通的2倍插值fir相比，不但系数对称且有近一半为零，当采用半带滤波器作采样率变化时，可减少一半滤波运算量。
[0034]
在设计半带滤波器的时候，可以先使用matlab等工具来计算出半带滤波器的冲击响应作为系统的抽头系数，如图3所示，设计8阶的hb滤波器，采样频率10mhz，截止频率2mhz，从抽头系数可以看出，有接近一半的抽头系数为0。
[0035]
在数字信号调制解调的过程当中，用到信号的抽取和插值。对于这种需要进行速率变换的系统，需要用插值和抽取滤波器来对其进行处理，该产品中采用的是上面的半带滤波器，其中对于基带信号的抽取，相当于降低采样速率，降低采样速率会使频谱之间的距离减小，因此可能会发生混叠，如图4所示，在实际处理的时候，一般会先对解调出来的信号进行滤波，这样做的目的，能够保留信号的绝大部分信息，并且滤除噪声。这个时候，如果对信号进行低倍的抽取，比如两倍抽取时，并不需要滤波器的带宽足够小，比如fir滤波器。这时候使用半带抽取滤波器就能够完成信号的滤波，如图5所示。在插值的过程当中，相当于在对一个信号进行采样速率提升，实际中是对信号进行插0值，如图6所示。这样得到的信号频谱相较于理想的频谱会多出几个镜像，因此需要通过滤波器将其滤除掉。在速率变化不大的情况下，可以使用半带插值滤波器来进行滤波。如图7所示。
[0036]
数字滤波：就是对数字信号进行一定规则的运算，进而对信号频率有所改变，使成位所需的、有利于系统处理的信号。
[0037]
时域关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
y(n)＝x(n)*h(n)
[0038]
z域关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
y(z)＝x(z)h(z)
[0039]
频域关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
y(jw)＝h(jw)x(jw)
[0040]
数字滤波器主要分为fir滤波器和iir滤波器。对于fir滤波器，冲激响应在有限时间内衰减为零，其输出仅取决于当前和过去的输入信号值。对于iir滤波器，冲激响应理论上应会无限持续，其输出不仅取决于当前和过去的输入信号值，也取决于过去的信号输出值，fir滤波器在保证幅度特性的同时，很容易做到严格的线性相位特性。在数字滤波器中，fir滤波器的最主要特点是没有反馈回路，故不存在不稳定的问题；同时，在幅度特性可以任意设置的同时，保证了精确的线性相位。稳定和线性相位是fir滤波器的突出优点。另外
还有以下特点：设计方式是线性的；硬件容易实现；滤波器过渡过程具有有限区间；相对iir滤波器而言，阶次较高，其延迟也要比同样性能的iir滤波器大得多。
[0041]
长度为n的fir滤波器系统函数：
[0042][0043]
由此式可见，h(z)是1 z的(n-1)次多项式，它在z平面上有(n-1)个零点，原点z＝0是(n-1)阶重极点，位于r＝1的单位圆内，系统永远稳定。稳定性和线性相位特性是fir滤波器的突出优点。
[0044]
有限长n阶fir滤波器传输函数：
[0045][0046]
h(e
jw
)＝hg(ω)e-jθ(w)
[0047]
式中hg(w)称为幅度特性，θ(w)称为相位特性。线性相位是指θ(w)＝-τw或者θ(w)＝-τw+θo，(第一线性相位、第二线性相位)满足第一种的充要条件：h(n)为实序列信号，并且对(n-1)/2偶对称，即h(n)＝h(n-n-1)；满足第一种的充要条件：h(n)为序列实信号，并且对(n-1)/2奇对称，即h(n)＝-h(n-n-1)；
[0048]
fir滤波器的基本结构有以下几种：直接型、级联型、线性相位型、频率采
[0049]
样型。
[0050]
1.直接型
[0051]
设fir滤波器的单位冲击响应h(n)为一个长度为n的序列，则滤波器系统
[0052]
函数为：表示这一系统输入输出关系的差分方程为
[0053][0054]
2.级联型
[0055]
当需要控制滤波器的传输零点时，可将h(z)分解为实系数二阶因子的乘积形式：
[0056][0057]
式中，h(z)为h(n)的z变换，u，u，b1a为实数。
[0058]
一个数字滤波器的系统函数h(z)可以表示为：
[0059][0060]
直接由h(z)得出表示输入输出关系的常系数线性差分方程为：
[0061]
[0062]
式中a、b：为滤波系数，当b均为零时，该滤波器为fir数字滤波器，
[0063]
当b不均为零时，则为iir数字滤波器。与fir数字滤波器相比，iir数字滤波器可以用较低的阶数获得高的选择性，所用的存储单元少，成本低、信号延迟小，并且iir数字滤波器可以借助于模拟滤波器的设计成果，设计工作量相对较小。
[0064]
iir数字滤波器的设计方法
[0065]
iir数字滤波器的设计方法通常有模拟转换法、零极点累试法和优化设计法。
[0066]
1.iir数字滤波器的模拟转换设计法
[0067]
利用模拟滤波器成熟的理论和设计方法来设计iir数字滤波器是经常使用的方法。设计过程是：按照技术要求设计一个模拟滤波器，得到滤波器的传输函数h。(s)，再按一定的转换关系将h。(s)转换成数字滤波器的系统函数h(z)。将传输函数h(s)从s平面转移到z平面的方法有多种，但工程上常用的是脉冲响应不变法和双线性变换法。
[0068]
2.iir数字滤波器的零极点累试法
[0069]
上述介绍的模拟转换设计法实际上是数字滤波器的一种间接设计方法，而且幅度特性受到所选模拟滤波器特性的限制。例如巴特沃斯低通幅度特性是单调下降，而切比雪夫低通特性带内或带外有上、下波动等，对于要求任意幅度特性的滤波器，则不适合采用这种方法。下述介绍的在数字域直接设计iir数字滤波器的设计方法，其特点是适合设计任意幅度特性的滤波器。
[0070]
在iir数字滤波器的直接设计法中零极点累试法较为常用，设单位脉冲响应的零极点表达式为：
[0071][0072]
按照(1.1.3)式，系统特性取决于系统零极点的分布，通过分析，我们知道系统极点位置主要影响系统幅度特性峰值位置及其尖锐程度，零点位置主要影响系统幅度特性的谷值位置及其凹下的程度：且通过零极点分析的几何作图法可以定性地画出其幅度特性。上面的结论及方法提供了一种直接设计滤波器的方法。这种设计方法是根据其幅度特性先确定零极点位置，再按照确定的零极点写出其系统函数，画出其幅度特性，并与希望的进行比较，如不满足要求。可通过移动零极点位置或增加(减少)零极点，进行修正。
[0073]
3.优化设计法
[0074]
iir数字滤波器除模拟转换设计法和零极点累试法外，还有一种直接在频域或者时域中进行设计，联立方程后需要计算机作辅助运算的方法，即所谓的优化设计法。
[0075]
对于iir和fir的比较：
[0076]
从性能上来说，iir滤波器传递函数包括零点和极点两组可调因素，对极点的惟一限制是在单位圆内。因此可用较低的阶数获得高的选择性，所用的存储单元少，计算量小，效率高。但是这个高效率是以相位的非线性为代价的。选择性越好，则相位非线性越严重。fir滤波器传递函数的极点固定在原点，是不能动的，它只能靠改变零点位置来改变它的性能。所以要达到高的选择性，必须用较高的阶数；对于同样的滤波器设计指标，fir滤波器所要求的阶数可能比iir滤波器高5-10倍，结果，成本较高，信号延时也较大；如果按线性相位
要求来说，则iir滤波器就必须加全通网络进行相位校正，同样要大大增加滤波器的阶数和复杂性。而fir滤波器却可以得到严格的线性相位。
[0077]
从结构上看，iir滤波器必须采用递归结构来配置极点，并保证极点位置在单位圆内。由于有限字长效应，运算过程中将对系数进行舍入处理，引起极点的偏移。这种情况有时会造成稳定性问题，甚至产生寄生振荡。相反，fir滤波器只要采用非递归结构，不论在理论上还是在实际的有限精度运算中都不存在稳定性问题，因此造成的频率特性误差也较小。此外fir滤波器可以采用快速傅里叶变换算法，在相同阶数的条件下，运算速度可以快得多。
[0078]
另外，也应看到，iir滤波器虽然设计简单，但主要是用于设计具有分段常数特性的滤波器，如低通、高通、带通及带阻等，往往脱离不了模拟滤波器的格局。而fir滤波器则要灵活得多，尤其是他易于适应某些特殊应用，如构成数字微分器或希尔波特变换器等，因而有更大的适应性和广阔的应用领域。
[0079]
从上面的简单比较可以看到iir与fir滤波器各有所长，所以在实际应用时应该从多方面考虑来加以选择。从使用要求上来看，在对相位要求不敏感的场合，如语言通信等，选用iir较为合适，这样可以充分发挥其经济高效的特点；对于图像信号处理，数据传输等以波形携带信息的系统，则对线性相位要求较高。当然，在实际应用中可能还要考虑更多方面的因素。
[0080]
不论iir和fir，阶数越高，信号延迟越大；同时在iir滤波器中，阶数越高，系数的精度要求越高，否则很容易造成有限字长的误差使极点移到单位园外。因此在阶数选择上是综合考虑的。
[0081]
上述实施例可以相互结合。
[0082]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0083]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。