现代通信系统中高效抽取滤波器技术研究

论文摘要

数字滤波器是常用的数字信号处理系统。在软件无线电系统中,数字滤波器发挥非常关键的作用。现代通信设备要求大吞吐量信息的实时处理、便携式和低功耗的特点,对数字滤波器的效率提出了苛刻的要求,即要求处理速度尽可能高,电路面积尽可能小,消耗功率尽可能低。此三个要求必然相互对立,因此设计者往往使其相互妥协以满足用户要求。提高数字滤波器的效率,应该从两个方面入手。第一,研究数字滤波器的传递函数,以寻求最简捷的数学表达形式。级联积分一梳状滤波器是一种传递函数形式简捷,适用于软件无线电通信系统中处于高采样率的数字前端使用的高效抽取或内插滤波器。此外,半带滤波器是FIR滤波器中的一种抽头系数被简化的特殊的线性相位滤波器。第二,研究其实现结构,即实现传递函数的算法。分布式算法将乘累加运算中采样信号序列的对应二进制数据位形成地址,映射到数据表,其内容为各抽头系数的不同组合后的累加。这样免去了乘法运算,大大提高了运算的速度。多相结构将高速滤波器分解成多路低速子滤波器,从而降低了系统功耗。首先研究了软件无线电中广泛使用的级联积分梳状滤波器。其次研究了软件无线电中广泛使用的基于分布式算法的半带滤波器,研究了其传递函数及频率特性。最后研究了数字滤波器的多相结构。对其中涉及的各种类型滤波器,通过实例进行了基于Matlab的理论仿真、基于Modelsim的逻辑仿真和基于Quartus的FPGA实现的EDA仿真,得到了与理论吻合的波形和频谱,以及资源开销和功耗的仿真结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 软件无线电的基本概念
• 1.1.1 软件无线电的起源
• 1.1.2 软件无线电概念及特点
• 1.1.3 软件无线电的未来
• 1.2 软件无线电中的数字变频技术
• 1.3 抽取滤波器研究现状
• 1.4 本文的主要工作概述
• 2 变速率滤波基础
• 2.1 抽取和内插
• 2.2 抽样率变换为一个有理因数
• 2.3 抽取滤波器的实现
• 2.4 抽取滤波器及其改进
• 2.4.1 级联积分梳状滤波器
• 2.4.2 基于分布式算法的半带滤波器
• 2.4.3 滤波器的多相分解
• 2.4.4 流水线技术
• 2.5 多速率滤波技术应用领域
• 3 CIC抽取滤波器
• 3.1 引言
• 3.2 CIC滤波器
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 CIC滤波器的结构及其Z转换
• 3.2.3 CIC抽取滤波器的分析
• 3.3 CIC抽取滤波器的频率特性及性能分析
• 3.4 CIC抽取滤波器的性能仿真
• 3.4.1 基于MATLAB的理论仿真
• 3.4.2 基于Modelsim的逻辑仿真
• 2.4.3 基于的Quartus II的器件级仿真
• 3.5 本章小结
• 4 基于分布式算法的半带抽取滤波器
• 4.1 半带（HB）抽取滤波器的原理与结构
• 4.1.1 半带滤波器（Half-Band Filter）的原理
• 4.1.2 半带滤波器的优点
• 4.1.3 半带滤波器的结构
• 4.1.4 半带滤波器与CIC的级联形式
• 4.2 半带滤波器的分布式算法（DA）实现
• 4.2.1 分布式算法实现FIR的基本原理
• 4.2.2 线性相位特性FIR结构
• 4.2.3 传统乘累加结构的线性相位FIR滤波器运算量分析
• 4.2.4 基于分布式算法的线性相位FIR滤波器运算量分析
• 4.2.5 改进的DA算法
• 4.2.6 分布式算法查找表的构造方法
• 4.2.7 基于分布式算法的FIR结构功能
• 4.3 半带抽取滤波器的性能仿真
• 4.3.1 基于MATLAB的理论仿真
• 4.3.2 基于Modelsim的逻辑仿真
• 4.3.3 基于的Quartus II的器件级仿真
• 4.4 本章小结
• 5 抽取滤波器多相结构
• 5.1 引言
• 5.2 数字滤波器的多相分解设计
• 5.2.1 多相分解抽取滤波器方框图
• 5.2.2 抽取滤波器多相分解公式推导
• 5.3 基于多相分解抽取滤波器性能分析
• 5.4 多相滤波的性能仿真分析
• 5.4.1 基于MATLAB的理论仿真
• 5.4.2 基于Modelsim的逻辑仿真
• 5.4.3 基于的Quartus II的器件级仿真
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献