多相滤波器的设计讲解

用中档FPGA实现多相滤波器

引言 在现代电子系统中，到处都可以看到数字信号处理（ DSP ）的应用，从

MP3播放器、数码相机到手机。DSP设计人员的工具箱的支柱之一是有限脉

冲响应（ FIR ）滤波器。FIR滤波器越长（有大量的抽头），滤波器的响应

越好。然而这里有折衷的情况，由于大量的抽头增加了对逻辑的需求、增加

了计算的复杂性，增加了功耗，以及可能引起饱和/溢出。 多相技术可以用于实现滤波器，拥有与传统FIR滤波器可比的结果，而且

使用了较少的逻辑、需要较少的计算资源、更低的功耗，并减少了可能的饱

和/溢出。可用如今新型的小规模、中档的FPGA，如LatticeECP3 来实现这

些滤波器。 基本概念

 进入DSP世界可能会有些令人生畏，因此，让我们首先介绍一些简单的概

念。对于数字系统，如音频，视频和无线领域，形成信号的结果是与采样率

相关的。举例来说，以48 kHz（即每秒48000个样本）对专业音频信号进行

采样。相比之下，消费者的CD播放机则使用44.1 kHz的采样率。 多速率系统

 多速率系统使用多个采样速率。在某些情况下，运行于某个速率的系统的

一部分需要一个原来以另外某个速率采样的信号（转换专业音频到消费者的CD音频就是一个例子）。在这种情况下，原始信号的速率必须根据需要增加

或减少。 或者针对特定的用途，也可能以比实际需要更高的速率对原来的数据进行

第２１卷第２期　２００６年６月　数　据　采　集　与　处　理　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ＆　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｖｏ１．２１　Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．２００６　

引　文章编号：１００４—９０３７（２００６）０２一Ｏ１３３—０４　一种基于多相带通结构的信道化滤波器算法　

秦文兵　罗来源　叶中付　（１．西南电子电信技术研究所国防重点实验室，成都，６１００４１；　２．中国科学技术大学电子工程与信息科学系，合肥，２３００２７）　摘要：针对信道化滤波器要求运算速度快、消耗资源多、难以实时处理的突出问题，从多相滤波器，信道化滤波器　的结构、原理和运算效率分析出发，推导了一种基于多相带通结构的信道化滤波器算法模型。这种算法将现有多　相结构信道化滤波器模型中的低通设计改为带通设计，实现了复数乘法运算全部集中在带通滤波环节＂－３中，并　采用协调分级ＤＦＴ算法的实现方案，大幅度节省了硬件资源，提高了运算效率，实现了信道化滤波器在通用ＦＰ—　ＧＡ和ＤＳＰ芯片中的实时处理，硬件仿真结果验证了算法模型的正确性和有效性。　关键词：多相滤波器；信道化滤波器；高效算法；带通滤波器　中图分类号：ＴＮ７１３　文献标识码：Ａ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｏｌｙｐｈａｓｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　Ｂａｎｄｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒｓ　Ｑｉｎ　Ｗｅｎｂｉｎｇ　，Ｌｕｏ　Ｌａｉｙｕａｎ　，Ｙｅ　Ｚｈｏｎｇｆｕ　（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，６１００４１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ，２３００２７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｈｕｇｅ　ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ，ａｎｄ　ｉｔ　ｌｉｍ—　ｉｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｆｉｌｔｅｒ．Ａ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｏｌｙｐｈａｓｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｂａｎｄ—ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒｓ　ｉｓ　ｄｅｄｕｃｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｐｏｌｙｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｆｉｌｔｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｅｎｔｅｒｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｏｌｙｐｈａｓｅ　ｆｉｌｔｅｒ　ｓｔａｇｅｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｏｗ—ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｉｎ　ｐｏｌｙｐｈａｓｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｍｏｄｅｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂａｎｄ—ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄ　ＤＦＴ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｉｎ　ＦＰＧＡ　ａｎｄ　ＤＳＰ　ｗｉｔｈ　ｔＷＯ　ｓｔａｇｅｓ．Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｉｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ＦＰＧＡ　ａｎｄ　ＤＳＰ　ｗｉｔｈ　ｆａｒ　ｌｅｓｓ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｐｈａｓｅ　ｆｉｌｔｅｒｓ；ｃｈａｎｎｅｌ　ｆｉｌｔｅｒｓ；ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｂａｎｄ—ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　

变采样多相滤波器组信道化接收机的实现

唐尧;李波;左晓亚;杨懋;闫中江

【摘 要】针对多相滤波器组信道化接收机的通道采样率在数值上等于通道带宽,因此无法兼顾最优信道带宽和最优采样率的问题,提出一种基于嵌入式变采样多相滤波器组的信道化接收机.该信道化接收机根据要求的变采样率改变数据的输入速率,并依据数学推导对原有系统的结构进行变形,可有效解决多相滤波器组通道采样率和通道带宽的耦合问题,从而实现嵌入式变采样的目的.本接收机设计方法在兼顾系统最优采样和最小信道带宽要求的前提下,能有效避免频道浪费或复杂的插值算法.仿真结果表明,该接收机在不增加计算量的基础上能有效改变采样率,提高系统实时处理能力.

【期刊名称】《雷达科学与技术》

【年(卷),期】2018(016)002

【总页数】7页(P226-232)

【关键词】多相滤波器;信道化接收机;嵌入式变采样;软件定义无线电

【作 者】唐尧;李波;左晓亚;杨懋;闫中江

【作者单位】西北工业大学电子信息学院,陕西西安710129;西安电子工程研究所,陕西西安710100;西北工业大学电子信息学院,陕西西安710129;西北工业大学电子信息学院,陕西西安710129;西北工业大学电子信息学院,陕西西安710129;西北工业大学电子信息学院,陕西西安710129

【正文语种】中 文 【中图分类】TN713;TN957

0 引言

军用通信及电子战设备在使用过程中，为了感知全局信息往往需要侦听并解调多个频道上的信号，这要求接收机具有多信道的处理能力。

多信道接收机的主要难题是需要对整个频段进行搜索监听，以确定在哪个信道上出现信号。如果按常规的超外差接收机设计，采取逐信道移频滤波的方式进行监听，往往会遗漏或丢失部分信道上的信号，即无法进行全概率信号截获[1]。

在通信、雷达及电子对抗领域利用软件无线电手段对数字域信号处理流程进行变形，可以获得基于多相滤波器组的信道化接收机[2-3]。该接收机能有效将数据流由串行处理转化为N通道的降采样并行处理[4-5]，但其缺陷是信道带宽和降采样后的采样率在数值上相等，这不利于后续的时间同步处理[6]。

多相dc-dc变换

多相DC-DC变换器是一种用于提高功率转换效率和性能的电源转换技术，尤其在高功率密度和大电流应用场合。这种变换器通常将输入直流电压转换为不同电压等级的输出直流电压，同时通过并行运行多个相同的单相转换器来分散功耗和减少滤波元件的体积。

一、基本工作原理：

在多相DC-DC转换器中，每个单相模块都具有自己的开关元件（如MOSFET或IGBT）和控制电路，并且所有单相单元以交错的方式工作，即不同的相位在不同的时间点切换。这种方式能够使得输出电感上的电流连续而平滑，从而显著减小输出纹波、降低滤波要求以及改善系统的瞬态响应。

例如，在降压型（buck）多相转换器中，多个相同相位的转换器依次对输入电压进行斩波，并将其平均值叠加到输出电容上，这样可以实现较大电流的平稳传输，同时降低了峰值电流，减少了导通损耗。

二、优势：

1. 均流特性： 多相设计可以自然地实现负载均衡，各个相位之间可以通过电流共享技术分配功率，避免单一器件过载。

2. 更高的效率： 由于每个阶段的开关频率较低，开关损耗得以减少，而且输出滤波器尺寸较小，总体效率得到提升。 3. 更好的热管理： 功率分散在多个相位间，有利于降低单一组件的温升，提高整个系统的可靠性。

4. 改进的动态性能： 通过交错控制技术，系统响应速度更快，能够更好地应对快速变化的负载需求。

三、结构组成：

多相DC-DC变换器主要由以下部分组成：

1. 输入滤波器

2. 多个独立的开关子模块

3. 输出滤波电感与电容

4. 控制电路，包括PWM控制器及相关的驱动电路，用来协调各个相位的工作状态

5. 监控与保护电路

四、应用领域：

多相DC-DC变换器广泛应用于高性能计算、数据中心服务器电源、电信设备、电动汽车充电系统以及其他需要高效能和高稳定性的电源供应场景中。