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基于多相滤波的数字接收机的FPGA实现
0 引言
信道化接收机是在并行多通道接收机基础上提出的全概率频分信道化接收机，它克服了多部接收机并行工作、多通道下变频等方案具有的设备复杂，各通道性能不一致和可靠性差的缺点。
数字信道化接收机具备大的瞬时带宽、较高的灵敏度、大的动态范围，能够检测和处理同时到达的信号、准确的参数测量能力和一定的信号识别能力。
直接信道化接收机的运算量大且输出速率与采样速率相同，实现困难，后续处理的压力很大，高速ADO与慢速信号处理器（FPGA，DSP）是一个瓶颈；基于多相滤波的信道化接收机抽取在滤波之前，运算量小，且输出速率低，便于FPGA实现，这使得在一片FPGA中实现数字信道化成为可能。
本文利用信道频率重叠的方法连续覆盖整个瞬时带宽，然后利用Rife算法测频，根据信道重叠的特点，消除虚假信号。
系统带宽为875 MHz（62.5～937.5 MHz），可以处理两个同时到达的信号，并实时给出PDW。
1 宽带数字接收机的结构
1．1 数字信道化原理。
基于多相结构的均匀DFT滤波器组的设计与实现
郎非
【期刊名称】《科技信息》
【年(卷),期】2012(000)029
【摘要】设计并实现了一个均匀DFT滤波器组,该滤波器组能够较为方便的应用于分频带编码中.利用基于多速率技术分析滤波器组实现信号多通道传输,均匀DFT变换实现分频带,并对各子带信号按信息的重要性,分别应用不同的量化级数达到信号压缩的目的.利用多速率信号处理的多相结构和网络等效变换技术,提高了滤波器组的计算效率.改算法具有一定的理论意义和实用价值,计算机仿真结果证明了该实现结构的可行性和有效性.
【总页数】2页(P123,127)
【作者】郎非
【作者单位】南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于多相结构小波滤波器组的高效测量算法研究 [J], 李雪梅;郭俊龙;王学伟
2.FFT、PFT和多相位DFT滤波器组瞬态响应的比较 [J], John Lillington
3.基于相位调制的非均匀DFT调制滤波器组的构造算法 [J], 周芳;水鹏朗
4.利用多相分解的滤波器组高效实现结构的研究 [J], 赵知劲
5.线性相位非均匀带宽DFT调制滤波器组设计 [J], 蔡宇;郝程鹏;侯朝焕
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基于多相滤波的高速滤波器FPGA设计
孙健;韩文俊;凌元
【期刊名称】《遥测遥控》
【年(卷),期】2018(039)005
【摘要】针对吉赫兹数据率实时滤波处理的工程化难题,在传统的多相抽取滤波器基础上进行数学推导,提出一种基于多相滤波的高速滤波器FPGA简便设计方法.该方法在输出数据率不变的前提下,通过多相滤波降低了运算速率,并且实现架构统一,无需额外资源开销,便于模块化设计.仿真结果验证了其可行性.
【总页数】6页(P27-32)
【作者】孙健;韩文俊;凌元
【作者单位】中国电子科技集团公司第十四研究所南京 210012;中国电子科技集团公司第十四研究所南京 210012;中国电子科技集团公司第十四研究所南京210012
【正文语种】中文
【中图分类】TN911
【相关文献】
1.一种基于多相滤波器的高速匹配滤波器方法 [J], 程诚
2.高速上下变频FIR滤波器的FPGA设计 [J], 王永纲
3.复信号多相滤波器的无盲区算法与FPGA设计 [J], 苏颖妍;杨刚
4.基于大带宽多相滤波器的FPGA设计与仿真 [J], 白云鹏;陈应兵;周生奎;朱勇锋;李凯
5.多相滤波的正交处理器与多相滤波器组信道化接收机的分析 [J], 宋莹莹;王宏民;赵生明
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多相滤波matlab1. 简介多相滤波是一种数字信号处理中常用的滤波器设计方法，其主要用于减小滤波器延时和滤波器阶数。
在MATLAB中，可以使用信号处理工具箱中的函数来实现多相滤波器的设计和应用。
2. 多相滤波器的原理多相滤波器是通过将一个滤波器的冲击响应分解成多个具有不同延时的子滤波器来实现的。
这样做的好处是，可以减小整个滤波器的延时，并且可以使用更低阶的滤波器来实现相同的滤波效果。
多相滤波器的设计过程包括以下几个步骤：- 设计一阶滤波器- 将一阶滤波器结果延时- 按照一定的规则组合延时后的滤波器结果3. 多相滤波器的设计方法在MATLAB中，可以使用 `multirate` 函数来设计多相滤波器。
此函数需要提供滤波器的截止频率、抽样率和滤波器的阶数作为输入参数。
它将返回多相滤波器的系数。
具体的设计步骤如下：1. 确定滤波器的抽样率和截止频率。
2. 使用 `firpmord` 函数来估计滤波器的阶数。
3. 使用 `firpm` 函数来设计滤波器的系数。
4. 调用 `multirate` 函数来生成多相滤波器。
4. 多相滤波器的应用举例多相滤波器在信号处理领域有广泛的应用。
例如，在音频处理中，多相滤波器可以用于数字降噪、音频增强以及音频编解码等方面。
在图像处理中，多相滤波器可以用于图像增强、边缘检测和图像压缩等应用。
在MATLAB中，我们可以利用多相滤波器对音频信号进行降噪处理。
首先，我们需要加载音频文件，然后使用 `multirate` 函数生成多相滤波器，并将音频信号输入到滤波器中进行处理。
5. 总结多相滤波是一种常用的滤波器设计方法，通过分解滤波器的冲击响应，使得滤波器具有较小的延时和阶数。
MATLAB提供了多相滤波器的设计和应用函数，方便用户设计和实现多相滤波器。
多相滤波器在音频和图像处理等领域有广泛的应用，能够有效降低信号的噪声并提升信号质量。
基于FPGA的FIR数字滤波器的设计和实现摘要：本文基于FPGA平台实现了一种FIR数字滤波器，通过对滤波器的设计与实现过程的详细介绍，展示了FPGA在数字滤波器中的应用优势。
首先介绍了数字滤波器的原理及其在信号处理中的重要性，并对FPGA及其特点进行了概述。
接着，详细介绍了FIR滤波器的原理以及其在FPGA上的实现步骤，分析了滤波器设计中需要考虑到的各种因素。
最后，通过实验验证了FPGA上实现的FIR滤波器的性能，并对优化策略进行了讨论。
关键词：FPGA，FIR滤波器，数字信号处理，性能优化1. 引言数字滤波器是现代信号处理的重要组成部分，通过选择性地传递或抑制输入信号的特定频率组成部分，对信号进行处理和改善。
FIR滤波器是数字滤波器中最常用的一种类型，具有线性相位特性、稳定性较强以及易于实现等优势。
而FPGA作为一种可编程逻辑器件，具有灵活性高、可重构性强等特点，成为实现数字滤波器的理想平台。
2. FIR滤波器的原理FIR滤波器是一种线性时不变系统，其输出仅和当前输入值以及过去若干个输入值有关。
该滤波器的输出可以通过输入信号的线性加权和来计算，其中，每个输入值的加权系数通过FIR 滤波器的系数来确定。
FIR滤波器的系数决定了它对不同频率分量的响应，从而实现了信号的滤波目的。
3. FIR滤波器在FPGA上的实现步骤（1）选择合适的FPGA平台和开发工具，如Xilinx FPGA平台和Vivado开发工具。
（2）根据所要设计的滤波器的需求，确定其采样频率、截止频率和滤波器类型等参数，并进行系统级设计。
（3）根据所选参数，设计FIR滤波器的传递函数，并确定滤波器的阶数和系数。
（4）通过数学运算或者通过滤波器设计软件生成滤波器的差分方程。
（5）根据生成的差分方程，使用HDL（HardwareDescription Language）进行滤波器的编写。
（6）进行FPGA的综合、布局与布线、下载与验证，完成滤波器的硬件实现。
第六章多速率滤波器的FPGA的实现1.引言多速率滤波器在数字信号处理领域中有着广泛的应用。
其中，FPGA （Field-Programmable Gate Array）作为一种可重构硬件平台，可以提供高速、低延迟、低功耗的滤波器实现方法。
本章将介绍多速率滤波器在FPGA上的实现方法。
2.多速率滤波器的原理多速率滤波器是指对输入信号进行不同采样率的滤波处理。
一般而言，多速率滤波器由两部分组成：上采样和滤波，下采样和滤波。
上采样和滤波将输入信号插入零值，并通过低通滤波器进行平滑处理；下采样和滤波将经过滤波的信号降低采样率，以减少数据量和处理复杂度。
3.多速率滤波器的FPGA实现在FPGA中实现多速率滤波器，需要首先对滤波器进行离散时间傅里叶变换（DFT）或快速傅里叶变换（FFT）。
这样可以将滤波器的时域表示转化为频域表示，以提高计算效率。
接下来，需要根据滤波器的频域表示，设计FPGA的逻辑电路，以实现滤波的功能。
4.FPGA的多速率滤波器实现流程1）将输入信号进行上采样，即在原信号中插入零值，得到高采样率的信号。
2）将高采样率的信号通过低通滤波器进行平滑处理，得到滤波后的信号。
3）将滤波后的信号进行下采样，即降低采样率，以减少数据量和处理复杂度。
4）将下采样后的信号通过低通滤波器进行平滑处理，得到最终输出的信号。
5）根据设计的滤波器的频域表示，使用FPGA的逻辑电路实现上述流程。
5.FPGA实现多速率滤波器的优势FPGA作为一种可重构硬件平台，相较于传统的通用处理器1）高速：FPGA可以通过并行处理大大提高滤波器的计算性能。
2）低延迟：采用FPGA实现的滤波器可以实时响应输入信号，减少处理延迟。
3）低功耗：FPGA可以根据实际需求配置逻辑单元，减少功耗。
4）可重构性：FPGA可以根据实际应用场景的需求进行硬件逻辑的重新配置。
6.结论本章介绍了多速率滤波器在FPGA上的实现方法，并探讨了FPGA实现多速率滤波器的优势。
GNU Radio是一个开源的信号处理工具，可以用于构建无线通信系统。
以下是一个简单的GNU Radio编程范例，用于实现一个简单的数字调制解调器。
首先，安装GNU Radio和必要的软件包。
你可以在GNU Radio的官方网站上找到安装指南。
创建一个新的GNU Radio流程图。
在终端中输入以下命令：复制代码gnuradio-companion这将打开GNU Radio Companion（GRC）编辑器。
3. 在GRC编辑器中，创建一个新的流程图。
在菜单栏中选择“File”->“New Flow Graph”。
4. 从左侧的模块库中拖动以下模块到工作区域：输入源模块（如“file source”）频率转换模块（如“freq_xlating_fir_filter”）调制模块（如“constellation modulator”）解调模块（如“constellation demodulator”）输出目的地模块（如“file sink”）将这些模块连接在一起，形成完整的信号流图。
确保正确连接每个模块的输入和输出端口。
在频率转换模块中，设置适当的频率和采样率参数，以匹配你的信号频谱和采样率。
在调制模块和解调模块中，选择适当的调制方式（如QPSK、QAM等）。
在文件源模块中，指定要读取的输入文件路径。
在文件接收模块中，指定要写入的输出文件路径。
点击工具栏上的“Run”按钮，开始运行流程图。
你应该能够看到信号的调制和解调结果输出到指定的文件中。
你可以根据需要调整各个模块的参数，以优化性能或适应不同的信号条件。
这个范例演示了如何使用GNU Radio构建一个简单的数字调制解调器。
你可以根据自己的需求扩展和修改这个范例，以实现更复杂的通信系统。
现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep. 2023Vol. 46 No. 182023年9月15日第46卷第18期0 引 言数字滤波是数字信号处理（Digital SignalProcessing, DSP ）的重要内容，其作用是抑制或滤除传输信号所不需要的某些频率成分。
有限脉冲响应（Finite Impulse Response, FIR ）数字滤波器的采样值和单位冲激响应是有限长的，系统性能稳定，且具有严格的线性相位特性。
因此，FIR 数字滤波器被广泛应用于现代通信系统中，是航天测控、卫星导航、移动通信、雷达探测等领域的重要研究课题[1]。
传统数字滤波器需要多个乘法器来实现，在实际航天测控通信系统中一般采用FPGA （Field Programmable Gate Array ）进行并行处理[2]，但是它复杂度高、计算速度慢、处理效率低、数据延迟大[3]。
改进型滤波器结构[4]、分布式算法[5]、分划松弛算法[6]、卷积算法[7]、粒子群算法[8]等方法被用来提高数字滤波器的效率，但仍存在单一滤波参数无法适应复杂滤波场景、实时性不好的问题。
传统FIR 数字滤波器的滤波参数通常固定不变，其频率响应特性、通带类型、滤波带宽、截止频率、带内波DOI ：10.16652/j.issn.1004‐373x.2023.18.007引用格式：王媛，金磊，曾富华.基于FPGA 的多功能FIR 数字滤波器设计[J].现代电子技术，2023，46（18）：38‐42.基于FPGA 的多功能FIR 数字滤波器设计王 媛， 金 磊， 曾富华（中国西南电子技术研究所， 四川 成都 610036）摘 要： 现代测控通信系统为航天器传输的测控信号模式多样、特性复杂。
针对传统数字滤波器无法满足滤波特性多变的问题，设计一种基于FPGA 的多功能FIR 数字滤波器。
根据任务需求选择满足性能指标的窗函数、频率响应特性、滤波带宽等控制命令，调用ROM 表中对应的滤波参数，满足多功能滤波需求，采用对称型滤波结构节省FPGA 硬件资源，利用乒乓缓存的操作满足信号滤波实时性，通过Verilog HDL 语言实现多功能FIR 数字滤波器。
基于GNURadio的CMA盲均衡器和锁相环组合设计与实现李晓光;潘克刚【摘要】在分析Bussgang类恒模算法(Constant Modulus Algorithm,CMA)盲均衡基础上,使用改进型CMA结合二阶锁相环(PLL)的盲均衡方法,实现对MQAM(M=4,16,64)和MPSK(M=2,4,8)信号经过高斯噪声信道后发生的频率偏移和相位偏移的消除.组建了基于GNURadio和USRP软件无线电平台的CMA+PLL 盲均衡处理模块.通过对MQAM和MPSK信号的测试,模块在噪声影响下对信号频率和相位偏移依然有良好的纠正性能,为使用软件无线电平台实时接收处理信号做好模块化验证.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2018(037)007【总页数】4页(P67-70)【关键词】盲均衡常模算法;二阶锁相环;GNURadio;USRP【作者】李晓光;潘克刚【作者单位】中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院,江苏南京210007;中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TN919.3+40 引言在通信系统中不理想的信道会对信号造成畸变，其中非常普遍的畸变就是信道间干扰和码间干扰，会使信号的频率发生频移和相位发生偏转，降低数据传输的可靠性。
为此，常在接收端采用适当补偿的方式解决畸变问题。
Bussgang类盲均衡算法是以一种迭代方式进行盲均衡，缺点是算法收敛时间长，收敛后稳态剩余误差大[1]。
Godard最早提出恒模算法(Constant Modulus Algorithm,CMA)，它是Bussgang类盲均衡算法中最常用的一种[2-3]。
郭晓宇、赵宝峰等对恒模盲均衡算法进行了改进[4-5]。
童本锋设计了基于锁相环的CMA盲均衡器[6]，解决了信号幅度变化和相位偏移补偿的问题。
改进型CMA盲均衡器可以对信号幅度做均衡，其性能优于常规CMA，二阶PLL可以对频偏和相位旋转进行补偿，其性能优于一阶锁相环，而两者结合可以提高收敛速度，减少稳态误差，可以用于实时信号的畸变处理。
基于GNURadio的多相滤波器设计与实现设计 毕业设计 基于GNU Radio多相滤波器的设计与实现
摘要： 线电是无线通信领域提出的新的通信系统结构，主要以拓展性，结构
简单化地硬件作为通用平台，以可替换的软件来实现更多的通信功能。GNU Radio是用软件来定义无线电波发射和接收的方式，与硬件相结合，搭建无线电通信系统的开源软件系统，使得无线电领域所遇到的数字调制问题变成软件问题。本文以GNU Radio为基础，实现多相滤波器系统。对多相滤波器做了简单的介绍，包括滤波器的组成模块，实现原理，同时讨论了多相滤波器如何实现信道化，最后介绍了滤波器的设计步骤，分析实现多相滤波器仿真结果。
关键词： 软件无线电，GNU Radio，多相滤波器 21
目录 一、引言 .......................................................... 3 1.1、软件无线电的介绍 ....................................... 3 1.2、GNU Radio的产生和应用现状 ............................. 4 1.3、本课题的主要工作 ....................................... 4 二、软件无线电和GNU Radios的原理 ................................. 5 2.1、软件无线电系统的结构和特征 ............................. 5 2.2、GNURadio的介绍 ........................................ 6 2.3、GNURadio安装与使用 .................................... 7 2.3.1、 Ubuntu的安装 ................................ 7 2.3.2、GNU Radio的安装 .............................. 8 三、多相滤波器理论原理及其应用 ................................... 10 3.1、多相滤波器的理论知识 .................................. 10 3.1.1、采样定律 ..................................... 10 3.1.2、多采样滤波器 ................................. 11 3.1.3 、互换等效性 .................................. 14 3.1.4、重采样 ....................................... 15 3.2、FIR滤波器的概念与结构 ................................ 16 3.3、滤波器的信道化选择 .................................... 18 3.4、多相滤波结构的作用 .................................... 19 四、GNURadio的多相滤波器系统设计和实现 ........................... 20 4.1、GNR Radio多相滤波器的基本组建 ........................ 20 4.2、基于GNU Radio设计多相滤波器设计流程图 ................ 21 4.3、相滤波器的设计 ........................................ 21 五、实验结果 ..................................................... 25 六、总结 ......................................................... 28 参考文献 ......................................................... 29 21
致谢 ............................................................. 30 一、引言
1.1、软件无线电的介绍 软件无线电（Software Defined Radio）：是无线通信实现的新概念，即是采用现代软件来实现控制传统的“纯硬件电路”无线通信。软件无线电技术首先是运用在军事上，但由于它的优点突出，很快该技术开始运用到民用的无线移动通讯行业。软件无线电新技术的出现，打破了传统的通信功能只能依赖硬件格局发展的单一局面，如今，通信功能以硬件无线通信设备作为基本平台，功能的实现更多地由软件来发挥作用。软件无线电新技术的出现，对于通讯领域来说，是继“固定通信—移动通信”“模拟通信—数学通信”之后的第三次技术变革。因此，如何更好地去研发和运用软件无线电技术，是一项艰巨的任务。 和传统的无线电系统相对比，软件无线电体统有其自身突出的特点。传统的无线电系统的调制方式和频段都有对应的硬件结构，其滤波和基频处理、上/下变频、射频部分都采用了模拟方式，虽然数码无线电系统的低频部分采用了数字电路，但是其射频和中频部分还是离不开模拟电路。软件无线电系统是将D/A、A/D变换移动至中频，尽可能接近射频天线，并是对整个系统进行了采样处理。而且软件无线电是用DSP器件来替代数字电路，这样，系统的功能实现和硬件结构相对独立，整个系统就能基于一个通用、开放的硬件平台，利用各种软件技术实现各种不同的通信功能，并通过软件编程来实现对工作频率、调制方式、系统宽带的选择，极大地提高了系统的灵活性。 软件无线电新概念的提出，引起了无线电领域的广泛关注，成为了未来通 21
讯技术的发展新方向，它不仅在电子战、雷达等国防军事方面得到广泛应用，在智能化家电、数字化通信方面也有它的身影。各国都争先恐后进行相关方面的研究，尤其美国，美国军方已经制定了具体的发展规划。而我国对于软件无线电技术的研究非常重视，设立了多项重点研究项目。现在，人们对软件无线电的研究日趋成熟，已经开始将其应用到我们生活的各个方面。
1.2、GNU Radio的产生和应用现状
GNU Radio是一套免费开源软件的开发工具。它提供了信号处理和运行模块来支持软件无线电，并使用微处理器和低成本的RF(外部射频)去实现软件定义无线电，它广泛应用于无线通信领域的研究。对于GNU Radio，主要是采用Python编程语言，而它的核心的模块是由C++在带浮点运算的微处理器上进行构建的，这也决定了用户能够快速建立一个高吞吐量、实时的无线电系统。虽然GNU Radio的主要功能不是用来模拟仿真的，但是在没有硬件情况下，使用预先生成的数据来进行信号处理研究。 GNU Radios的硬件平台USRP系列产品在世界各地有着各式各样的广泛应用，在商业生活和国防系统中都能看到它的身影。尤其是国防系统，USRP系列产品能够以低预算，快速成型和部署先进等优点已经被发达国家的军事和情报服务机构广泛应用。
1.3、本课题的主要工作
本论文通过设计和研究GNU Radio软件，实现软件无线电的基本方案，其主要的工作是学会使用GNU Radio软件和实现多相滤波器结构。主要内容包括了： 学习和掌握软件无线电的概念、工作原理和发展状况； 学习和掌握GNU Radio的安装和使用方法； 21
学习和掌握多相滤波器的相关理论知识和设计方法； 用GNU Radio软件为基础，设计多相滤波器，同时提出基本实现 方案。
二、软件无线电和GNU Radios的原理 2.1、软件无线电系统的结构和特征 构成软件无线电系统的基本部件包括了：多频段射频变换器，含有A/D和D/A转换器的芯片，电源，天线和通用处理器等，这些部件执行了无线通信功能。 软件无线电系统的硬件结构比较简单，通过处理流程图来了解其各个硬件。上图为接收通道，信号由天线通过RF的前端接收，再经过模拟数字转换器ADC进行转换，最后由代码的作用转化为信息。类似的，在发射通道，数字信号由代码处理计算生成，再由DAC将其转为模拟信号，最后再从RF前端发射出去。通过流程我们也可以看出，软件无线电结构完成的主要功能关键在软件无线代码。 处理流程图： 21
图2.1 软件无线电处理流程图[1]
对于分析软件无线电处理流程，我们还应理解以下特点： 数字化和编程化，在整个过程中，除了少部分以模拟方式实现，例如低噪声放大，放大功率，滤波，其余部分都是在模数转换后再由代码编程计算处理实现的，例如差错编码、调制解调、信道均衡等。 开放性和灵活性，软件无线电采用了模块化地结构，它的硬件在技术不断发展的前提下不断更新，软件模块也不断升级，增加新功能的方法简单，而且软件无线电不仅能和旧体制的电台进行兼容，也能够和新体制的电台进行工作，这样能够最大限度地保证了软件无线电技术的生命周期。
2.2、GNURadio的介绍 GNU Radio的编程是Python脚本语言和C++两者的混合，其中，Python用于实现高级组织、图形界面和一些对运算性能要求不高的功能，C++因执行效率高，可用于信息处理模块的编写，例如信道编译码模块，FFT变换，调制器，时
