一种高效宽带数字接收机设计技术

第４７卷第５期　２００７年１Ｏ月　国钆技　

Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．４７　Ｎｏ．５　Ｏｃｔ．２ｏ０７　

文章编号：１００１—８９３Ｘ（２００７）Ｏ５—０１２０—０３　

一种高效宽带数字接收机设计技术　

陈大海　２，郑立岗　，吕幼新　

（１．电子科技大学电子工程学院，成都６１００５４；２．中国工程物理研究院电子－１－程研究所，四川绵阳６２１９００）　

摘要：介绍了一种宽带数字接收机的设计技术，它结合多相滤波和一定条件下的电路等效关系，把　抽取过程搬移到混频和滤波之前，从而可以高效地接收宽带信号。计算机仿真结果表明该技术是可　

行的。　关键词：宽带数字接收机；数字下变频；多相滤波；抽取　中图分类号：ＴＮ８０２　文献标识码：Ａ　

Ａｎ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｗｉｄｅｂａｎｄ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ　

ｃＨＥＮ　Ｄ口一ｈａｉ　３。ＺＨＥＮＧ　ｌＪ—ｇａｎｇ　，Ｌ１［｝Ｙｏｕ一　

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００５４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　６２１９００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｏｌｙ—ｐｈａｓｅ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｕｎｄｅｒ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｔｏ　ｐｕｔ　ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｈｅａｄ　ｏｆ　ｔｈｏｓｅ　ｏｆ　ｍｉｘｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｒｅｃｅｉｖｅ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ；ＤＤＣ；ｐｏｌｙ—ｐｈａｓｅ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ　

１　引　言　

传统的模拟接收机采用超外差方式将中频信号　

混频到基带，然后通过模拟低通滤波器得到所需要　的信号。数字下变频器（ＤＤＣ）基于同样的原理，只　不过是在数字域进行混频和滤波。图１是数字下变　

频器的基本模型，中频采样信号分别与ＮＣＯ输出的　两个本地载波信号相乘后产生Ｉ、Ｑ两路数据，分别　

进行滤波抽取后得到降速后的数字基带信号。　

图１　数字下变频器基本模型　对于数据率比较低的应用场合，图１所示的结　构可以用ＦＰＧＡ直接实现，但对于数据率比较高的　

应用场合，用ＦＰＧＡ实现时存在以下几个瓶颈：①由　

于数据率较高，ＦＰＧＡ无法用普通的Ｉ／Ｏ引脚接收；　②用常用的查表法无法实现高速ＮＣＯ；③混频器用　

的高速乘法器无法实现；④抽取滤波器中的高速乘　法器和加法器无法实现。解决上述问题的可行途径　

是：寻求高效的ＤＤＣ实现结构，让乘法运算尽量移　到数据率比较低的部分，从而避开高数据率所带来　

的瓶颈。　

本文结合多相滤波和一定条件下的电路等效关　系，把抽取过程移到混频和滤波之前，从而可以高效　地接收宽带数字信号。首先分析了多相抽取滤波的　

基本原理，然后给出了一定条件下的高效数字下变　

频器的等效结构，最后是设计实例和计算机仿真结　果。　

收稿日期：２００７—０３—２０：修回日期：２００７—０７—２２　

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２　多相抽取滤波器的基本原理　

图２抽取滤波的典型结构　

抽取滤波的典型结构如图２所示，包括抗混叠　

滤波器ｈ［ｎ］和　：１抽取器。考虑线性时不变滤波　

器ｈ（ｎ）的ｚ变换有：　

日（ｚ）＝∑ｈＣｎ］ｚ　ｎ　一∞　

：　．ｈ［Ｍｎ］Ｚ－　＋ｚ　ｈ［Ｍｎ＋１１ｚ一　＋…　ｌ＿一　ｌ＿　

＋　肌”∑ｈ［Ｍｎ＋（　一１）ｚ　

＝Ｅｏ　ｚ肼）＋ｚ　Ｅ１（　）＋…＋ｚ－（Ｍ－Ｄ　１（　）　

肼一１　＝∑Ｅ，（ｚＭ）ｚ　（１）　＝０　

其中　（ｚ）＝∑ｈ［Ｍｎ＋ｍ］ｚ～，从而得到图３（ａ）　

所示的基于多相滤波的抽取器结构，再根据分支运　

算和电路恒等关系，可以得到等效的图３（ｂ）所示的　

逆时针开关结构　。从图３（ｂ）可以看出，数字滤波　

器Ｅｋ（ｚ）均位于抽取器之后，即滤波是在降速之后　进行的，这样就大大降低了对处理速度的要求，提高　

了实时处理能力。另外，假设数字滤波器的长度为　

Ⅳ，多相滤波结构的另一个好处是每一分支滤波器　

的系数ｅ　（ｎ）由原来的Ⅳ个减少为Ｎ／Ｍ个，可以减　

少滤波运算的累积误差，提高计算精度。　

（ａ）基于多相滤波的抽取器结构（ｂ）逆时针开关的抽取器结构　

图３多相滤波器的结构　

３　高效数字下变频器ＤＤＣ等效结构　

从图３（ｂ）可以看出，滤波过程已经移到了抽取　之后，因此是高效结构。但从图１可以看到，数字下　

变频器还包括两个用于正交混频的乘法器，这两个　

乘法器位于高数据率部分，从而限制了整个ＤＤＣ系　

统的数据处理能力，影响了高效性。因此，需要通过　

某种方式把这两个乘法器移到低数据率部分。　假设数字本振的中心频率为　，采样时钟为　，　

初始相位为０，则数字本振信号可以表示为　

ｓ（ｎ）＝ｅ—ｊ２　（２）　

根据文献［２］，可以把式（２）分解为　ｓ（ｎ）＝ｅ—ｉ２＂ｒ￣ｏ．／Ｓ　＝ｅ－ｊ＇２　（　∽　（３）　

其中ｍ＝０，１，…，Ｎ一１，Ｎ是正整数，　是数字频率　

余量。对于信道化接收来说，ｍ是指第ｍ个信道，　

而Ⅳ是指总的信道数，　是各个信道所对应的数字　

频率余量。从式（３）我们可以想到，如果选择合适　

的　和　，使得ａｆ＝ｏ，得到：　

ｓ（ｎ）＝ｅ—ｊ２　＝ｅ－Ｊ　，ｍ＝１，２，…，Ｎ一１　

（４）　式（４）表明：如果选择合适的　和　，就可以得　

到相当于ｍ个信道中一个周期采样点为』ｖ的数字　

本振信号。结合图３（ｂ）所示的抽取滤波器的逆时　

针开关结构可以看到，如果选择合适的　和　使得　

Ｎ＝Ｍ，即多相支路数和数字本振在一个周期内的采　

样点相同，则正好可以把数字本振信号周期性地分　

配到各个多相支路中去，于是分配到每个支路的数　

字本振信号如下：　

第一多相支路：ｓ（Ｏ）＝ｓ（Ｎ）＝ｓ（２Ｎ）＝…　

第二多相支路：ｓ（１）：ｓ（Ⅳ＋１）＝ｓ（２Ｎ＋１）＝…　

第Ｍ多相支路：ｓ（Ｎ一１）＝ｓ（２Ｎ一１）＝ｓ（３Ｎ一　１）＝…　也就是说，这样分配到每个多相支路的数字本　

振信号在数值上是相同的，也即是常数，而滤波器是　线性时不变系统，所以在滤波器之前乘常数和滤波　

器之后乘常数是等价的。这样可以把每个支路的数　

字本振信号都可以放到滤波器之后再相乘，从而可　

以得到如图４所示的高效ＤＤＣ结构。此结构的优　

点有：避免了复数滤波（减少了一半的滤波运算）；　

每个滤波器的滤波过程都是在低数据率下进行的；　

混频乘法运算在低数据率下进行。因此，图４所示　

的ＤＤＣ结构是高效的，可以实现宽带数字信号的接　收。　

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图４高效的ＤＤＣ结构　

４设计实例和计算机仿真　

假设接收信号为ＱＰＳＫ调制方式，码速率为３Ｏ　

Ｍｂｉｔ／ｓ，载波ｆｏ＝１８０　ＭＨｚ，输出数据率　

６０　Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ，信号采样率为　，抽取因子为　。为　

了利用图４所示的高效结构，需要满足：　

ｆ争＝　ｍ，ｍ＝１，２，Ｍ一１　Ｉ　１１／１，　，，…，　一　

ｉ　：６。×。。　‘５’　

可以得到ｍ＝３，也就是说Ｍ一１≥ｍ＝３，所以　

得到　≥４。从理论上来说，　取大　就取大，对系　

统的性能会带来好处，但考虑到　过高时ＡＤＣ的精　度会受限，反而会影响系统动态范围，所以在具体选　

择　值时需考虑以下一些因素：Ｍ≥ｍ＋１；选择的　

不会使信号频谱发生混叠　的选择还需要考虑　对ＡＤＣ的精度要求。根据上述条件选择Ｍ＝４，从　

而有　＝２４０　ＭＨｚ，这样采样率的ＡＤＣ精度能达到　１Ｏ　ｂｉｔ，于是可以得到如图５所示的基于ＦＰＧＡ技术　

的宽带接收机框图。　

图５宽带数字接收机框图　

原型滤波器ｈ（ｎ）的长度为５２，采用Ｍａｔｌａｂ函　

数ｈ＝ｆｉｒｌ（５１，１５ｅ６／３０ｅ６）设计，分为４相，每相长　

度为１３。按照上述设计参数进行仿真，从图６可以　看出，经过高效数字下变频后的ＱＰＳＫ信号频谱是　

正确的，证明所述的宽带数字接收机设计技术是可　行的。　

・１２２・　图６数字下变频后ＱＰＳＫ信号频谱　

５　结论　

本文结合多相结构和一定条，牛下的电路等效关　

系，把抽取过程移到了混频和滤波之前，从而给出了　

一种高效的宽带数字接收机设计技术，利用这种技　术可以高效地接收宽带数字信号。这种技术同传统　

的实现方法相比具有以下几个优点：避免了复数滤　波（减少了一半的滤波运算）；每个滤波器的滤波过　程都是在低数据率下进行的；混频乘法运算在低数　

据率下进行。仿真结果表明，本文所给出的高效宽　

带数字接收机设计技术是可行的，该技术已用于某　数字接收机的设计中。　

参考文献：　

［１］Ｆｕｄｇｅ　Ｊ，Ｌｅｇａｋｏ　Ｍ，Ｓｅｈｒｅｉｎｅｒ　Ｃ．Ａｎ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　ｅｆｆｉ　ｃｉｅｎｔ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．ＩＣ．　ＳＰＡＴ．Ｔｏｒｏｎｔｏ，Ｃａｎａｄａ，１９９８：７１３—７１７．　［２］宗孔德．多抽样率信号处理［Ｍ］．北京：清华大学出版　社，１９９６．　

作者简介：　

舞　

Ｃｎｅｒｌｎａｔｌａｌ‘　Ｓｌｎａ．ＣＯｍ：　

郑立岗（１９７４一），男，浙江余姚人，博士，主要研究方向　为数字接收机、雷达信号处理等；　吕幼新（１９６３一），男，四川大竹人，电子科技大学电子　工程学院教授，主要研究方向为数字信号处理、软件无线电　等。

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