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多相滤波器设计.doc

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.58M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    多相滤波器的设计及仿真 摘要 软件雷达是现代雷达的重要发展方向。其中数字化中频接收系统是关键技术 之一。本论文以某雷达数字化接收系统为背景，主要研究其中的关键技术——多 相滤波器的原理及设计与仿真。为了更好的理解，本文同时对数字滤波器作了简 单的介绍，包括滤波器的定义、分类与实现方式。对无线电中的两个最基础的概 念内插与抽取也做了介绍。对多相滤波器的原理进行了详细的说明，从公式推导 上进行了理论实现的方法与可能。讨论了多相滤波如何实现信道化。最后介绍了 数字滤波器的设计步骤并实现了多相滤波器的 MATLAB 仿真。 关键词：多相滤波器、软件无线电、数字滤波器。 Abstract Software radar is an important developing direction of modern radar. Which digital intermediate frequency receiving system is the key technical one. This paper taking a radar system for background, digital receiving main research key technology - multiphase the principle of filter and design and simulation. In order to better understanding of digital filter, the paper also makes brief introduction, including the definition, classification and filter implementation. The two most basic to radio the concept interpolation and extract presented also. The principle of multiphase filter for a detailed instructions from the formula, the method to realize the theory with possible. Discusses how to realize the multiphase filtering channelized. At last, the paper introduces the design procedures of the digital filter and realize the multiphase filter MATLAB simulation. Keywords: multiphase filter, software radio, digital filters
    多相滤波器的设计及仿真 摘要 I 第一章 问题的提出 IV 第二章 数字滤波器概论 IV 引言.............................................................................................IV 2.1、数字滤波器的定义.............................................................V 2.2、数字滤波器的实现方式.................................................... V 2.3、数字滤波器的分类.............................................................V 2.4 实际滤波器的设计指标...................................................... VI 第三章 多相滤波器的理论原理 VII 引言........................................................................................... VII 3.1 整数倍抽取.........................................................................VII 3.2 整数倍内插.........................................................................VII 3.3 抽取内插器的实时处理结构——多相滤波结构...........VIII 3.4 频域抽取.............................................................................. IX 3.5 用加权函数展宽输出滤波器..............................................XI 3.6 改变输出采样速率.............................................................XII 3.7 多相滤波器实现信道化................................................... XIII 第四章 多相滤波器的 MATLAB 仿真 XIV
    多相滤波器的设计及仿真 引言..........................................................................................XIV 4.1 数字滤波器设计的理论基础........................................... XIV 4.2FIR 窗函数设计法.............................................................. XV 4.3 多相滤波器的 MATLAB 仿真.........................................XVI 第五章 总结 XIX 参考文献 错误！未定义书签。 致 谢 错误！未定义书签。
    多相滤波器的设计及仿真 第一章 问题的提出 随着 A/D(analog-to-digital)变换技术、DSP(digital signal processing)技术、 FPGA(field programmable gatearray) 技 术 及 ASIC(application specific integrated circuit)等技术的发展，宽带数字化接收机正逐渐成为现代雷达、遥测及通信系统 中必不可少的重要组成部分。但不管什么类型的中频数字化接收机，其基本原理 框图都可采用中频数字化接收机原理框图如图 1 所示。 其中多相滤波器是其中的关键技术，多相滤波可以利用抽取因子实现高效滤 波，也起到抑制镜像干扰和邻道干扰的作用，因此多相滤波器的设计与研究就显 得很重要，本文就在此基础上对多相滤波的原理和实现作了一些简单的讨论。 第二章 数字滤波器概论 引言 出自滤波器与模拟滤波器都是一种选频器件，它对某些频率的信号给予很 小的衰减，使具有这些频率分量的信号比较顺利地通过，而对其他不需要的频率 分量的信号给予较大幅度衰减，尽可能阻止这些信号通过。数字滤波器和模拟滤 波器具有不同的滤波方法，数字滤波器是通过对输入信号进行数值运算的方法来 实现滤波的，而模拟滤波器则用电阻、电容、电感及有源器件等构成电路对信号 进行滤波。因此，数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定性强、灵活度大、 体积小、重量轻、不要求阻抗匹配及实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能等 优点。数字滤波器要求输入、输出信号均为数字信号。 本章介绍数字滤波器的定义、分类及实际滤波器的设计指标。
    多相滤波器的设计及仿真 2.1、数字滤波器的定义 数字滤波器（Digital Filter）通常是指一个用有限精度算法实现的离散线性 时不变系统。因此它具有线性时不变系统的所有特性。 通常用的数字滤波器一般属于选频滤波器。假设数字滤波器的频率响应 jH e   用下式表示：  H e j     H e j     j e  式中，  jH e    称为滤波器幅频响应；  称为滤波器相频响应。幅频响应 表示信号通过该滤波器后各频率成分的衰减情况，而相频响应反映各频率成分通 过滤波器后在时间上的延时情况。因此，即使两个滤波器幅频响应相同，只要相 频响应不同，对应相同的输入，滤波器的输出信号波形也是不一样的。 滤波器的特性最容易通过它的幅频响应的形状来描述。滤波器在某个频率 的幅度增益决定了滤波器对此频率输入的放大因子，增益可任意取值。增益高的 频率范围，信号可以通过，称之为滤波器的通带；相反增益低的频率范围，滤波 器对信号有衰减或阻塞作用，称之为滤波器的阻带。例如低通滤波器使低频成分 通过，阻碍高频成分；高通滤波器则相反，使高频成分通过，阻碍低频成分。理 想滤波器的幅频响应是矩形，即通带的增益为 1，阻带的增益为 0，然而这种理 想滤波器是不可能实现的。如图: 2.2、数字滤波器的实现方式 数字滤波器的实现方式一般可以分为两种，即软件实现和硬件实现。软件 实现指的是在通用计算机上执行滤波程序。这种方法灵活，但一般不能完成实时 处理。硬件实现指的是在单片机、FPGA 或 DSP 芯片上实现，由于硬件运算速 度快，可以实现实时处理，因此在实际系统中经常用硬件来实现各种数字滤波器。 2.3、数字滤波器的分类 数字滤波器按照不同的分类方法，有许多种分类，但总体可以分为两大类。
    多相滤波器的设计及仿真 一类称为经典滤波器，即一般的线性系统滤波器。另一类即所谓的现代滤波器。 现代滤波器的理论简历在随机信号处理的理论基础上，它利用了随机信号内部的 统计特性对信号进行滤波，例如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等， 在此不做讨论。 经典滤波器的分类可以从滤波功能和实现的网络结构或者单位脉冲响应来 划分。 从滤波功能上分类，和模拟滤波器一样，可以分为低通、高通、带通和带 阻等滤波器。需注意的是数字滤波器的频率响应  波器的低通频处于 2的整数倍处，而高通频带处于的奇数倍附近，这一点和 都是以 2为周期的，滤 jH e  模拟滤波器是有区别的。 从实现的网络结构或者单位脉冲响应分类，可以分成无限脉冲响应（IIR） 滤波器和有限脉冲响应（FIR）滤波器。系统函数如下：   H z  1  r b z r M    0 N r  k 1   k a z k   H z N 1    n  0   h n z  n 2.4 实际滤波器的设计指标 理想滤波器的脉冲响应为非因果且无限长序列。一次它不能通过时移来转 变为因果系统。另外，无限长脉冲响应不能直接转换为非递归差分方程。简单的 方法就是把理想脉冲响应两边响应值很小的采样点截去，将脉冲响应变为有限 长，再进行时移得到因果系统，使得脉冲响应所描述的滤波器可用。截短对滤波 器的影响： 截短后，滤波器幅频响应曲线不再是理想矩形。 通带不再平坦，有过渡带。 同时阻带衰减不再为零。 脉冲响应保留的采样点越多，即滤波器阶数越高，滤波器形状越接近理 Wp 和 ws 分别称为通带截止频率和阻带截止频率。
    多相滤波器的设计及仿真 参数 1定义了通带波纹，即滤波器通带内偏离单位增益的最大值。 参数 2 定义了阻带波纹，即滤波器阻带内偏离零增益的最大值。 参数 tB 定义了过渡带宽度，即阻带下限和通带上限之间的距离，或： B   t p  s 。过渡带一般是单调下降的。 第三章 多相滤波器的理论原理 引言 多相滤波过程式按照相位均匀划分把数字滤波器的系统函数 H(z)分解成若 干个具有不同相位的组，形成多个分支，在分支上实现滤波。 采用多相滤波结构，可利用多个阶数较低的滤波来实现原本阶数较高的滤 波，而且每个分支滤波器处理的数据率仅为原数据率的 I/D，这为工程上高速实 时信号处理提供了实现途径。本章介绍了多相滤波的相关知识及 FIR 数字滤波器 设计的一般步骤。 3.1 整数倍抽取 所谓整数倍抽取是指把原采样序列 x(n)每隔（D-1 个数据取一个，以形成一 个新序列 x(M)，即：      Dx m x mD 式中，D 为正整数，抽取过程如图 2.16 所示，抽取器用符号表示则如图 2.17 所示。很显然如果 x(n)序列的采样率为 fs，则其无模糊带宽为 fs/2.当以 D 倍抽取 率对 x(n)进行抽取后得到的抽取序列 x(m)之取样率为 fs~D，其无模糊带宽为 fs/(2D)，当 x(n)含有大于 fs/(2D)的频率分量时，x(m)就必然产生频谱混叠，导致 从 x(m)中无法恢复 x(n)中小于 fs/(2D)的频率分量信号。此处不予证明（证明过 程见软件无线电原理与应用 2.3.1 整数倍抽取。） 由此可以得出一个完整的 D 倍抽取器结构如图 2.20 所示。途中 H()为其带宽 小于 的低通滤波器。但有一点需要指出，即当原始信号的频谱分量 X()本身就 小于 时，则前置低通滤波器可以省去。多速率信号处理中的抽取理论是软件无 线电接收机的理论基础。 3.2 整数倍内插 所谓整数倍内插就是指在两个原始抽样点之间插入(I-1)个零值，若设原始抽 样序列为 x(n)，则内插后的序列为 x(m)为：
    多相滤波器的设计及仿真    m I     , m    , 2 , I 0, I   x m x I    内插过程如图 2.21(a)、2.21(b)所示，内插器的符号表示如图 2.22 所示。 完整的 I 倍内插器的结构如图 2.24 所示，途中 H 为带宽小于 的低通滤波 器。值得指出的事利用内插不仅可以提高时域分辨率，而且也可以用来提高输出 信号的频率。从 X 的频谱结构可以看出，这时只要用一个戴彤滤波器取出 X 中 的高频成分即可，带通滤波器 H 的频率特性为：  n 1, w B PH 1     n e  jw    I  I 内插图 式中，n=0 对应取出原始基带谱，n=1，2，3，...对应取出基带谱的各各次 倍频分量，这时的内插方框图如图 2.25 所示。显然这时的内插器实际上起到了 上变频作用，使输出频率提高(I-1)倍，而其信号的频谱结构不变。 3.3 抽取内插器的实时处理结构——多相滤波结构 前面介绍了多速率信号处理中的两个最基本的概念，抽取内插，给出了实现 抽泣内插的结构模型。但这两种模型对运算速度的要求事相当高的，这主要表现 在抽取器模型中的低通滤波器 H 位于抽取算子 D 之前，也就是说低通滤波器是 在降速之前实现的：而对于内插器模型，器低通滤波器 H 位于内插算子 I 之后， 也就是说内插器低通滤波器又是在提速之后进行的。总之，无论事抽取器还是内 插器其抗混叠数字滤波均在高取样率条件下进行的，这无疑大大提高了对运算速 度的要求，对实时处理事及其不利的。本节讨论有利于实时处理的抽取器、内插 器的多相滤波结构。 设数字滤波器（诸如内插、抽取器中的低通滤波器）的冲击响应为 h（n）， 则其 Z 变换 H(z)定义为:  H z      n    h  n   n  z 对其展开可重写为：  H z   1  k z  M  k  0    n    h  n M  k   M z  n        e k  n  z  n     n    h  n M  k  z  n E k  z   n 另 则 H(z)可变为： M    H   z 1  k z E  M z  k k  0 上式即为数字滤波器 H（z）的多相滤波结构，其网络如图 2.30 所示。将其
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