超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法
【專利摘要】本發(fā)明技術(shù)方案的思路是：一種超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法，同時對輸入的數(shù)字基帶信號實部和虛部進(jìn)行4倍并行FIR（Finite?Impulse?Response，有限脈沖響應(yīng)）濾波器濾波，然后將濾波器的輸出通過多項濾波結(jié)構(gòu)計算得到數(shù)字中頻信號的偶數(shù)序列和奇數(shù)序列，從而得到輸出的數(shù)字中頻信號。本發(fā)明通過采用4倍并行FIR濾波器濾波，降低了數(shù)字正交調(diào)制實時處理的工作頻率，可在FPGA上實現(xiàn)超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理。
【專利說明】超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)字信號實時處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字正交調(diào)制是將數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字中頻信號的過程，該過程包含對數(shù)字基帶信號的補零插值、低通抗鏡像濾波和數(shù)字混頻三個環(huán)節(jié)。這種調(diào)制方式克服了傳統(tǒng)模擬正交調(diào)制過程中存在的I/Q兩路不正交、幅相平坦度水平低、隨溫度等環(huán)境因素敏感的缺點，可顯著提高輸出信號質(zhì)量。
[0003]超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法的難點是研究能夠在FPGA (FieldProgrammable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)上實現(xiàn)的高數(shù)據(jù)率實時處理方法。例如，針對IGHz (gigahertz，千兆赫)超帶寬信號的數(shù)字正交調(diào)制時，設(shè)計數(shù)字基帶信號的采樣頻率為1.2GHz，數(shù)字中頻信號的采樣頻率為2.4GHz,中心頻率為1.8GHz。對數(shù)字基帶信號做2倍補零插值后，需要實時實現(xiàn)的低通抗鏡像濾波器的工作頻率為2.4GHz,即使采用多項濾波的方式將低通抗鏡像濾波器的實時工作頻率從2.4GHz降低兩倍至1.2GHz,也難以在高性能FPGA上實時實現(xiàn)。因此，有必要研究新的超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法，解決該技術(shù)瓶頸問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:提出一種超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案的思路是:一種超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法，同時對輸入的數(shù)字基帶信號實部和虛部進(jìn)行4倍并行FIR (Finite Impulse Response，有限脈沖響應(yīng))濾波器濾波，然后將濾波器的輸出通過多項濾波結(jié)構(gòu)計算得到數(shù)字中頻信號的偶數(shù)序列和奇數(shù)序列，從而得到輸出的數(shù)字中頻信號。
[0006]本發(fā)明技術(shù)方案是:一種超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法，包括下述步驟:
[0007]設(shè)^⑷和3^011)分別為輸入的數(shù)字基帶信號的實部和虛部，采樣頻率為fs，fs>lGHz，其中，m = O, I, 2，…;設(shè)x(n)為輸出的數(shù)字中頻信號，采樣頻率為2fs，中心頻率為1.5fs，其中，η = O, I, 2，…;對yi(m)和yQ(m)同時進(jìn)行4倍并行FIR濾波器濾波，對濾波后的信號X' (2m)和X' (2m+l)進(jìn)行多項濾波，即可得到χ(η)，其中，具體的包括:
[0008]①數(shù)字基帶信號實部I1 (m)的4倍并行FIR濾波器濾波
[0009]當(dāng)輸入是數(shù)字基帶信號實部yi(m)，濾波器系數(shù)是g(2m)，輸出為χ' (2m)；
[0010]用下式計算輸出X' (2m)的O相分量:
[0011]X' (2(4p)) = yI(4p)*g(2(4p))+yI(4p+3)*g(2(4p+l))* δ (p-1)+ (公式一)
[0012]Y1 (4p+2) *g (2 (4p+2)) * δ (p-1) +yx (4p+l) *g (2 (4p+3)) * δ (p-1)
[0013]用下式計算輸出X' (2m)的I相分量:[0014]χ' (2 (4p+l)) = Y1 (4p+l) *g(2 (4p)) +yx (4p) *g(2 (4p+l)) + 公式二
[0015]Y1 (4p+3) *g (2 (4p+2)) * δ (p-1) +yx (4p+2) *g (2 (4p+3)) * δ (p-1)
[0016]用下式計算輸出χ' (2m)的2相分量:
[0017]χ' (2 (4p+2)) = Y1 (4p+2) *g(2 (4p)) +yx (4p+l) *g(2 (4p+l)) + (公式三)
[0018]Y1 (4p) *g (2 (4p+2)) +yx (4p+3) *g (2 (4p+3)) * δ (p-1)
[0019]用下式計算輸出X' (2m)的3相分量:
[0020]χ' (2 (4p+3)) = Y1 (4p+3) *g(2 (4p)) +yx (4p+2) *g(2 (4p+l)) + (公式四)
[0021 ] Y1 (4p+l) *g (2 (4p+2)) +yx (4p) *g (2 (4p+3))
[0022]在公式一至公式四中，p= 0，I, 2，...,表示數(shù)據(jù)序號，Y1 (4p) ^y1 (4p+l) > yx (4p+2)、Y1 (4p+3)分別表示輸入 yjm)的第 0、1、2、3 相分量，g (2 (4p))、g (2 (4p+l))、g (2 (4p+2))、g(2(4p+3))分別表示濾波器系數(shù)g(2m)的第0、1、2、3相分量，δ (p-1)表示單位延遲響應(yīng)。
[0023]②數(shù)字基帶信號虛部yQ (m)的4倍并行FIR濾波器濾波
[0024]當(dāng)輸入是數(shù)字基帶信號虛部yQ(m)，濾波器系數(shù)是g(2m+l)，輸出為x' (2m+l)。
[0025]用下式計算輸出X' (2m+1)的O相分量:
[0026]χ' (2(4p)+l) = yQ(4p)*g(2(4p)+l)+yQ(4p+3)*g(2(4p+l)+l)* δ (p-Ι)+ (公式五)
[0027]yQ (4p+2) *g (2 (4p+2) +1) * δ (p-1) +yQ (4p+l) *g (2 (4p+3) +1) * δ (p-1)
[0028]用下式計算輸出χ' (2m+1)的I相分量:
[0029]χ' (2(4p+l)+l) = yQ(4p+l)*g(2(4p)+l)+yQ(4p)*g(2(4p+l)+l)+ (公式六)
[0030]yQ(4p+3) *g (2 (4p+2)+1) * δ (p-1)+yQ(4p+2) *g (2 (4p+3)+1) * δ (p-1)
[0031]用下式計算輸出X' (2m+1)的2相分量:
[0032]χ' (2(4p+2)+l) = yQ(4p+2)*g(2(4p)+l)+yQ(4p+l)*g(2(4p+l)+l)+ (公式七)
[0033]yQ (4p) *g (2 (4p+2) +1) +yQ (4p+3) *g (2 (4p+3) +1) * δ (p-1)
[0034]用下式計算輸出X' (2m+1)的3相分量:
[0035]χ' (2(4p+3)+l) = yQ(4p+3)*g(2(4p)+l)+yQ(4p+2)*g(2(4p+l)+l)+ (公式八)
[0036]yQ (4p+l) *g (2 (4p+2) +1) +yQ (4p) *g (2 (4p+3) +1)
[0037]在公式五至公式八中，p = 0, 1, 2，...,表示數(shù)據(jù)序號，yQ(4p)、yQ(4p+l)、yQ(4p+2)、yQ(4p+3)分別表示輸入 yQ(m)的第 0、1、2、3 相分量，g(2(4p)+l)、g (2 (4p+l)+1)、g(2(4p+2)+l)、g(2(4p+3)+l)分別表示濾波器系數(shù)g(2m+l)的第O、1、2、3相分量。
[0038]在公式一至公式八中，每個濾波器的實時計算頻率為0.25fs，可在FPGA上實時實現(xiàn)。濾波器g(m)可采用低通抗鏡像濾波器實現(xiàn)，濾波器階數(shù)越長數(shù)字正交調(diào)制的效果越好，但消耗的FPGA資源也相應(yīng)增加。在實際應(yīng)用時，根據(jù)需要確定濾波器階數(shù)。實驗結(jié)果表明，當(dāng)濾波器g(m)階數(shù)為47階，數(shù)值如下時效果最佳:
[0039]g(0) = g(47) = -30, g(l) = g(46) = -12, g(2) = g(45) = 74, g(3) = g(44)=33, g(4) = g(43) = -148, g(5) = g(42) = -74, g(6) = g(41) = 260, g(7) = g(40)=144, g(8) = g(39) = -421, g(9) = g(38) = -258, g(10) = g(37) = 644, g(ll) = g(36)=434, g(12) = g(35) = -950, g(13) = g(34) = -702, g(14) = g(33) = 1371, g(15)=g(32) = 1115，g(16) = g(31) = -1976，g(17) = g(30) = -1785，g(18) = g(29) =2935,g(19) = g(28) =3016，g(20) = g(27) = -4822，g(21) = g(26) = -6086，g(22) = g(25)=11305，g(23) = g(24)=32767。[0040]③濾波后的信號χ' (2m)和χ' (2m+l)的多項濾波
[0041]將信號χ' (2m)和χ' (2m+l)進(jìn)行如下多項濾波結(jié)構(gòu)計算得到數(shù)字中頻信χ (η)號的偶數(shù)序列x(2m)和奇數(shù)序列x(2m+l)，從而得到輸出的數(shù)字中頻信號。
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法，其特征在于，包括下述步驟:Sy1(HI)和7(3(111)分別為輸入的數(shù)字基帶信號的實部和虛部，采樣頻率為fs，fs>lGHz,其中，m = 0 1,2, - Kn)為輸出的數(shù)字中頻信號，采樣頻率為2fs，中心頻率為1.5fs,其中，n= 0，1，2，…；對yi(m)和yQ(m)同時進(jìn)行4倍并行FIR濾波器濾波，對濾波后的信號X' (2m)和X' (2m+l)進(jìn)行多項濾波，即可得到x(n),其中，F(xiàn)IR是Finite ImpulseResponse,即有限脈沖響應(yīng)，具體的包括: ①數(shù)字基帶信號實部y1(m)的4倍并行FIR濾波器濾波: 當(dāng)輸入是數(shù)字基帶信號實部yi(m)，濾波器系數(shù)是g(2m)，輸出為X' (2m)； 用下式計算輸出X' (2m)的0相分量: X' (2(4p)) = yI(4p)*g(2(4p))+yI(4p+3)*g(2(4p+l))* δ (ρ-1)+ (公式一)
Y1 (4p+2) *g (2 (4p+2)) * δ (p-1) +yx (4p+l) *g (2 (4p+3)) * δ (p-1) 用下式計算輸出X' (2m)的1相分量:
X' (2 (4p+l)) = Y1 (4p+l) *g (2 (4p)) +yx (4p) *g (2 (4p+l)) + (公式二)
Y1 (4p+3) *g (2 (4p+2)) * δ (p-1) +yx (4p+2) *g (2 (4p+3)) * δ (p-1) 用下式計算輸出X' (2m)的2相分量:
X' (2 (4p+2)) = Y1 (4p+2) *g (2 (4p)) +yx (4p+l) *g (2 (4p+l)) + (公式三)
I1 (4p) *g (2 (4p+2)) +Y1 (4p+3) *g (2 (4p+3)) * δ (p-1) 用下式計算輸出X' (2m)的3相分量:
X' (2 (4p+3)) = Y1 (4p+3) *g (2 (4p)) +yx (4p+2) *g (2 (4p+l)) + 公式四
Yi (4p+l) *g (2 (4p+2)) +Y1 (4p) *g (2 (4p+3)) 在公式一至公式四中，p = 0，1, 2，...，表示數(shù)據(jù)序號，Y1 (4p)、y^p+l)、yx(4p+2)、Y1 (4p+3)分別表示輸入 yjm)的第 0、1、2、3 相分量，g (2 (4p))、g (2 (4p+l))、g (2 (4p+2))、g(2(4p+3))分別表示濾波器系數(shù)g(2m)的第0、1、2、3相分量，δ (p-1)表示單位延遲響應(yīng)； ②數(shù)字基帶信號虛部yQ(m)的4倍并行FIR濾波器濾波: 當(dāng)輸入是數(shù)字基帶信號虛部yQ(m)，濾波器系數(shù)是g(2m+l)，輸出為X' (2m+l)； 用下式計算輸出X' (2m+l)的O相分量:
X' (2(4p)+l) = yQ(4p)*g(2(4p)+l)+yQ(4p+3)*g(2(4p+l)+l)* δ (p-1)+ (公式五)
yQ(4p+2)*g(2(4p+2)+l)* δ (p-1)+yQ (4ρ+1) *g (2 (4ρ+3)+1) * δ (p-1) 用下式計算輸出X' (2m+l)的1相分量: X' (2(4p+l)+l) = yQ(4p+l)*g(2(4p)+l)+yQ(4p)*g(2(4p+l)+l)+ (公式六) yQ(4p+3)*g(2(4p+2)+l)* δ (p-1)+yQ (4p+2) *g (2 (4ρ+3)+1) * δ (p-1) 用下式計算輸出X' (2m+l)的2相分量:
X' (2 (4p+2) +1) = yQ (4p+2) *g (2 (4p) +1) +yQ (4p+l) *g (2 (4p+l) +1) + (公式七)
yQ (4p) *g (2 (4p+2) +1) +yQ (4p+3) *g (2 (4p+3) +1) * δ (p-1) 用下式計算輸出X' (2m+l)的3相分量: X' (2(4p+3)+l) = yQ(4p+3)*g(2(4p)+l)+yQ(4p+2)*g(2(4p+l)+l)+ (公式八) yQ (4p+l) *g (2 (4p+2) +1) +yQ (4p) *g (2 (4p+3) +1) 在公式五至公式八中，yQ(4p)、yQ(4p+l)、yQ(4p+2)、yQ(4p+3)分別表示輸入yQ(m)的第0、1、2、3 相分量，g (2 (4p) +1)、g (2 (4p+l) +1)、g (2 (4p+2) +1)、g (2 (4p+3) +1)分別表示濾波器系數(shù)g(2m+l)的第0、1、2、3相分量； ③濾波后的信號X' (2m)和X' (2m+1)的多項濾波: 將信號X' (2m)和X' (2m+l)進(jìn)行如下多項濾波結(jié)構(gòu)計算得到數(shù)字中頻信X (η)號的偶數(shù)序列X (2m)和奇數(shù)序列x(2m+l)，從而得到輸出的數(shù)字中頻信號
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶信號的數(shù)字正交調(diào)制實時處理方法，其特征在于，濾波器g(m)采用低通抗鏡濾波器實現(xiàn)，并且當(dāng)濾波器g(m)階數(shù)為47階時:
g(0) = g(47) = -30, g(l) = g(46) = -12, g(2) = g(45) = 74, g(3) = g(44)=.33, g(4) = g(43) = -148, g(5) = g(42) = -74, g(6) = g(41) = 260, g(7) = g(40)=.144, g(8) = g(39) = -421, g(9) = g(38) = -258, g(10) = g(37) = 644, g(ll) = g(36)=434, g(12) = g(35) = -950, g(13) = g(34) = -702, g(14) = g(33) = 1371, g(15)=g(32) = 1115，g(16) = g(31) = -1976，g(17) = g(30) = -1785，g(18) = g(29) =2935,g(19) = g(28) =3016，g(20) = g(27) = -4822，g(21) = g(26) = -6086，g(22) = g(25)=11305，g(23) = g(24)=32767。
【文檔編號】H04B1/7176GK103634027SQ201310690246
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】何志華, 何峰, 黃海風(fēng), 董臻, 余安喜, 張永勝, 孫造宇, 金光虎, 杜湘瑜, 陳筠力, 陳國忠, 徐敏 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 上海衛(wèi)星工程研究所