CIC濾波器軟件無線電理論報告.pptx

CIC濾波器,姓名： 學(xué)號：,一. 無乘法運算的濾波器,矩形窗濾波器/滑動平均濾波器：一個具有矩形脈沖響應(yīng)的濾波器。這類矩形窗濾波器的頻率響應(yīng)只有13dB的衰減如圖11.1，因此性能不太好。,概念上，濾波器計算一個輸入樣本的過程如下：一個輸入數(shù)據(jù)到達后，寄存器中的數(shù)據(jù)向右平移以接納新到達的數(shù)據(jù)，然后濾波器將所有寄存器的數(shù)據(jù)相加，最后輸出求和結(jié)果。仔細考慮該過程，發(fā)現(xiàn)新輸出的求和結(jié)果與上一次不同，因為加入了新數(shù)據(jù)而丟失了之前的第M個舊采樣數(shù)據(jù)。因此，它不是一個有效的算法。,CIC濾波器：矩形窗濾波器的一種遞歸實現(xiàn)是用已知的差值代替前次求和結(jié)果，求和式如下所示：,CIC的原理框圖如下：,圖11.2,CIC濾波器的幅度響應(yīng)具有整流正弦的形式，周期零點像梳子的齒，因此又稱為梳狀濾波器。,由上圖可以看出，計算一個輸出只需要執(zhí)行2次加法，采用開頭介紹的直接實現(xiàn)形式，則需要執(zhí)行M次加法。 從矩形窗濾波器脈沖響應(yīng)的Z變換形式中，可以得到另一種CIC結(jié)構(gòu)，如式11.3所示，其中幾何級數(shù)的前M項可表示為式11.4所示。,（11.3）,（11.4）,該級數(shù)的閉式表達式如（11.5）所示：,（11.5）,從Z變換式可以看出，這種零極點抵消對于濾波器的某些表達式來說是存在的，但當分子分母中存在相互抵消的根時，不能將分子和分母隔離開。從矩形窗濾波器的這種分立形式可以得到一個顯而易見的杰倫，就是該濾波器可以用一個積分器和一個梳狀濾波器級聯(lián)來實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖11.5：,先梳狀濾波器后積分器級聯(lián)濾波器的階躍響應(yīng)由兩個相位。當輸入M個樣本后，梳狀濾波器響應(yīng)變?yōu)榱?。積分器不再累加輸入點，從這點卡拿積分器已近達到了穩(wěn)定狀態(tài)。 先積分器后梳狀濾波器級聯(lián)濾波器的階躍響應(yīng)也有兩個相位。他們都是穩(wěn)定系統(tǒng)。但從積分器將趨于無限大的角度看，該濾波器并不穩(wěn)定。斜坡與梳狀濾波器形成的M單元延遲斜坡之間相差一個常數(shù)，對于無限斜坡也是成立的。,二 . 二進制整數(shù)和溢出,二進制的標準表示方法為：,將上式進一步展開得到：,（11.6）,因此，可以用一個有序集合來表示一個二進制數(shù)，它是在十進制表達式中使用的一種標準表示方法，具有下面形式：,（11.7）,帶有符號的修正位的二進制數(shù)形式如下所示：,（11.8）,在符號-幅度表示法中，符號比特是乘法器+1或-1.在偏移一二進制表示法中，符號比特是一個相加項 ，從二進制表達式中減去 之后進行解碼便可得到數(shù)值的大小。用三種二進制表示法描述的4比特二進制數(shù)如表11-2所示：,圖11.7描述了2s補碼計數(shù)器的溢出行為。正如所料，溢出呈現(xiàn)周期性。該溢出的特有性質(zhì)是計數(shù)器中各點之間的差事準確的，即使計數(shù)器經(jīng)歷了一次溢出。只要累加器足夠?qū)挘?s補碼的媒體溢出不會導(dǎo)致結(jié)果錯誤。,梳狀濾波器中帶有4個單位延遲的CIC濾波器的階躍響應(yīng)作為例子。這里每個周期累加器加1，累加器后的梳狀濾波器使得當前輸入與4個周期前的輸入之間存在差異。輸出序列如表11-3，盡管累加器溢出了，但梳狀濾波器的輸出結(jié)果仍是正確的。,三. 多級CIC,將濾波器設(shè)計成多個矩形窗濾波器級聯(lián)的形式可以提高矩形窗濾波器的性能，級數(shù)常選為34級，大多數(shù)應(yīng)用中采用3級或4級。通過分析多級矩形窗濾波器的脈沖響應(yīng)，將有助于深入地理解如何用一組相同的低性能濾波器協(xié)同工作來實現(xiàn)一個具有優(yōu)異性能的濾波器。K級矩形窗濾波器的傳遞函數(shù)如（11.9）式所示，其頻率響應(yīng)如（11.10）式。定義該濾波器的兩個參數(shù)分別是級聯(lián)結(jié)構(gòu)中子濾波器的長度M和子濾波器的個數(shù)K。,（11.9）,（11.10）,這里來考察一個特殊的級聯(lián)濾波器，其4級結(jié)構(gòu)如圖11.8所示。從圖中可以看到，各級濾波器的輸入輸出傳遞函數(shù)式第一級濾波器傳遞函數(shù) 的整數(shù)次冪。,圖11.9描述了級聯(lián)結(jié)構(gòu)中4個串行的長度為10的矩形窗濾波器輸出端上的脈沖響應(yīng)。為了方便比較，各響應(yīng)均已向單位峰值幅度進行歸一化。各級濾波器的輸出應(yīng)分別是矩形、兩個矩形卷積得到的三角形三個矩形卷積得到的分段平方形式以及四個矩形卷積得到的分段立方形式，他們出現(xiàn)逐漸平滑的趨勢，旁瓣不斷減小。,圖11.10給出了圖11.9中各脈沖響應(yīng)對應(yīng)的頻率響應(yīng)結(jié)果，太陽進行了歸一化。這些頻譜的一個而最明顯的特征，就是各級濾波器的旁瓣值以及旁瓣震蕩頻率在不斷減小。第一級濾波器的旁瓣值為-13dB，由于其余各級濾波器的頻譜均為該濾波器頻譜的整數(shù)次冪，因此各級濾波器旁瓣的峰值應(yīng)該是-13dB的整數(shù)次冪。這些頻譜表現(xiàn)出來的另一個只要特征如圖11.11所示：,上圖中，可以觀察重復(fù)零點如何影響濾波器對以歸一化頻率1/1為中心的頻譜抑制能力，還可以看到在任何內(nèi)插器的討論中所涉及的高階頻譜零點的額外抑制能力。,圖11.12刻畫了具有2、3和4級結(jié)構(gòu)的CIC濾波器對基帶信號頻譜鏡像的抑制能力。從圖中可以看出，濾波器結(jié)束越高，頻譜鏡像中的零點階數(shù)越高，也就更容易實現(xiàn)對頻譜鏡像的抑制。,從圖11.10中可以看到這樣一種現(xiàn)象，它同時也隱藏在圖11.11中，那就是濾波器主瓣響應(yīng)中與頻率有關(guān)的增益在減小。這種非均勻通常增益將使濾波器要處理的基帶頻譜發(fā)生畸變。主瓣增益衰減通常會抑制輸入信號帶寬必須小于主瓣帶寬的25%。由主瓣引起的頻譜畸變可以通過在CIC之前或之后嵌入一個具有逆頻譜響應(yīng)的FIR濾波器來得到校正。,總結(jié) CIC濾波器是現(xiàn)代數(shù)字上變頻的核心技術(shù)，具有簡單高效的結(jié)構(gòu)。CIC濾波器又稱為簡單整系數(shù)梳狀濾波器，由積分器、抽取器和樹狀濾波器組成，積分器由N個理想的數(shù)字濾波器級聯(lián)組成，梳狀濾波器由N個差分延遲的梳狀濾波器級聯(lián)而成， CIC濾波器是在高速抽取后插值系統(tǒng)中非常有效的單元，它結(jié)構(gòu)簡單，處理速度快，最大的優(yōu)點是不需要乘法器，是一種被廣泛應(yīng)用于軟件無線電中，可以實現(xiàn)抽取或者插值的高效濾波器。,軟件無線電課程概述 軟件無線電（software radio）是在一個開放的公共硬件平臺上利用不同可編程的軟件方法實現(xiàn)所需要的無線電系統(tǒng)，簡稱SWR。這門課介紹了軟件無線電基本平臺設(shè)計、硬件功能的模塊化設(shè)計、軟件的模塊化設(shè)計和面向?qū)ο缶幊蹋攸c講述了軟件無線電理論和信號處理算法。我了解到了軟件無線電的基本組成結(jié)構(gòu)、三種建模模型、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化和開放性、軟件模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)、軟件無線電的核心DSP、采樣與量化、時域與頻域計算、信號采樣理論知識、正交信號變換原理、高效數(shù)字濾波、多速率信號處理、波形生成算法和信號處理算法等。,本學(xué)期軟件無線電課程，通過軟件無線電的基礎(chǔ)概念：時域與頻域，傅里葉，信號的采樣與量化的學(xué)習(xí)開始。再從軟件無線電的核心技術(shù)：低通、帶通采樣定理、信號重建理論、正交信號處理、采樣速率變換、數(shù)字濾波為展開，一步步深入地學(xué)習(xí)了軟件無線電技術(shù)。通過學(xué)習(xí)這門課，我大致理解了軟件無線電的理論基礎(chǔ)和原理，并知道了其硬件平臺結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計，也懂得了如何通過軟件編程初步實現(xiàn)一些基礎(chǔ)功能。,理解與體會 我的方向是信號處理方面，與本課程有很大的關(guān)系。 數(shù)字信號的廣泛應(yīng)用及人們對通信系統(tǒng)間互通性的要求， 軟件無線電技術(shù)得以迅速發(fā)展。軟件無線電能夠使用軟件或可更新的邏輯器件來處理無線信號，其最大的特點就是將模擬信號數(shù)字化，采用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)以前用模擬技術(shù)實現(xiàn)的功能。DSP作為專業(yè)的數(shù)字信號處理器，在對軟件無線電中數(shù)字信號處理部分無疑成為最優(yōu)的選擇。 軟件無線電基本結(jié)構(gòu)DSP的具體應(yīng)用為：在接收端天線感應(yīng)的無線電信號經(jīng)過低噪聲放大后，直接進行數(shù)字化，DSP 主要對數(shù)字化后的信號進行數(shù)字下變頻、數(shù)字濾波、數(shù)字解調(diào)等信號處理任務(wù)。,在發(fā)射端，需要發(fā)射的基帶信號通過DSP完成數(shù)字調(diào)制、數(shù)字上變頻和數(shù)字濾波等信號處理任務(wù)，最后由D/A 轉(zhuǎn)為模擬信號再經(jīng)功率放大器放大，由天線發(fā)射出去。DSP 可以用C 和C+ 進行編程而且可以運行一個操作系統(tǒng)， 有其專用的指令集。 DSP是軟件無線電中無法替代的器件，但是面對