基于半带滤波器组的多载波多速率数字分路技术研究

杨 叶，王 宇

（中国空间技术研究院西安分院 陕西 西安 710100）

多载波信号的数字化解调是目前星上处理的一项关键技术[1,8]，而数字分路则是实现成功解调的前提。在设备复杂度和功耗允许时，通常采用FIR滤波器组来实现数字分路，以获得精确的线性相位。

通常，数字滤波器组实现主要有并行滤波器组、树型滤波器组和阵列FFT3种方式[2]。在计算量上，并行滤波器组法由于工作在单路和采样率较高的情况，计算量大；树型分路和多相阵列FFT法都工作在低采样率上，计算量较小。特别地，在通道数很多的情况下，多相FFT法比树型分路在计算效率上的优势更加明显。在结构应用灵活性上，并行滤波器组和树型分路法对通道的带宽基本上没有什么苛刻的要求，而FFT分路法则要求是均匀通道，且通道数必须是2n。

由于本论文的研究背景为非均匀通道，故考虑采用树型结构数字分路法。文中首先介绍了传统的多载波多速率数字分路的结构和性能特点。然后，针对传统的数字分路未能获得充分的阻带衰减及电路规模过大问题，文中给出了一种基于半带滤波器组的多载波多速率(MCMRM)解决方法，并阐述了基本原理。最后，利用所提方法对多路信号进行了数字分路仿真。仿真结果表明：新的方法可以实现数字分路，并获得充分的阻带衰减和较小的电路规模。

1 基于镜像滤波器组的树形结构数字分路

图1所示为基于树形结构滤波器组的数字分路结构图，从图中可以看出，多速率滤波器组由2个信道综合而成的滤波器组以树形结构排列而成[3]。每个滤波器组由两个抽取器、两个带通滤波器和一个累加器组合而成。然而，该多路器中存在以下缺陷：

1)如图2所示，传统的多路器/分路器模块里面使用的是正交镜像滤波器，不能获得充分的阻带衰减来减小混淆失真和幅度失真[4-5]。

在图3中，为了分离出信道c，对信号通过滤波器0来进行数字分路。然后，对滤出的信号进行抽取。然而，由抽取引发的具有混淆现象的信号与分路出来的信道重叠了，导致抽取的信号发生了失真现象。而且，如果要被分路的信道所选的滤波器通带不平坦，那么这个信号将会有幅度失真。这种数字分路将不可避免的给系统带来解调性能的下降。

图1 传统的多载波多速率数字分路法Fig.1 Conventional Multicarrier/Multirate digital shunt

图2 正交镜像滤波器Fig.2 Quadrature mirror filter

图3 传统的分路方法Fig.3 Conventional demultiplexer

2)树形结构的电路规模将随着载波数量的增多而增大，尤其当载波数上百时，电路规模将会非常大，硬件资源消耗过多。

2 基于半带滤波器组的树形结构数字分路

针对传统树型结构滤波器组容易带来幅度失真和混淆失真，MCMRM中的分路器使用了图4所示的四种半带滤波器代替正交镜像滤波器，可提供充分的阻带衰减[3]。这里，重点介绍四种半带滤波器以及由它们组合而成的2信道滤波器组。其中，2信道滤波器组分别由滤波器0和滤波器1，以及滤波器2和滤波器3这两对滤波器组合而成。通过滤波器0或者2的信号被输入到由滤波器0和滤波器1组成的2信道滤波器组。通过滤波器1或者3的信号被输入到由滤波器2和滤波器3组成的2信道滤波器组。

图4 四种半带滤波器Fig.4 The four kinds of half band filter

在图5中，对信道进行数字分路之前，先让信号通过滤波器1，因为所选滤波器的通带是平坦的，故不会有幅度失真。然后，对滤波后的信号进行抽取。从抽取速率和滤波器通带带宽的关系可知，由于抽取所带来的失真不会和通带重叠。因此，通带频率不会受到由抽取器带来的混淆失真和幅度失真的影响。

图5 新的分路方法Fig.5 New demultiplexer

同时，MCMRM采用图6所示的在每一阶段共享2信道滤波器组，即通过分时机制来减小分路器的电路规模的方法[6-7]。每个滤波器单元代表一个不同的处理阶段。在基于树形结构的多速率滤波器组中的每一个阶段，这个滤波器单元可以处理输入到其中的所有的信号。每个滤波器单元由一个FIR滤波器、一个累加器和一个存储器组成。这样的设计方法使电路规模减小为原来的log2N/(N-1)。（N指处理的载波数目）。

图6 新的分路器结构Fig.6 Block diagram of proposed demultiplexer

3 仿真与分析

本小节将对提出的分路器结构进行仿真验证，并与传统的数字分路器进行了对比。

如图7所示，用基于树形结构的多级分路器对12路QPSK/FDMA信号进行数字分路，每一个节点都通过类似的半带滤波器[2]，半带滤波器的通带分别覆盖输入信号频谱的不同部分，通过半带滤波器的输出信号的传输速率将会减半。四种半带滤波器的通带范围分别为：

其中，fs是输入到半带滤波器中信号的采样频率。首先，通过图7中的第一级时，滤波器的通带将会覆盖图8中信号频率较低的八个信道，而滤波器将会覆盖信号中频率较高的八个信道。然后，分路器的每一阶段将进一步分离信号直到每一路单独的信号出现在第4阶段的滤波器的输出端。注意，在每一个阶段所使用的半带滤波器的功能是一样的，唯一改变的是在通过每一级的半带滤波器之后，采样速率降低了一半。

如图8所示，两个速率较高的信号嵌入在FDMA信号中；一个是FDMA信号中基础速率的两倍，一个是FDMA信号中基础速率的4倍。为了分离出两倍于基础速率的信号，我们可以在图8中的A点提取出信号并将其直接送入到与其速率相对应的信道处理器中，跳过树形分路后面的阶段。对于速率为基础速率四倍的信号，我们可以将其从图8中的B点提取出来，省去树形分路后面的阶段。这种树形分路法通过使用分时处理的多速率滤波器组，使得电路规模过大的问题得到了有效解决。下面对图8中所标注的多载波多速率信号进行数字分路。以第一路信号为例。

图7 多级分路器的框图Fig.7 Block diagram of multistage demultiplexer

首先，对第一路信号的多级抽取进行仿真，滤波器输入端的符号速率为1.35 MHz,采样速率为86.4 MHz，经过四级半带滤波器的抽取，结果如图8中的4个子图所示。

图8 通过四级半带滤波器的抽取仿真Fig.8 After the four stage half band filter extraction

从上面的4个仿真子图可以看出，每经过一级半带滤波器后，采样速率减半，抽取后序列的频谱为抽取前原序列的频谱经频移和2倍展宽后的2个频谱的叠加。即通过新给出的MCMRM方法，可以在提供充分的阻带衰减和减小硬件规模的前提下有效的实现数字分路。

4 结 论

文中介绍了一种针对卫星通信系统的高效多载波多速率群解调器的结构，从实现可行性的角度对多路突发信号的数字分路原理进行深入的研究，提出了基于半带滤波器组的数字分路方法，通过仿真验证，该方法可改善传统数字分路带来的幅度失真和混淆失真问题，且可显著减小电路规模，便于工程实现，适用于同时处理多路信号的场合。

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[2]Beaulieu F D,Champagne B.Design of prototype filters for perfect reconstruction DFT filter bank transceivers[M].Signal Processing,2002.

[3]Tanabe Ohata K,UebaM.Multicarrier/Multirate MODEM operated by time division multiple process[M].AIAA 2002.

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[5](美)普罗基斯(Proakis，J.G.)著；张力军译.数字通信(第四版)[M].北京：电业出版社，2003,P200-300.

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[8]Norman P Secord,Chun Loo.Simulation Study of An ONBOARD Satellite Group Demodulator Based On The Multistage Transmultiplexer[J].IEEE 1992:232-240.