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软件无线电报告 CIC滤波器原理


软件无线电报告

题目: 院(系) : 专业: 学生姓名: 学号:

CIC 滤波器 二系 微电子 蒋世军 0861170114

2010 年 1 月 1 日

摘 要
数字信号处理中多采样率的应用非常普遍,尤其在软件无线电中应用广泛。 软件无线电所基于的理论之一是带通采样定理,采样率越

高越好,有利于系统的 简化。 另外,对一个频率很高的射频信号采样时,提高采样率有利于提高采样信号 的量化信噪比,这就有必要在发送端上抽样。但是采样率的提高会导致后续的信 号处理速度跟不上,因此有必要对信号在解调端进行下抽样。 CIC滤波器就是多采 样处理常用的器件之一。

关键词:数字信号处理;采样率;处理速度;抗混叠。 关键词

Abstract
As data conversion becoms faster and faster, the application of Multiplerate change becomes more important. This paper introduces an efficient apparatus of performing decimation and interpolation, known as C IC filter. At the same time, it int- rodues the theories of C IC filter, with emphasis on some problems in the design of the C IC f -ilter and some solutions. In the end, simulation results are given by Simulink.

Key words: CIC filter; multiplerate change; aliasing resist

1

CIC 滤波器原理

CIC(Cascaded Integrator Comb) filter, 即级联积分梳状滤波器, 具 结构简单, 便于处理, 运算速度快等特点:

其中 D 为 C IC 滤波器的阶数, 其 z 变换为

其中,

,M 可取 1 或 2.

图1, 图2 为三阶上抽样及三阶下抽样C IC 滤波器。为了使C IC 滤波器能够工 作在高速率下, 可以在每个梳状滤波器之后加上一个延迟器, 这样做可以降低 数据速率使计算机易于处理。另外, 由(2) 式得知H I (z )图1 三阶上抽样C IC 滤波器是积分滤波器, 极点为1, 是不稳定系统。它对应的差分方程为 y (n) = x (n) - x (n - DM )

图1 三阶上抽样CIC滤波器

图2 三阶上抽样CIC滤波器

H C (z ) 为梳状滤波器, 式中的M 为1 或2, 一般为1,H C (z ) 对应的差分方
程为: 经过推导C IC 滤波器的频率总响应为: 。

2

CIC 滤波器设计的几个问题及解决方法

C IC 滤波器的积分器H I (z ) 是不稳定系统, 如果不采取措施, 它们级联 后会出现溢出现象。另外, 滤波器级数过多还会引起高频失真现象。最后为了获 得较大的阻带衰减, 降低混叠影响, 在信号带宽一定的条件下,应尽可能的采用 小的抽取因子或增大采样率f s, 后者意味着C IC 抽取滤波器一般要用在抽取系 统的第一级或者内插系统的最后一级(输入采样率最高)。 下面结合Sim u link 仿 真说明以上几个问题, 并提出解决方法。

图3 五级CIC下抽样滤波器(D = 75) 2.1 CIC 滤波器设计中的溢出问题及解决方法 (1) 溢出问题。在DSP 设计中, 几乎都会面对如何解决溢出问题。C IC 滤 波器设计也不例外, 尤其它的积图3 五级C IC 下抽样滤波器(D = 75)分部分是 由N 级不稳定的系统H I (z ) =1?1- z - 1级联而成, 如果不采取措施, 就会产 生溢出问题。根据原理图利用Simulink搭建五级C IC 滤波器, 如图3 所示。采 用输入信号为采样频率为150MHz的单音信号, 经过图3 所示C IC5 滤波器处理 后其输出信号的时域和频域仿真图如图4, 图5 所示。图4 为输入输出信号(B in =B out = 8) , 如图4 所示信号已经不能识别,并且还有不断上升的趋势。如图5 所示, 信号的频谱被淹没在噪声中, 而且在一段时间后信号会完全被淹没,分析 其主要原因是寄存器溢出。

图3 五级CIC下抽样滤波器(D = 75)

图4 输入输出信号 其中,N 为C IC 滤波器的级联级数。

图5

输出溢出信号频谱图

对于改进后的C IC 五级滤波器进行仿真, 设输入数据的采样精度为8, 每 一级后输出的数据都采用最大的采样精度42, 如图6 所示。五阶C IC 滤波器改 进后, 输入信号与输出信号(B in= 8,B out= 42) 对比如图7。从图8 可以看到, 输出信号频谱图基本能够反映单音信号的特点。 但是该信号杂波较多, 这是由于 C IC 对信号截短, 所产生的频谱泄漏现象, 可以通过滤波器加以克制, 也可以 通过改进窗函数的方法来改进。时域图上可以看出, 信号经过C IC 滤波器后没 有失真。时域图和频谱图显示信号不再无限增长。综合以上的结果,C IC滤波器 的溢出现象被消除, 扩展表示精度可以解决寄存器溢出问题。 该办法有一个缺点 就是滤波器各阶段信号表示精度需要扩展, 从而造成部分寄存器浪费。

图6

改进后五级C IC 下抽样滤波器(D = 75)

图7 信号时域仿真

图8 输出稳定信号频谱图

3

结束语

本报告了C IC 滤波器的原理, 以及C IC 滤波器在实现过程中几个需要解决 的实际问题, 并重点讨论了C IC 滤波器的溢出问题和通带特性改善问题, 并且 给出了下抽样C IC 滤波器溢出及其解决方法的仿真结果。由于C IC 滤波器在多 采样滤波过程中的大量应用, 它还有许多的改进型, 研究它的文章较多, 可以 参阅相关文献。C IC 滤波器是信号处理中的一种重要的部件, 在软件无线电中 起到了重要的作用, 对它的研究有重要意义。

参考文献: 参考文献 [1 ] 杨小牛, 楼才义, 徐建良. 软件无线电原理与应用[M ]. 北京: 电子工业 出版社, 2001. [2 ] M at thew P D. C IC filter int roduct ion[EB?O L ]. h t tp: ??w ww. users. snip. net? donadio, 2000207203. [3 ] San J. Cascaded integrato r2comb filter [EB?OL ]. h t tp: ??w ww. Xilinx. com , 2001204205.


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