專利名稱：數字下變頻、濾波抽取的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及信號與信息處理領域，特別涉及一種數字下變頻、濾波抽取 的方法和裝置。
背景技術：
眾所周知，信號與信息處理技術是近幾十年來信息科學中發展最為迅速 的學科之一，它推動著無線通訊技術迅猛發展。如何提高信號處理的運算精 度與速度， 一直是該信息科學中的重要課題，目前的主流思路是將模數
(A/D， Analog/Digital)和數模(D/A， Digital / Analog )轉換器盡量靠近天 線，構造通用硬件平臺。由于受到目前硬件發展水平的限制，直接從射頻采 樣還具有一定的困難，目前首選方案是在中頻部分對^^莫擬信號進行數字化。 由于中頻部分的釆樣速率比較高，而實際包含信息的基帶信號的帶寬往往比 較窄，因此需要先進行數字下變頻，完成頻i普搬移及數據速率的抽樣，再進 行后繼處理。
為了實現下變頻處理，現有技術提供了以下方案
第一種方案提供的數字下變頻器，利用輸入端接收中頻數字信號；利用 混頻電路對對中頻數字信號進行混頻處理，得到混頻處理的信號；利用抽取 電路，根據中頻數字信號的特性而選取的因數，對混頻處理的信號進行抽取 處理，得到抽取處理的信號；利用調節電路對抽取處理的信號進行調節處理， 得到調節處理的信號；利用內插電路增加調節處理的信號內的樣本數量；利 用第二混頻電路以內插電路處理后信號調制載波。
第二種方案提供的數字下變頻器在信號輸入端和信號輸出端之間具有
N個獨立的運算支路，每個運算支路均包括順次連接的一個抽取因子為N 的抽取電3各、 一個才艮據N相凄t字混頻電^各構建的多相分支混頻電^各及一個 根據N相數字濾波電路的H(z)表達式構建的多相分支濾波電路，各運算支路的抽取電路的輸入端與信號輸入端耦合，各運算支i 各的分支濾波電路的輸 出通過加法電路相加后輸出到該信號輸出端，第i運算支路相對于輸入信號
具有i-l個時鐘周期延時，所述N、 i均為自然數，1S^N。
在第一種和第二種方案中，由于該數字下變頻器的流水線等級多，導致
運算復雜度高，精度低，實時性差和穩定性差。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種數字下變頻、濾波抽取的方法 和裝置，以解決現有技術運算復雜度高、穩定性差，以及運算精度低、實時 性差的問題。
為了解決上述問題，本發明提供了一種數字下變頻、濾波抽取的方法 和裝置，具體的技術方案如下
一種數字下變頻的方法，包括
接收中頻數字信號，對所述接收中頻數字信號進行多相分解因子 為n的多相分解處理，得到n路多相分解處理的信號并輸出；
接收所述n路多相分解處理的信號，對每一路多相分解處理的信 號進行混頻處理，得到n路混頻處理的信號并輸出；
接收所述n路混頻處理的信號，根據抽取因子m對所述n路混頻處理 的信號進行濾波抽取處理，得到n/m路數字下變頻信號；
其中，m、 n、 n/m為不為零的自然數，m^n。
一種濾波抽耳又的方法，包括
接收n路混頻處理的信號X^，根據7'行"列的前加矩陣^ 對輸入信號 Z^進行前加矩陣運算，得到_/行1列的前加矩陣運算的信號S^ ,所述n路 混頻處理的信號J^,為n行1列的矩陣形式；
對前加矩陣運算的信號《w進行濾波處理，得到/行1列的濾波處理的信
號 ；
根據"/ W行j'列的后加矩陣5( /mw對濾波處理的信號f//xl進行后加矩陣 運算，得到"/附行1列的后加矩陣運算的信號^,一，將后加矩陣運算的信
號^^作為數字下變頻信號；其中，m、 n、 n/m為不為零的自然數，m^n， j^n。 一種數字下變頻器，包括
多相分解電路，用于接收中頻數字信號，對所述接收中頻數字信號進行 多相分解因子為n的多相分解處理，得到n路多相分解處理的信號并輸出；
混頻電路，用于接收所述n路多相分解處理的信號，對每一路多相分解 處理的信號進行混頻處理，得到n路混頻處理的信號并輸出；
濾波抽取電路，用于接收所述n路混頻處理的信號，根據抽取因子m 對所述n路混頻處理的信號進行濾波抽取處理，得到n/m路數字下變頻信號；
其中，m、 n、 n/m為不為零的自然數，m^n。
一種濾波器，包括
前加矩陣運算單元，用于接收n路混頻處理的信號X^，根據y行"列的 前加矩陣《"對輸入信號J^,進行前加矩陣運算，得到y行1列的前加矩陣運 算的信號S- ，所述n路混頻處理的信號JS^為"行1列的矩陣形式；
子濾波單元，用于對前加矩陣運算的信號&,進行濾波處理，得到j'行l 列的濾波處理的信號f/^;
前加矩陣運算單元，用于根據"/ w行列的后加矩陣&/m)x7對濾波處理
的信號[/y>d進行后加矩陣運算,得到"/m行1列的后加矩陣運算的信號^/m)xl ,
將后加矩陣運算的信號^,一作為數字下變頻信號；
其中，m、 n、 n/m為不為零的自然數，m至n， j^n。 本發明提供的技術方案通過對信號進行多相分解處理，降低了對硬件處 理器性能的要求及功耗；利用濾波抽取電路將混頻處理的信號中待保留的輸 出支路信號進行運算，對待抽取的輸出支路信號丟棄，得到數字下變頻信號， 從而減少了流水線等級，降低了運算復雜度，提高了處理器穩定性，同時， 有效提高了運算精度和運算實時性。
圖1是本發明實施例提供的并行度為2的濾波抽取電路結構圖2是本發明實施例提供的并行度為2的另一種濾波抽取電路結構圖3是本發明實施例提供的并行度為4的濾波抽取電路結構圖4是本發明實施例提供的數字下變頻的方法的流程圖；圖5是本發明實施例提供的數字下變頻器的結構圖6是本發明實施例提供的數字下變頻器的電路結構圖7是本發明實施例提供的另 一種數字下變頻器的電路結構圖8是本發明實施例提供的一種濾波器的結構圖。
具體實施例方式
本發明的核心思想在于通過對信號進行多相分解處理，降低了對硬件 處理器性能的要求及功耗；利用濾波抽取電路將混頻處理的信號中待保留的 輸出支路信號進行運算，對待抽取的輸出支路信號丟棄，從而得到數字下變 頻信號，減少了流水線等級，降低了運算復雜度，提高了處理器穩定性，同 時，有效提高了運算精度和運算實時性。
下面結合附圖及優選實施方式對本發明技術方案進行詳細說明。 為了實現本發明的發明目的，本發明設計了一種濾波抽取電路，該濾波
抽取電路的輸入輸出方程式可以寫成《 =丑(—xAx,^Ax,形式，其中 表示濾波抽取電路輸出信號，是將濾波抽取后得到的信號寫成的Ww行1列 的矩陣形式；X^為濾波抽取電路的輸入信號，可以寫成"行1列的矩陣形
式；《"為y行"列的前加矩陣，對輸入信號^^進行前加矩陣運算4z^， 也就是將^"的每一行與Ji^進行點積運算，得到_/行1列的子濾波單元輸入 信號，記為^1; /fw表示子濾波單元，是對前加矩陣運算的輸出信號^進 行濾波處理，也就是將每一行輸入到對應行的子濾波系統濾波處理，得到y 行i列的濾波處理的信號，記為t/^; ^,—,為"/w行y列的后加矩陣，根據
后加矩陣對濾波處理的信號f7-進行后加矩陣運算，也就是將^^^的每一行
與"^進行點積運算，得到"/m行l列的濾波抽取電路的輸出信號^一。這
里,"、m和w/w均為不為零的自然H， 4尤選i也，m^n， 7'^"。
例并不構成對本發明保護范圍的限制。
設某一濾波器系統單位沖擊響應h按照分解因子為2分解為&o)和 W")，且滿足,0SA:^(iV-1)/2, N為不為零的自然數
(1)
將待處理信號;c(")用同樣的方法分解為 fx0(") = {x(2"}
h(")—;c(2A: + l》
，0SA:S(iV-l)/2 ， N為不為零的自然凝
(2)
將處理結果;K")用同樣的方法分解為
,0《A《(iV-l)/2， N為不為零的自然數
(3)
如果和W")的Z變換分別記成//。和i/, ， x。(")和x,(")的Z變換分別
記成x。和A， y。(")和x(")的z變換分別記成y。和i;，則濾波器輸入輸出方
程可以寫為
jY。=仏Z。 +Z-2i/jZ!
"=i^X! + i^X。 = (//。 + /^)(I。 +義1) _仏Z。 -
將式(4)寫成矩陣形式，可以得到濾波器的輸入輸出方程
(4)<formula>formula see original document page 9</formula>根據式(5)，如果抽取濾波電路僅保留了r。支路，則對應的輸入輸出 方程為
_ H。 __1 o畫
70=[10 z-卞ag1 1
-0 、
=[1 2-2 ]
匿l o畫
10 1—人
式(6)中的前加矩陣為
1 0 0 1
，子濾波單元為&ag
仏
(6)
,后加矩陣為
1 z-2],根據式(6)，可以得到并行度為2的濾波抽取電路結構，如圖1 所示。
根據式(5)，如果抽取濾波電路僅保留了 K支路，則對應的輸入輸出 方程為<formula>formula see original document page 10</formula>
，子濾波單元為&ag
仏
后加矩陣
為[-l1 -1]。根據式(7)，可以得到并行度為2的濾波抽取電路結構， 如圖2所示。
需要注意的是，為了更好說明濾波抽取電路結構，此處分解因子與抽取 因子都是2，故式(6)和式(7)可能不是最簡式，在最簡式情況下，前加 矩陣和后加矩陣可能為單位矩陣。
用同樣方法，可以得到任意并行度的濾波抽取電路結構。例如，若將濾
波抽取電路待處理信號分解為多相輸入形式{x(4A:)， x(4A: +1)， ;c(4A: + 2), x(4A: + 3)}， 同時，將濾波器的系統單位沖擊響應系數h進行多相分解 (//(4",/i(4/t + l),/ (4A; + 2),/ (4)fc + 3)) ， 4夸y(4k)禾口 y(4k+2)兩個支^各丟棄，貝^尋到并 行度為4的濾波抽取電路結構如圖3所示。
本發明的一個實施例提供了一種數字下變頻的方法，如圖4所示，包括
401，接收中頻數字信號，對接收中頻數字信號進行多相分解因子 為n的多相分解處理，得到n路多相分解處理的信號并輸出；
402， ^接收ni 各多相分解處理的信號，對每一i 各多相分解處理的信號進 行混頻處理，得到n路混頻處理的信號并輸出；
403,接收n路混頻處理的信號，根據抽取因子m對所述n路混頻處理 的信號進行濾波抽取處理，得到n/m路數字下變頻信號；其中，m、 n、 n/m 為不為零的自然數，m^n。
進一步地，根據抽取因子m對所述n路混頻處理的信號進行濾波抽取 處理得到n/m路數字下變頻信號的步驟包括
根據y'行"列的前加矩陣j，對n路混頻處理的信號JT xl進行前加矩陣運算，得到y行l列的前加矩陣運算的信號S-,該n路混頻處理的信號X^為 /7行1列的矩陣形式，j為不為零的自然數；
對前加矩陣運算的信號S-進行濾波處理，得到/行1列的濾波處理的信
號 ；
根據"/ m行y列的后加矩陣&/mW對濾波處理的信號進行后加矩陣
運算，得到"/m行1列的后加矩陣運算的信號！^—,將后加矩陣運算的信
號^咖作為數字下變頻信號。
下面結合圖5所示的數字下變頻器結構圖對第一個實施例進行詳細的
描述，但該示例并不構成對本發明保護范圍的限制。在圖5中，該下變頻器
包括多相分解電路、混頻電路和濾波抽取電路。具體地，
假設輸入的中頻數字信號為x(n),多相分解因子為n-2。根據系統的 信噪比要求及現場可編程門陣列(FPGA， Field-Programmable Gate Array) 芯片的處理能力確定抽取因子m=2,需確保滿足乃奎斯特采樣定理即可。
多相分解電路對輸入的信號x(n)進行多相分解處理后，得到2路多 相分解處理后的信號<formula>formula see original document page 11</formula>在本示例中，多相分解因子為2只是為了描述簡單之用，實際應用中， 可以利用多相分解電路進行分解因子為任意不為零的自然數的多相分解處理。
混頻電路是通過本振信號與多相分解電路輸出的信號相乘實現混頻處
理。如果多相分解電路進行了分解因子為n的多相分解，則混頻電路各支路
的本振信號也要進行分解因子為n的多相分解。由于多相分解電路的多相分
解因子11=2,相應地，混頻電路包括2個混頻分支電路，其中，混頻電路的
第一分支電路接收第一路信號,。(")=x(2"),混頻電路的第二分支電路接收第
二路信號^(")-x(2w + l)。假設待處理中頻數字信號的中心頻率為fc,采樣頻
率為fs，則I路的2路本振信號為<formula>formula see original document page 11</formula> Q路的2路本振信號為^0(") = cos(2".27r/c/y;)
則I路各支路的混頻結果為
JAo (") = /,。 (") ■ ,,o (") = x(2") sin(2" 2;r/c /力)
i (")=厶(") A, (") = x(2" +1) sin[(2" +1) 2;r, / ,]
Q路各支路的混頻結果為
ke。(")=義。(")■人o (") = x(2") ■ cos(2" 2;r/c / 乂)
I & (") =(") Ai (") = x(2" + D c。s[(2" + D'2;r, / ,]
(10)
(11)
(12)
濾波抽取電^各對混頻的1^各信號和混頻的Q^各信號進行濾波抽取處
理'
具體地，將混頻的I路信號和混頻的Q路信號分別輸入到兩個同樣 的濾波抽取電路進行處理。下面結合公式(7)對應的硬件結構，說明 濾波抽取電^各的應用方法。
已經式(11 )混頻處理的I路信號先進行前加矩陣運算，前加矩陣
1 0 1 1 0 1
的第 一 行表示進行運算1 + () (")，第二行表示運算
1.A。0) + i'&("卜Ao(") + (")，第三行表示運算o.^。(") + i前力口矩
陣運算結果再進入子濾波單元^"g
仏
0 +
仏+A
，即將前加矩陣運算得到的3路
信號分別通過//。、 //。+A和A子濾波器進行濾波處理，分別得到/7^。(")、 (仏、和三路濾波后的信號；子濾波單元輸出信號再 進入后加矩陣卜l 1 -1],便得到了數字下變頻后的輸出信號為
-/^/0 (") + (i/0 + //, )O/0 (") + ("))-i/A! (") = (") + (") (13) 如果將式(12)的Q路混頻后的信號輸入該濾波抽取電路，該濾波抽 取電路輸出為數字下變頻信號，結果如下-//。 。(")+ (仏+^)(~。(") + ("))-仏^(") = (14 )
其中， 一個完整的數字下變頻器的結構如圖6所示，其中，多相分解電 路的多相分解因子為4,濾波抽取電路的并行度為2，抽取因子為2,輸入 信號為x (4k),下變頻信號為yqo, yqi, ym和yu。另一個完整的^t字下變頻 器的結構如圖7所示，其中，多相分解電路的多相分解因子為8,濾波抽取 電路的并行度為4，抽取因子為2，輸入信號為x(4k)，下變頻信號為yqo、 yqi、 yq2、 yq3以及yio、 yii、 yi2、 yi3。
基于與方法相同的發明構思，本發明實施例提供了一種數字下變頻器， 如圖5所示，包括
多相分解電路，用于接收中頻數字信號，對接收中頻數字信號進行多相 分解因子為n的多相分解處理，得到n路多相分解處理的信號并輸出；
混頻電路，用于接收所述n路多相分解處理的信號，對每一路多相分解 處理的信號進行混頻處理，得到n路混頻處理的信號并輸出；
濾波抽取電路，用于接收所述n路混頻處理的信號，根據抽取因子m 對所述n路混頻處理的信號得到n/m路數字下變頻信號；
其中，m、 n、 n/m為不為零的自然:數，m^n。
進一步地，該濾波抽取電路包括
前加矩陣運算單元，用于根據y'行w列的前加矩陣」,對n路混頻處理的 信號Ji^進行前加矩陣運算，得到y'行1列的前加矩陣運算的信號S^，該n 路混頻處理的信號X^為"行1列的矩陣形式7^n, j為不為零的自然數；
子濾波單元，用于對前加矩陣運算的信號S^進行濾波處理，得到y'行l 列的濾波處理的信號"^;
后加矩陣運算單元，用于根據w行列的前加矩陣對濾波處理 的信號f/,xl進行前加矩陣運算,得到"/w行1列的后加矩陣運算的信號l^/m>xl, 將后加矩陣運算的信號作為數字下變頻信號。
基于與方法相同的發明構思，本發明實施例提供了一種濾波器，如圖8 所示，包括前加矩陣運算單元，用于接收n路混頻處理的信號X,M,根據/行n列的 前加矩陣^"對輸入信號j^,進行前加矩陣運算，得到y行1列的前加矩陣運
算的信號&"該n路混頻處理的信號X^為"行1列的矩陣形式；
子濾波單元，用于對前加矩陣運算的信號^進行濾波處理，得到y'行l
列的濾波處理的信號f/^;
前加矩陣運算單元，用于根據"/ w行y列的后加矩陣5(n/ ,w對濾波處理
的信號C/-進行后加矩陣運算，得到《/w行1列的后加矩陣運算的信號^/BOxl,
將后加矩陣運算的信號y( /m)xl作為數字下變頻信號；
其中，m、 n、 n/m為不為零的自然數，m^n， j^n。 本發明提供的技術方案中，通過對信號進行多相分解處理，降低了對硬
件處理器性能的要求及功耗；利用濾波抽取電路將混頻處理的信號中待保留
的輸出支路信號進行運算，對待抽取的輸出支路信號丟棄，得到數字下變頻
信號，從而減少了流水線等級，降低了運算復雜度，提高了處理器穩定性，
同時，有效提高了運算精度和運算實時性。
本發明所述方案，并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用。對本發
明技術所屬領域的普通技術人員來說，可根據本發明做出各種相應的改變和
變形，而所有這些相應的改變和變形都屬于本發明權利要求的保護范圍。
權利要求
1、一種數字下變頻的方法，其特征在于，包括接收中頻數字信號，對所述接收中頻數字信號進行多相分解因子為n的多相分解處理，得到n路多相分解處理的信號并輸出；接收所述n路多相分解處理的信號，對每一路多相分解處理的信號進行混頻處理，得到n路混頻處理的信號并輸出；接收所述n路混頻處理的信號，根據抽取因子m對所述n路混頻處理的信號進行濾波抽取處理，得到n/m路數字下變頻信號；其中，m、n、n/m為不為零的自然數，m≥n。
2、如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述根據抽取因子m對所 述n路混頻處理的信號進行濾波抽取處理，得到n/m路數字下變頻信號，包 括根據y行"列的前加矩陣《"對n路混頻處理的信號X^進行前加矩陣運 算，得到y行i列的前加矩陣運算的信號S一，所述n路混頻處理的信號;^, 為w行l列的矩陣形式，j為不為零的自然數；對前加矩陣運算的信號s^進行濾波處理，得到y行1列的濾波處理的信根據"/m行y列的后加矩陣S—h對濾波處理的信號t7-進行后加矩陣運算，得到"/m行1列的后加矩陣運算的信號1^一，將后加矩陣運算的信 號作為所述數字下變頻信號。
3、 一種濾波抽取的方法，其特征在于，包括接收n路混頻處理的信號義^，根據J行n列的前加矩陣、"對輸入信號 X^進行前加矩陣運算，得到/行1列的前加矩陣運算的信號,所述n路 混頻處理的信號X^為"行1列的矩陣形式；對前加矩陣運算的信號^,進行濾波處理，得到；'行1列的濾波處理的信對濾波處理的信號進行后加矩陣 運算，得到"/附行1列的后加矩陣運算的信號^一，將后加矩陣運算的信號^,—作為數字下變頻信號；其中，m、 n、 n/m為不為零的自然數，m^n， j^n。
4、 一種數字下變頻器，其特征在于，包括多相分解電路，用于接收中頻數字信號，對所述接收中頻數字信號進行 多相分解因子為n的多相分解處理，得到n路多相分解處理的信號并輸出；混頻電路，用于接收所述n路多相分解處理的信號，對每一路多相分解 處理的信號進行混頻處理，得到n路混頻處理的信號并輸出；濾波抽取電路，用于接收所述n路混頻處理的信號，根據抽取因子m 對所述n路混頻處理的信號進行濾波抽取處理，得到n/m路數字下變頻信號；其中，m、 n、 n/m為不為零的自然凄史，m^n。
5、 如權利要求4所述的數字下變頻器，其特征在于，所述濾波抽取電 路包括前加矩陣運算單元，用于根據y行"列的前加矩陣^"對n路混頻處理的 信號X^進行前加矩陣運算，得到j'行1列的前加矩陣運算的信號&,，所述 n路混頻處理的信號;s^為"行1列的矩陣形式7' ^" , j為不為零的自然數；子濾波單元，用于對前加矩陣運算的信號S^進行濾波處理，得到y'行l 列的濾波處理的信號c/^;后加矩陣運算單元，用于根據"/m行7'列的前加矩陣A幽》對濾波處理的信號t/w進行前加矩陣運算，得到"/m行1列的后加矩陣運算的信號^,一 ， 將后加矩陣運算的信號" /m)xl作為數字下變頻信號。
6、 一種濾波器，其特征在于，包括前加矩陣運算單元，用于接收n路混頻處理的信號;^,,根據y行"列的 前加矩陣《"對輸入信號X^進行前加矩陣運算，得到y行1列的前加矩陣運 算的信號S^，所述n路混頻處理的信號Ji^為"行1列的矩陣形式；子濾波單元，用于對前加矩陣運算的信號S^進行濾波處理，得到/行l列的濾波處理的信號c/^;前加矩陣運算單元，用于根據W / W行7列的后加矩陣對濾波處理的信號f/^進行后加矩陣運算，得到"/附行l列的后加矩陣運算的信號^中，將后加矩陣運算的信號^中作為數字下變頻信號；其中，m、 n、 n/m為不為零的自然數，m^n， j^n。
全文摘要
本發明提供了一種數字下變頻、濾波抽取的方法和裝置，屬于信號與信息處理領域。該方法包括接收中頻數字信號，對接收中頻數字信號進行多相分解因子為n的多相分解處理，得到n路多相分解處理的信號并輸出；接收n路多相分解處理的信號，對每一路多相分解處理的信號進行混頻處理，得到n路混頻處理的信號并輸出；接收n路混頻處理的信號，根據抽取因子m對n路混頻處理的信號進行濾波抽取處理，得到n/m路數字下變頻信號；其中，m、n、n/m為不為零的自然數，m≥n。該裝置包括多相分解電路，混頻電路和濾波抽取電路。本發明提供的方案降低了運算復雜度，提高了處理器穩定性，同時，有效提高了運算精度和運算實時性。
文檔編號H03D7/16GK101621279SQ200910165648
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月12日 優先權日2009年8月12日
發明者剛 李 申請人:中興通訊股份有限公司