羅 強(qiáng)，劉景元

（西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，高速數(shù)傳技術(shù)應(yīng)用也越來越廣泛。CIC濾波器是數(shù)據(jù)通信的常用模塊，一般應(yīng)用于數(shù)字下變頻（DDC）和數(shù)字上變頻（DUC）系統(tǒng)中[1-2]，隨著數(shù)據(jù)傳輸率的不斷增加，級(jí)聯(lián)梳狀濾波器（CIC）的應(yīng)用變得非常重要，CIC濾波器僅利用加法器、減法器和寄存器的特點(diǎn)，所以非常適用工作在高采樣率下。數(shù)字下變頻（DDC）中，CIC濾波器起著重要的作用，它主要用對于采樣速率的抽取，同時(shí)具有低通濾波器的特性。高速數(shù)傳技術(shù)中需要對高速率AD采樣信號(hào)下變頻后進(jìn)行抽取的結(jié)果，具有單載波鏡像衰減不夠，同時(shí)對有效帶寬外信號(hào)衰減不夠問題，需要進(jìn)行低通濾波處理，同時(shí)由于采樣速率高，針對低速率情況就需要進(jìn)行抽取，綜合濾波與抽取的需求，級(jí)聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器便是一種好的解決方案，而常用的梳狀濾波器在抽取數(shù)量對濾波帶寬就給出了準(zhǔn)確的限制。而實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要對抽取后的信號(hào)再次進(jìn)行濾波，在高速數(shù)據(jù)處理中，F(xiàn)PGA資源就提出了更高的要求，常用的并行濾波器消耗的FPGA資源較多，因此本文提出了一種修改后的CIC濾波器，在完成抽取的同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波帶寬更窄的濾波。

1 CIC濾波器原理

CIC濾波器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[3-4]為：

圖1 單級(jí)CIC濾波器的算法和結(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用中，如圖1由于單級(jí)CIC濾波器的阻帶衰減無法滿足要求，因此時(shí)常將CIC濾波器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，從而滿足要求。級(jí)聯(lián)濾波器的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

2 改進(jìn)CIC濾波器仿真

實(shí)際應(yīng)用中，采用4.8192 Gsps采樣率對中頻1.2 GHz帶寬為1 GHz的信號(hào)進(jìn)行采樣，下變頻后的信號(hào)單邊帶帶寬為500 MHz，兩倍抽取后，為了保證后續(xù)信號(hào)處理的點(diǎn)數(shù)不小于4，只能進(jìn)行2倍的濾波抽取，2倍抽取后的濾波只能在1.2 G附近濾波，而實(shí)際信號(hào)的帶寬只在0到500 MHz，因此需要添加低通濾波器對500 MHz到1 GHz頻段信號(hào)進(jìn)行濾波處理，同時(shí)在實(shí)際采用4.8 G采樣率對單載波進(jìn)行采樣時(shí)，在1.2 G頻率和2.4 G頻率上出現(xiàn)鏡像頻譜，如圖3采用常用的級(jí)聯(lián)CIC濾波器進(jìn)行2倍抽樣濾波后在1.2 G頻點(diǎn)上的頻譜沒有完全濾波掉，對后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理帶來影響。

圖2 級(jí)聯(lián)CIC濾波器的算法和結(jié)構(gòu)

圖3 級(jí)聯(lián)CIC濾波器的仿真

圖4是常用CIC濾波器的沖擊響應(yīng)。

圖4 級(jí)聯(lián)CIC濾波器的沖擊響應(yīng)

因此需要對常用CIC濾波進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的仿真框圖如圖5所示?；诟咚貯D下變頻在FPGA實(shí)現(xiàn)常采用并行處理，因此可以采用先對數(shù)據(jù)進(jìn)行積分處理后，按照要求進(jìn)行抽取，對抽取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行并行4路處理同時(shí)給每路進(jìn)行4倍抽取后進(jìn)行CIC濾波的微分處理，然后將四路數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接完成。

圖5 改進(jìn)后的級(jí)聯(lián)CIC濾波器的仿真

改進(jìn)后的CIC濾波器的沖擊響應(yīng)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的級(jí)聯(lián)CIC濾波器的沖擊響應(yīng)

通過圖4與圖6對比發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的級(jí)聯(lián)CIC濾波器的沖擊響應(yīng)圖盡管抽取率仍為2，但在600 MHz時(shí)就有濾波衰減，同時(shí)對600 MHz到1200 MHz頻段內(nèi)的信號(hào)相對于未改進(jìn)的CIC濾波器有40 dB以上的衰減。而實(shí)際應(yīng)用中有用信號(hào)的帶寬在500 MHz以內(nèi)，對600 MHz到1 GHz內(nèi)的信號(hào)就需要通過低通濾波器進(jìn)行處理。

將實(shí)際AD采樣數(shù)據(jù)送入仿真得到如下結(jié)果：

圖7是AD采樣數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜圖，可以看出在2.4 G，1.2 G處均有比較高的鏡像頻譜。

通過常規(guī)的三級(jí)級(jí)聯(lián)CIC濾波后，抽取率為2時(shí)，通過圖8可以看出抽取后的信號(hào)在1.2 G處仍有比較高的頻譜，此頻譜對后續(xù)數(shù)字處理帶來比較大的影響，可以采用濾波的方式對信號(hào)再次進(jìn)行濾波，由于并行路數(shù)為16路，因此濾波器消耗的資源較大，特別是比較稀少的DSP資源更是消耗較大。

采用改進(jìn)后的三級(jí)CIC濾波器抽取率為2的輸出信號(hào)頻譜圖如圖9所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的濾波器效果明顯，在1.2 G和600 M附近信號(hào)頻譜衰減符合要求。達(dá)到了采用常用濾波器的輸出效果。

圖7 仿真輸入信號(hào)頻譜

圖8 常用三級(jí)濾波器仿真結(jié)果頻譜

圖9 改進(jìn)后的濾波器仿真結(jié)果頻譜

3 改進(jìn)的CIC濾波器實(shí)現(xiàn)

按照仿真原理圖進(jìn)行FPGA代碼實(shí)現(xiàn)[5]，對輸入1.2 GHz中頻的500 Msps的QPSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行4.8 GspsAD采樣后進(jìn)行數(shù)字下變頻，然后進(jìn)行2倍抽取，抽取后的信號(hào)的頻譜如圖10和圖11所示。通過對比發(fā)現(xiàn)常規(guī)CIC濾波后信號(hào)頻譜旁瓣較高，采用修改后的CIC濾波的信號(hào)頻譜旁瓣衰減達(dá)到40 dB以上，達(dá)到了預(yù)期效果，降低了資源消耗。

圖10 常用三級(jí)濾波器實(shí)現(xiàn)結(jié)果頻譜

圖11 改進(jìn)后的濾波器實(shí)現(xiàn)結(jié)果頻譜

4 結(jié)語

在當(dāng)今的電子的設(shè)計(jì)中，占用相對少的資源和具有最快運(yùn)行速度是設(shè)計(jì)的方向。修改后的CIC濾波器在資源消耗比較小的情況下同時(shí)不使用低通濾波器情況下達(dá)到了對旁瓣濾波效果。對CIC濾波器，其簡單的算法和占用資源都優(yōu)于普通的CIC濾波器和低通濾波器的組合，性能上又能達(dá)到預(yù)期效果。在本設(shè)計(jì)的過程中，雖然其在實(shí)際的運(yùn)用達(dá)到了較好的結(jié)果，但由于時(shí)間和條件的限制，難免存在缺點(diǎn)與不足之處，所以在以后還應(yīng)對其進(jìn)一步優(yōu)化。