计算机论文：基于Simulink的数字下变频系统的设计与仿真

 　　摘要:针对数字下变频中低通抽取滤波器通带失真大、资源消耗严重等问题,采用锐化技术和二阶多项式插值补偿滤波器设计了基于Simulink的数字下变频系统,并利用Simulink构建系统模型。仿真结果表明,该系统不仅可以达到降低信号频率和速率的目的,同时可以有效改善抽取滤波器的通带与阻带特性,并减少了系统工作量。
　　关键词:数字下变频;锐化技术;ISOP滤波器;直接数字频率合成器;高速率抽取滤波;Simulink
　　随着矿井信息化、智能化的发展,软件无线电技术在现代煤矿通信中得到了广泛应用。在软件无线电框架下,为了解决高速A/D与DSP处理能力之间的矛盾,数字下变频(Digital Down Conversion,DDC)应运而生。DDC可以降低接收信号速率,实现中频信号与基带信号之间的转换,并对信号进行滤波。因此,当煤矿通信仪器接收到高速率信号时,可利用DDC来降低信号速率,滤除信号中的噪声,这对仪器接收信号的后期处理具有重要作用。传统的数字下变频系统存在低通抽取滤波器通带失真大、资源消耗严重等问题。针对这些问题,本文 利 用 锐 化 技 术 和 二 阶 多 项 式 插 值 补 偿(Interpolated Second-order Polynomial,ISOP)滤波器设计DDC系统,同时为了减少锐化滤波器的资源消耗,使用带有固定系数的有限脉冲响应(FiniteImpulse Response,FIR)滤波器作为其第二级滤波,并进行了Simulink仿真验证。DDC主要包括混频、高速率抽取滤波2个模块,其中高速率抽取滤波器是运算量最大,也是对系统性能影响最大的部分。自Hogenauer提出CIC(Cascade Integrator Comb)滤波器后,CIC经常被用在DDC系统中充当高速率抽取滤波器。自此,数字下变频的一些研究工作开始围绕着CIC进行。
　　其中,锐化滤波器(Sharpening CIC,SCIC)以增加计算量为代价,同时改善CIC滤波器的通带特性和其阻带特性;ISOP滤波器可以有效地补偿CIC的通带衰减。中 频 信 号 与 数 字 振 荡 器NCO(NumericallyControlled Oscillator)产生的本振信号进行混频,完成频谱搬移;再由SCIC_ISOP滤波器经多倍抽取,降低信号速率;最后经低通滤波器滤除带外噪声,输出所需基带信号。系统在实现频谱搬移的同时,降低了信号的传输速率。FIR滤波器可以进一步补偿SCIC_ISOP的带内波纹和阻带衰减,滤除信号噪声,同时使SCIC实现资 源 的 节 约。 利 用Simulink工 具 箱 中 的FDATool,同时采用凯撒窗来设计FIR滤波器。在确定滤波器的结构后,根据系统对滤波器的性能指标要求,可以确定滤波器系数。
　　中频信号可以在一定程度上穿透煤层和岩层传播,因此,井下通信系统大多工作在中频段,所以实际应用中需采用数字下变频系统降低信号频率,方便仪器对信号的后期处理。根 据 实 际 要 求,Simulink产 生 采 样 率 为40MHz的中频信号。信号分为I、Q两路16位信号输入,经混频、16倍的抽取滤波和低通滤波,输出采样 速 率 为2.5 MHz、带 宽 为250kHz的 基 带信号。
　　本 次 测 试 所 需 软 件System Generator是Matlab/Simulink环境下的一个工具箱,利用该软件可以进行模型式的设计方法,方便直观。仿真过程中数据由Simulink提供,测试结果可以通过示波器和输出端观察。按照上述模块的设计和理论分析,通过建模,对所设计的数字下变频系统进行仿真测试。介绍了基于Simulink设计数字下变频系统的实现过程,并通过System Generator以图形的方式仿真验证了所设计的下变频系统的功能,避免了采用传统语言设计时的繁琐工作,减少了工作量,节约了成本。而且,在实际应用中只需确定输入中频信号和所需输出信号的频率和采样频率等基本参数,就可实现数字下变频功能,实用性强。