基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带的数字接收机研究报告

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1、-*邮电大学毕业设计论文题目：基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机研究院系：通信与信息工程学院专业：电子信息科学与技术班级：电科0903班学生：导师：常虹职称：讲师起止时间：2021年3月11日至2021年6月14日毕业设计论文诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文?基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机研究?是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 论文 签字时间：2021年6月14日 指导教师

2、已阅：签字时间：2021年6月14日*邮电大 学毕业设计(论文)任务书学生指导教师常虹职称讲师院(系)通信与信息工程学院专业电子信息科学与技术题目基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机研究任务与要求1. 调研宽带数字测频接收机开展现状，学习宽带接收原理及相关知识。2. 学习MATLAB仿真软件，并能进展简单程序编写。3. 学习传统滤波器的相关知识。4. 设计多相滤波器组及瞬时测频的实现算法并与传统滤波器组进展性能比照分析。5. 对所设计算法进展MATLAB仿真并对仿真结果进展分析。开场日期2021年3月11日完成日期2021年6月14日院 长(签字)2021年3月12日*邮电大学毕

3、业设计 (论文) 工作方案2021年 3 月 14 日学生指导教师常虹职称讲师院系通信与信息工程学院专业电子信息科学与技术题目基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收究工作进程起 止 时 间工 作 内 容3月11日至3月20日调研宽带数字测频接收机开展现状，学习宽带接收机原理及相关知识。3月21日至3月31日学习MATLAB仿真软件，并能进展简单程序编写。4月1日至4月30日学习传统滤波器的相关知识。设计多相滤波器组及瞬时测频的实现算法并与传统滤波器进展性能比照分析。5月1日至5月15日对所设计算法进展MATLAB仿真并对仿真结果进展分析。5月16日至5月28日撰写论文，完成论文初稿。

4、5月29日至6月5日完善并修改毕业论文。6月6日至6月14日准备辩论。主要参考书目(资料)(1) (美)James Tsui著.小牛，陆安南，金飚译.带宽数字接收机M.电子工业出版社，(2) 永其, 黄爱苹, 严文忠. 一种宽带中频数字信道化侦察接收机方案J. 电子对抗技, 2003, 33(8): 34-35(3) Rabiner L R, Crochiere R E 著.多抽样率数字信号处理M. 酆广增译. : 人民邮电, 1988. 322-344(4)小牛, 楼才义, *建良.软件无线电原理与应用M. : 电子工业, 2001. 69-74主要仪器设备及材料1.计算机一台2.MTALA

5、B 2007仿真平台论文(设计)过程中教师的指导安排每周指导一次，主要解答学生问题，指导研究进度，并检查阅读资料笔记和仿真程序。对方案的说明本方案为开题之初所定，后续会根据具体情况随时调整，最终一定按毕业设计规定完毕日期完成。邮电大学毕业设计(论文)开题报告通信与信息工程学院院系电子信息科学与技术专业 09 级 03班课题名称:基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机研究学生：*：指导教师：常虹报告日期： 2021年3月15日1本课题所涉及的问题及应用现状综述本课题所涉及的问题：1. 调研宽带数字测频接收机开展现状，学习宽带接收原理及相关知识2. 学习MATLAB仿真软件,并能进展简

6、单程序编写。3. 学习传统滤波器的相关知识。4. 设计多相滤波器组及瞬时测频的实现算法并与传统滤波器组进展性能比照分析。5. 对所设计算法进展MATLAB仿真并对仿真结果进展分析。基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效带宽数字接收机的开展前景在无线电技术领域,无线电系统所处理的主要对象是电磁波。20世纪70年代以前,对电磁信号的处理主要以模拟处理方法为主。80年代以后,随着微电子技术的迅速开展,数字信号处理技术得到了广泛应用,并逐步显现出模拟处理方式所无法到达的优越性。现代的战争中的武器装备中存在着大量的无线电设备，战场上的态势感知、侦察监视、准确打击、通信指挥、导航识别等等信息交互行为大多通过

7、无线电的方法实现，这些设备关系着整支军队的战斗力。其对战争的影响力恰恰证明了电子战在现代战争中的起着至关重要的作用。电子战包括两个方面：电子对抗和电子反对抗。早期的电子对抗中包括侦察和干扰，后来随之技术的进步，电子战的畴不断扩大，又有了电子隐身和电子摧毁等新领域出现。作为开展历史最为悠久的电子战技术领域，电子侦察的主要任务是接收敌方的雷达，通信等设备辐射信号。现代战争中，电子战所面临的信号环境是一个空前密集的环境，雷达侦察接收机也根据作战任务的不同演变为几类，主要有电子信号情报侦察接收机，电子支援侦察接收机等等。随着微电子技术的进步和信号处理理论的开展，电子侦察接收机不断涌现出新的体制和处理方

8、法。随着大规模集成电路和数字信号处理技术的迅速开展 ,雷达接收机和电子战接收机的数字化已是一种必然趋势。对电子侦察接收机也提出了更高的要求。传统的模拟接收机构造简单，性能有限。作为一种新型接收机，数字接收机体制在较宽的频带有较高的灵敏度，准确度和稳定性，同时具有高截获概率以及功能上灵活可编程等一系列优点。作为现代数字信号处理理论的重要分支，多速率信号处理技术和多相滤波器组是数字信道化接收机的理论根底。对滤波器组引入多相分解使其在速度和资源损耗上得到理想的优化。正因为在实现高速信号子带的划分所表达出的优势，多相滤波器组成为数字信道化接收机工程实现的重要方法。2本课题需要重点研究的关键问题、解决的

9、思路及实现预期目标的可行性分析关键问题：1. 调研宽带数字测频接收机开展现状，学习宽带接收原理及相关知识2. 学习MATLAB仿真软件,并能进展简单程序编写。3. 学习传统滤波器的相关知识。4. 设计多相滤波器组及瞬时测频的实现算法并与传统滤波器组进展性能比照分析。5 对所设计算法进展MATLAB仿真并对仿真结果进展分析。解决思路：1. 阐述电子战在现在战争中的用途和地位，接着介绍电子战侦察接收机中的两种重要的接收机体制：信道化接收机和数字接收机。2. 学习多相滤波器组的理论根底。3. 对参数编码器进展介绍，探讨信号检测与参数测量的方法。4. 学习MATLAB仿真软件,并能进展简单程序编写。5

10、. 针对仿真过程中的数据参数，分析能量检测法的性能和噪声不确定性的影响。6. 在教师指导下形成课题具体论文报告，并不断完善论文。实现预期目标的可行性：本文主要通过研究用基于多相滤波器组及瞬时测频技术的高效带宽数字接收机，对多相滤波器组进展理论推导与仿真分析。立足多相滤波器组完成总体硬件架构的设计：通过MATLAB搭建一个系统，原理阶段用MATLAB语言编写的系统用于原理仿真验证。3完本钱课题的工作方案首先，要掌握相关信息如下;1. 了解数字接收机的开展过程和开展前景。2. 了解多相滤波器组的原理和工作原理。3. 学习MATLAB语言及其软件的仿真。4. 查阅相关资料，探索分析并构建仿真模型，并

11、给出对仿真系统的优化方案。其次，用MATLAB进展仿真测试;通过MATLAB搭建一个一样的系统，原理阶段用MATLAB语言编写的系统用于原理仿真验证。工程实现阶段用于MATLAB并探究解决方案。最后，撰写论文，完成论文初稿，完善并修改毕业论文。4指导教师审阅意见指导教师(签字)： 2021 年 3 月 24 日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开场的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。. z-邮电大学毕业设计 (论文)成绩评定表学生性别女*专业班级课题名称基于多想滤波器组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机研究课题类型软件工程类难度一般毕业设计

12、论文时间2021 年3 月11 日6 月14 日指导教师常虹 (职称讲师)课题任务完成情况论文19 (千字)；设计、计算说明书(千字)；图纸 47 ()；其它(含)：指导教师意见分项得分：开题调研论证分；课题质量论文容分；创新分；论文撰写规分；学习态度分；外文翻译分指导教师审阅成绩：指导教师(签字)：2021年月日评阅教师意见分项得分：选题分；开题调研论证分；课题质量论文容分；创新分；论文撰写规分；外文翻译分评阅成绩：评阅教师(签字)：2021 年月日验收小组意见分项得分：准备情况分；毕业设计论文质量分；操作答复以下问题分验收成绩：验收教师(组长)(签字)：2021 年月日. z-答辩小组意见

13、分项得分：准备情况分；述情况分；答复以下问题分；仪表分辩论成绩：辩论小组组长(签字)： 2021 年月日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩 20 () 评阅成绩 30 () 验收成绩 30 () 辩论成绩 20 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩评阅成绩验收成绩辩论成绩总评答辩委员会意见毕业论文(设计)总评成绩(等级)：院(系)辩论委员会主任(签字)：院(系) (签章) 2021 年月日备注邮电大学毕业论文(设计)成绩评定表(续表). z-目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1研究背景11.2宽带数字接收机的现状11.3传统接收机与现代接收机的区别21.4本文的主要任务42

14、数字滤波器根本理论52.1数字滤波器的根本构造5滤波器的根本构造5滤波器的根本构造62.2数字滤波器的设计原理7滤波器的性能指标8数字滤波器的设计方法9数字滤波器的设计方法92.3本章小结113多相滤波器组的理论原理与设计173.1几个根本定理原理17采样定理173.1.2抽取和插18恒等式203.2信道化滤波器组的数字实现方法20并联数字滤波器算法实现滤波器组的方法20算法实现滤波器组的方法223.3基于多相滤波器组的数字信道化25多相表示法25基于多相滤波器组构造的数字信道化263.4多相滤波器接收机的MATLAB仿真283.5本章小结304高效的数字信道化瞬时测频IFM接收机314.1一

15、种数字信道化瞬时测频接收机方案314.2瞬时测频的仿真分析325课题设计总结及展望39致40参考文献41. z-摘要随着数字信号处理技术和大规模集成电路制作工艺的开展，宽带数字接收机已经成为电子侦察系统中最具有开展潜力的接收机体制之一。与之相比传统的模拟接收机构造较为复杂，性能一般会受限。作为一种新型接收机，数字接收机体制在较宽的频带有较好的灵敏度、准确度和稳定性，同时也具有高截获概率以及功能上灵活可编程等一系列优点。作为现代数字信号处理的重要分支，多相滤波器组技术就成为了数字信道化接收机的理论根底。对滤波器组引入多相分解使其在速度和资源损耗上得到理想的优化。所以多相滤波器组成为数字信道化接收

16、机工程实现的重要方法。本文主要用多相滤波器组和瞬时测频技术的方法实现对宽带数字接收机的研究，对多相滤波器组进展理论推导和分析，同时用MATLAB软件进展仿真分析，最后与传统滤波器组进展性能比拟。下面就本文的总体安排做一介绍。第一章，调研国外的宽带接收机研究现状，对数字接收机的理论知识阐释，分析传统接收机和现在数字接收机的不同，确定本课题的研究方向。第二章，论述传统滤波器及数字滤波器的相关理论知识，总结归纳滤波器的根本构造和数字滤波器的两种根本设计方法。再对FIR数字滤波器和IIR数字滤波器进展了比拟。第三章，根据传统滤波器的相关知识对多相滤波器组的原理进展数学推导，并研究多相滤波信道化算法，建

17、立数学模型，并对数学模型进展详尽的MATLAB仿真验证，再推倒出基于DFT多相滤波器组的信道化接收机高效构造，并用MATLAB仿真验证。最后与传统滤波器组进展性能比照分析。第四章，根据前面的根底知识得出瞬时测频数字接收的构造，并用MATLAB仿真验证。总结高效构造的优点，验证本课题的研究价值。第五章，对课题进展总结和展望。介绍课题设计过程中的经历教训，指出通过该课题的研究解决了什么问题，解决到了什么程度，最后展望本课题研究前景，指出课题未来的研究方向。关键字：数字信道化；多相滤波器组；瞬时测频ABSTRACTWith digital signal processing theory and t

18、he development of large scale integrated circuits, wideband digital receiver electronic surveillance system has bee the most potential for development of one of the receiver system. Traditional analog receiver structure plicated, the performance is limited. As a new receiver, a digital receiver in a

19、 wide band system has high sensitivity, accuracy, and stability, but also has a high probability of intercept the fle*ibility and functional programmable series of advantages. As a modern digital signal processing important branch filter bank technology has bee the digital channelized receiver theor

20、etical basis. deposition of the filter set to introduce it in terms of speed and resource depletion on get the ideal optimization. So filter posed of digital channelized receiver works to achieve an important method. In this paper, a method with a polyphase filter bank to achieve the wideband digita

21、l receivers research on the polyphase filter bank theoretical derivation and analysis, simulation analysis using matlab and then paring the performance of conventional filter bank analysis. The first chapter, researchstatus, the digital receiver to learn the theory of knowledge, pared to the convent

22、ional receiver and present different digital receivers to determine the direction of the research projects. Chapter learning traditional filters, and the knowledge of the digital filter, to learn the basic structure of the filter and the digital filter of the two basic design. And then the FIR digit

23、al filter and IIR digital filters are pared. Chapter III, according to the traditional knowledge of the filter on the principle of polyphase filter bank mathematical derivation and study the polyphase filter channel algorithm, a mathematical model, and a detailed mathematical model ofmatlabsimulatio

24、n, pushed to a group based on DFT filter channelized receiver efficient structures and instantaneous frequency measurement digital receiver structure and using matlab simulation. Final performance with the traditional parative analysis filter bank. Chapter IV, on topics summary and outlook. A summar

25、y of the subject, describes the design process subject lessons, noting that through the research projects to solve the problem, to solve and to what e*tent, the final prospect research prospects, pointing out the direction of future research topics.Keywords: digital channelized; instantaneous freque

26、ncy measurement; polyphase filter bank. z-1绪论1.1研究背景近年来，随着A/D(analog-to-digital)变换技术、DSP(digital signal processing)等技术的开展，宽带高速数字化接收机正逐渐成为现代雷达、遥测及通信系统中必不可少的重要组成局部。高速A/D变换器，高速数字信号处理器等，这为开展高性能、多用途的系统提供了技术支持。而宽带数字接收机就是在此技术根底上开展和建立起来的。这样的接收机有许多优点，如它的信号处理方法很灵活、可以从输出的信号中得到更多信息、可以同时处理多个信号的到达等。所以国外都在研究这方面的技术

27、，并且取得了很大的成果，本文从学习根底知识出发，借鉴已研究出的技术完本钱次毕业设计。1.2宽带数字接收机的现状当代社会信息技术(IT)高速开展的时代，各个经济技术强国都在为了现代战争的电子对抗中赢得先机和掌握主动，花费大量的精力来研究和开发数字化接收机，目的就是为了在有可能爆发的战争中居于主动地位。对于中国来说，一些西方国家在军事方面早早的就开场了：德国 R/S 公司研制的宽带数字化接收机 EBD900，主要用于无线电监视，其工作频率围为 20MHz-2GHz，搜索速度为 4GHz/s25KHz 带宽，动态围为 80dB。又如，英国研制的 PVS3800 接收机，工作频率围为 0.5GHz-1

28、GHz，是一种用于电子战环境中的宽带无线电通信监测接收机，可以实现搜索、监听、分析识别等功能；还可以根据需要，通过加载不同的软件，灵活地配置成各种不同功能的接收机，如 PV3830 截获接收机，PV3840 分析接收机，PV3850 监视接收机等。这些接收机尽管能够覆盖多个频段，但它们只能工作于单一的频段和模式，功能相对较少，灵活性不够，可扩展能力也较差，无法满足现代军事通信的。1994 年，美国系统研究实验室就提出了数字信道化瞬时频率IF测量接收机模型。1998年，美国空军技术研究所在此根底上进展了完善，提出了一种高效，多速率的数字信道化接收机构造。2006 年 4 月，BAE 系统公司向洛

29、克希德公司交付首套用于 F35 的电子战系统，具有雷达告警、信号收集和分析，被动式辐射定位和电子对抗能力。2006 年 6 月，BAE 又宣布向洛克希德公司交付首套用于 F22 生产型电子战系统，这不仅标志着这种四代机电子战系统已正式定型生产，其重大意义还在于这是生产型宽带电子战数字接收机在战术平台上的首次应用。F-22的无源探测分系统 ALR-94，采用了数字信道化接收体制实现数字化告警接收机。该数字战争系统吸取了商用模数转换技术和现场可编程门阵列FPGA方面的突破性进展，用可重新配置的数字接收机取代了老式的模拟接收机，可为F-22 降低本钱、减少功率、减轻重量。该接收机提供超过 500MH

30、z 的瞬时测量带宽，并且硬件局部经改装可完成宽带信道机、调谐超外差接收机或压缩式接收机的功能。ALR-69V告警接收机在现阶段升级为全数字化雷达告警接收机 ALR-69AV，ALR-69AV是目前安装在美空军 C-130，F16，A-10 和 MH-53 战机上 ALR-69V的升级替代品，该告警接收机同样采用数字信道化接收体制。以色列艾尔塔系统公司的 EL/L-8265 新一代机载雷达告警接收机使用了数字化接收机。显然，使用数字化技术是告警机在开展道路中的必然趋势，采用数字信道化接收体制将为告警器的性能提升起到不可估量的作用。与国外相比拟，国数字信道化接机技术的研究和开展有些滞后。国在数字信

31、道化接收及其后续编码技术的研究工作刚刚起步，国仅有少数几所高等院校在进展数字信道化接收体制的研究，如采用两级数字化模型级联的方法实现了数字信道化，结合高效数字信道化接收机构造与差分测频技术，提高信道检测能力。数字信道化技术开展还不够完善，虽然这方面的信号接收和处理有大量优秀的方法提出，但数字信道化技术在工程上应用还受到诸如测频精度不够高信道带宽的一半，邻近信道响应干扰等问题的困扰，因此，数字信道化技术还需要不断完善。由于数字化带来的强大优势，特别是随着高速 ADC、FPGA 和 DSP 器件和工艺水平的不断提高，近年来对宽带数字信道化接收的研究十分活泼，除了高速 ADC 和信号分析等问题外，研

32、究主要集中在数字接收机的体系构造、信号检测和参数测量上。优化现有的数字信号处理算法，找到高效高性能，适用于工程的数字信道化接收机模型。本文研究的基于多相滤波组及瞬时测频技术的高效宽带数字接收机充分结合了模拟信道化接收机和数字信号处理技术的优点，是电子侦察接收机的开展方向。利用该构造的信道化接收机处理 ADC 输出数据，检测信号、测频并给出脉冲描述字，并用MATLAB进展最后的仿真。1.3传统接收机与现代接收机的区别数字接收机的定义是一种通过A/D转换器对信号进展数字化后使用数字信号处理技术实现变频、滤波、解调等信号处理过程的接收机。随着数字DSP论和LSI技术的进步，在80年代接收机体系中衍生

33、出了以高速模数转换器以及数字信号处理电路为主要特征的数字接收机。数字接收机灵敏度和精度高，稳定性好，设计灵活且可以实现复杂功能，已成为接收机中最有前景的体制。当前的研究重点主要集中在数字电子战接收机方面。这种类型的接收机，首先把输入信号下变频为中频信号，然后用一个高速多比特ADC对其进展数字化，并采用数字信号处理技术产生所期望的收集的信息。以当前器件水平，数字接收机的模数转换通常是在中频完成，中频信号相比于天线接收到的射频信号，要经过混频并且滤波的非线性过程，引入了谐波，导致信号杂散增加。所以中频的数字化并不是理想的数字接收机方案。未来理想的数字接收机将在射频端完成数字化接收机。数字接收机在通

34、信、雷达、导航系统、电子对抗系统、敌我识别系统、民用的收音机和电视机中都得到广泛的应用，是接收机今后开展的重要体制。数字接收机框图如图 1-1 所示：图1-1数字接收机框图传统的接收机都是采用模拟的方法实现的，在接收过程中由于受到模拟器件的限制，这样容易导致信号的频率和相位等方面的失真。传统的接收机中较为典型的是超外差接收机，其构造如图1-2所示，超外差接收机通过调谐改变本振频率与接收机通频带的中心频率，可以覆盖一定的频率围，以实现对宽频段信号的接收，虽然接收机的调谐围很宽，但对任意时刻来说，仍然是窄带接收机。图1-2超外差接收机框图现代的电子侦察接收机与传统的通信接收机如收音机或电视机和雷达

35、接收机有着极大的不同。通信接收机在设计时，都会提前得到的数据，例如接收信号的频率、调制方式和带宽都是的，设计起来相对容易一些。作为雷达重要局部的雷达接收机也是在输入信号的前提下设计的。但是作为电子侦察的重要组成局部的电子侦察接收机设计起来就相对较复杂，输入不仅没有预知能力，敌方还有可能采取特殊方式来避开我方接收机的检测。因此这就要求电子战中宽带数字接收机各方面的性能到达最优，空间域、频率域、时间域上等，都要最先进的。这就要求侦察接收机要能够实现对任何方位、任何频率和任何时间的信号都能实现有效准确地截获。如此而言，频域的要求带来的主要问题是接收机在一个很大的带宽围有可能“同时收到大量的信号，这些

36、信号混合在一起被接收机截获，这样会给后期处理带来了很大困难。科研人员提出了很多方法想解决这个问题，这其中就有信道化的方法，信道化将较宽的宽带通道划分为假设干个相邻的子信道，按照频段实现对较大带宽高密度信号的分类，再通过对各个信道的输出进展处理，可以实现对大瞬时带宽密集信号环境下的同时接收。因此信道化可以看作是假设千个窄带接收机的并联。信道化接收机具有较高灵敏度和频率分辨率、宽动态围、高截获概率等优点，是电子侦察接收机中一种较为理想的体制。1.4本文的主要任务本文主要用多相滤波器组的方法实现信道化宽带数字接收机的研究，对多相滤波器组进展理论推导和分析，用MATLAB进展仿真分析再与传统滤波器组进

37、展性能比照分析。第一章，调研国外的宽带接收机研究现状，对数字接收机的理论知识阐释，分析传统接收机和现在数字接收机的不同，确定本课题的研究方向。第二章，论述传统滤波器及数字滤波器的相关理论知识，总结归纳滤波器的根本构造和数字滤波器的两种根本设计方法。再对FIR数字滤波器和IIR数字滤波器进展了比拟。第三章，根据传统滤波器的相关知识对多相滤波器组的原理进展数学推导，并研究多相滤波信道化算法，建立数学模型，并对数学模型进展详尽的MATLAB仿真验证，再推倒出基于DFT多相滤波器组的信道化接收机高效构造，并用MATLAB仿真验证。最后与传统滤波器组进展性能比照分析。第四章，根据前面的根底知识得出瞬时测

38、频数字接收的构造，并用MATLAB仿真验证。总结高效构造的优点，验证本课题的研究价值。第五章，对课题的设计进展总结和展望。介绍课题设计过程中的经历教训，指出通过该课题的研究解决了什么问题，解决到了什么程度，最后展望本课题研究前景，指出课题未来的研究方向。2数字滤波器根本理论2.1数字滤波器的根本构造作为线形时不变系统的数字滤波器可以用系统函数来表示，而实现一个系统函数表达式所表示的系统可以用两种方法：一种方法是采用计算机软件实现；另一种方法是用加法器、乘法器、和延迟器等元件设计出专用的数字硬件系统，即硬件实现。不管软件实现还是硬件实现，在滤波器设计过程中，由同一系统函数可以构成很多不同的运算构

39、造。对于无限精度的系数和变量，不同构造可能是等效的，与其输入和输出特性无关；但是在系数和变量精度是有限的情况下，不同运算构造的性能就有很大的差异。因此，有必要对离散时间系统的构造有一根本认识。滤波器的根本构造一个数字滤波器可以用系统函数表示为：(2-1)由这样的系统函数可以得到表示系统输入与输出关系的常系数线形差分程为：(2-2)可见数字滤波器的功能就是把输入序列*(n)通过一定的运算变换成输出序列y(n)。不同的运算处理方法决定了滤波器实现构造的不同。无限冲激响应滤波器的单位抽样响应h(n)是无限长的，其差分方程如(2-2)式所示，是递归式的，即构造上存在着输出信号到输入信号的反响，其系统函

40、数具有(2-1)式的形式，因此在z平面的有限区间(0z)有极点存在。IIR滤波器实现的根本构造有：1IIR滤波器的直接型构造优点：延迟线减少一半，变为N 个，可节省存放器或存储单元。缺点：通常在实际中很少采用上述构造实现高阶系统，而是把高阶变成一系列不同组合的低阶系统(一、二阶)来实现。2IIR滤波器的级联型构造优点：系统实现简单，只需一个二阶节系统通过改变输入系数即可完成；极点位置可单独调整；运算速度快(可并行进展)；各二阶网络的误差互不影响，总的误差小，对字长要求低。缺点：不能直接调整零点，因多个二阶节的零点并不是整个系统函数的零点，当需要准确的传输零点时，级联型最适宜。3IIR滤波器的并

41、联型构造优点：简化实现，用一个二阶节，通过变换系数就可实现整个系统；极、零点可单独控制、调整，调整1i、2i只单独调整了第i对零点，调整1i、2i则单独调整了第i对极点；各二阶节零、极点的搭配可互换位置，优化组合以减小运算误差；可流水线操作。缺点：二阶电平难控制，电平大易导致溢出，电平小则使信噪比减小。 a、直接型 b、并联型c、串联型图2.1IIR滤波器的根本构造2.1.2FIR滤波器的根本构造FIR滤波器的单位抽样响应为有限长度，一般采用非递归形式实现。通常的FIR数字滤波器有横截性和级联型两种。FIR滤波器实现的根本构造有：1FIR滤波器的横截型构造表示系统输入输出关系的差分方程可写作：

42、 (2-3)直接由差分方程得出的实现构造如图2-2所示：图2.2横截型(直接型卷积型)2FIR滤波器的级联型构造将H(z)分解成实系数二阶因子的乘积形式：(2-4)这时FIR滤波器可用二阶节的级联构造来实现，每个二阶节用横截型构造实现。如以下图：图2-5FIR滤波器的级联构造这种构造的每一节控制一对零点，因而在需要控制传输零点时可以采用这种构造。2.2数字滤波器的设计原理数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应(IIR)滤波器和有限长冲激响应(FIR)滤波器。IIR滤波器的特征是，具有无限持续时间冲激响应。这种滤波器一般需要用递归模型来实现，因而有时也称之为递归滤波

43、器。FIR滤波器的冲激响应只能延续一定时间，在工程实际中可以采用递归的方式实现，也可以采用非递归的方式实现。随着MATLAB软件尤其是MATLAB的信号处理工作箱的不断完善，不仅数字滤波器的计算机辅助设计有了可能，而且还可以使设计到达最优化。数字滤波器设计的根本步骤如下：（1） 确定指标：在设计一个滤波器之前，必须首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标。在很多实际应用中，数字滤波器常常被用来实现选频操作。因此，指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应（2） 逼近：确定了技术指标后，就可以建立一个目标的数字滤波器模型。通常采用理想的数字滤波器模型。之后，利用数字滤波器的设计方法，设计出一个实

44、际滤波器模型来逼近给定的目标。（3） 性能分析和计算机仿真上两步的结果是得到以差分或系统函数或冲激响应描述的滤波器。根据这个描述就可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求；或者利用计算机仿真实现设计的滤波器，再分析滤波结果来判断。滤波器的性能指标我们在进展滤波器设计时，需要确定其性能指标。一般来说，滤波器的性能要求往往以频率响应的幅度特性的允许误差来表征。以低通滤波器特性为例，频率响应有通带、过渡带及阻带三个围。在通带：在阻带中：其中为通带截止频率，为阻带截止频率，为通带误差, 为阻带误差。图2-6低通滤波器频率响应幅度特性的容限图与模拟滤波器类似，数字滤波器按频率特性划分

45、为低通、高通、带通、带阻、全通等类型，由于数字滤波器的频率响应是周期性的，周期为。各种理想数字滤波器的幅度频率响应如以下图。图2-7各种理想数字滤波器的幅度频率响应2.2.2IIR数字滤波器的设计方法目前，IIR数字滤波器设计最通用的方法是借助于模拟滤波器的设计方法。模拟滤波器设计已经有了一套相当成熟的方法，它不但有完整的设计公式，而且还有较为完整的图表供查询，因此，充分利用这些已有的资源将会给数字滤波器的设计带来很大方便，IIR数字滤波器的设计步骤是：1按一定规则将给出的数字滤波器的技术指标转换为模拟的技术指标。2根据转换后的技术指标设计模拟低通滤波器。3在按一定规则将转换为。假设所设计的数

46、字滤波器是低通的，则上述设计工作可以完毕，假设所设计的是高通、带通或者带阻滤波器，则还有步骤。4将高通、带通或者带阻数字滤波器的技术指标先转化为低通滤波器的技术指标，然后按上述步骤(2)设计出模拟低通滤波器，再由冲击响应不变法或双线性变换将转换为所需的。数字滤波器的设计方法IIR滤波器的优点是可利用模拟滤波器设计的结果，缺点是相位是非线性的，假设需要线性相位，则要用全通网络进展校正。FIR滤波器的优点是可方便地实现线性相位。FIR滤波器单位冲激响应的特点：其单位冲激响应是有限长,系统函数为：(2-12)在有限Z平面有(N-1)个零点，而它的(N-1)个极点均位于原点z=0处。FIR滤波器线性相

47、位的特点：如果FIR滤波器的单位抽样响应为实数而且满足以下任一条件：偶对称： 奇对称：其对称中心在处，则滤波器具有准确的线性相位。窗函数设计法一般是先给定所要求的理想滤波器频率响应，由导出，我们知道理想滤波器的冲击响应是无限长的非因果序列，而我们要设计的是是有限长的FIR滤波器，所以要用有限长序列来逼近无限长序列，设：(2-13)常用的方法是用有限长度的窗函数w(n)来截取即：(2-14)这里窗函数就是矩形序列RN(n),加窗以后对理想低通滤波器的频率响应将产生什么样的影响呢?根据在时域是相乘关系,在频域则是卷积关系：(2-15)其中,为矩形窗谱,是FIR滤波器频率响应.通过频域卷积过程看的幅

48、度函数的起伏现象,可知,加窗处理后，对理想矩形的频率响应产生以下几点影响。1使理想频率特性不连续点处边沿加宽，形成一个过渡带其宽度等于窗的频频率采样法窗函数设计法是从时域出发，把理想的用一定形状的窗函数截取成有限长的，来近似理想的，这样得到的频率响应逼近于所要求的理想的频率响应。频率抽样法则是从频域出发，把给定的理想频率响应加以等间隔抽样得到，然后以此作为实际FIR滤波器的频率特性的抽样值，即(2-16) 知道后，由DFT定义可唯一确定有限长序列，利用这N个频域抽样值同样利用频率插公式可得FIR滤波器的系统函，及频率响应,即： 频率抽样法插公式： (2-17)频率抽样法小结优点：可以在频域直接

49、设计，并且适合于最优化设计。缺点：抽样频率只能等于的整数倍，或等于的整数倍加上。因而不能确保截止频率的自由取值，要想实现自由地选择截止频率，必须增加抽样点数N，但这又使计算量增大。为了提高逼近质量，减少通带边缘由于抽样点的陡然变化而引起的起伏振荡。有目的地在理想频率响应的不连续点的边缘，加上一些过渡的抽样点，增加过渡带，减少起伏振荡。2.3本章小结本章主要介绍了IIR滤波器和FIR滤波器的根本构造，性能指标、设计方法和各自的特点及优势。分析本次要讨论的问题，根据需要，从技术指标上来看两种均可实现；从实现设计方法来看，IIR较为适宜；从完成设计所用的硬件本钱来看，IIR更为适宜。这为后面的多相滤

50、波器的设计和实现奠定了理论根底，使我们更方便更合理开展以后的论文写作和设计的实现。. z-3多相滤波器组的理论原理与设计本章将重点介绍多相滤波器的理论和实现方法，同时也将就瞬时测频技术的相关应用展开讨论，来研究接收机。用数字方法实现滤波器组有两种方法，一种方法是假设干个数字滤波器并行工作，构成数字滤波器组。另外一种方法是通过DFT实现滤波器组。这两种方法都可以实现信道划分的功能。首先介绍几个在多相滤波器组的理论阐述和推导过程中被反复提及的根本定理。3.1几个根本定理原理采样定理随着数字技术的迅速开展，模拟信号直接进展数字化处理的频率将越来越高。则当对*一时间连续信号进展采样时，如何确定采样频率

51、，才能根据这些采样值准确确定原信号，不至于产生信号的失真和混叠。根本采样理论一Nyquist(奈奎斯特)采样定理Nyquist采样定理：设有一个信号，其频带在围，如果以不小于的采样频率对进展等间隔采样，得到时间离散的采样信号(其中，称为采样间隔)，则原信号将被所得到的采样值完全地确定。上述Nyquist采样定理的含义为：如果以不低于信号最高频率两倍的采样频率对带限信号进展采样，则所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。采样定理的意义在于：时间上连续的模拟信号可以用时间上离散的采样值取代，这就是为模拟信号的数字化处理奠定了理论根底。Nyquist采样理论只讨论了其频谱分布在上的基带信号的采样问题

52、,如果信号的频率分布在*一有限的频带上时,根据Nyquist采样定理,仍然可按的采样速率进展采样,但是当信号的最高频率远大于信号带宽B时，如果仍然按Nyquist采样定理进展采样的话，其采样频率会很高，以至于很难实现，或者后处理的速度也满足不了要求。由此产生了带通采样定理。带通采样定理：设一个频率带限信号，如果其采样速率满足：(3-1)式中，n 取能满足的最大整数 (0, 1, 2, ) ，则用进展等间隔采样所得到的信号采样值能准确确实定原信号。上述采样定理的适用前提条件是：只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将引起混叠。为了能使用最低采样速率即：，带通信

53、号的中心频率必须满足(3-2)即信号的最高频率加上最低频率是带宽的整数倍。观察式可以发现，n的不同意味着不同的中心频率，使用同样一个采样频率，可以对不同的中心頻率的信号进展采样，带通采样定理适用的前提是：只允许在其中的一个频带上存在信号，不允许在其它频带上同时存在信号，否则将引起混叠。带通采样定理意味着对于带通信号而言，可以用远低于两倍信号最高频率的釆样速率进展采样而无频谱混叠。带通采样大大降低了采样速率的理论值，使高速采样、处理成为可能。抽取和插本小节简单地讨论抽取和插，因为在设计滤波器组时要用到它们。数据的抽取意味着在一组数据中用一个数据。比方说，如果数据为,这里n=0,1,2,3，经过M

54、倍抽取后的结果为3-3式中，M为整数。换句话说，就是每个M个点选一个点。如果M=2，。这些结果见图3-1。图3.1a给出了原始数据，图3.1b和c分别给出了抽取因子为2和3时的抽取结果。M倍抽取可以用M 来表示。显然，抽取会损失信息。如果对*个信号以3GHz的速度采样，2倍抽取后等效于采样速率为1.5GHz。抽取因子为3，等效于采样速率为1GHz。图3-1抽取举例(a)输入数据；(b)2倍抽取后的数据；(c)3倍抽取后的数据插是在原始输入数据中参加数据。由于很难向原始数据参加信息，而只能加0。从数学上来说，如果对输入数据进展L倍插，插结果与输入信号有如下关系：(3-4)式中，L为整数。如果L=

55、3，。图3.2给出了插因子为2和3时的插结果。正如我们所预料的，插不会给输入数据增加信息。插可以用L来表示。图3-2插举例(a)输入数据；(b)2倍抽取后的数据；(c)3倍抽取后的数据如果对输入数据进展L倍插和L倍抽取，可以得到原始数据。其原因显而易见：通过插在每个数据后加L-1个零，L倍抽取又去掉了这些零。但是，如果首先对数据进展M倍抽取，然后进展M倍插，这种处理就不能得到原始数据。因为，抽取丧失了信息，而插无法恢复丧失的信息。3.1.3Noble恒等式Noble恒等式用来描述抽取器和插器相对于滤波器组的位置。Noble恒等式表述的核心思想是：抽取器和插器相对于滤波器的位置是可以调整的。图3

56、-3 Noble恒等式Noble恒等式1见图3-3(a),其意思是在滤波器和抽取器的位置关系中，可以先进展线性滤波再进展抽取；也可以先进展抽取再滤波，只需将滤波器长度降低一个D因子。Noble恒等式2见图3-3(b),所描述的是在滤波器和抽取器的位置关系中，可以先插后滤波，也可以先滤波器再插，同样只需将滤波器长度降低一个D因子，抽取和滤波器的关系通常适用于分析滤波器组的研究。插和滤波器组的关系则多见于综合滤波器组的研究。Noble恒等式为多相滤波器组设计过程中“抽取器,“插器位置的调整提供了理论依据。它们位置上的调整会带来滤波器的化简，当抽取器由滤波后改为滤波前，当插器由滤波前改为滤波后，都会

57、得到阶数降低了D倍的滤波器。3.2信道化滤波器组的数字实现方法用数字方法实现滤波器组有两种方法，一种方法是假设干个数字滤波器并行工作，构成数字滤波器组。另外一种方法是通过DFT实现信道化。这两种方法都可以实现信道划分的功能。3.2.1并联数字滤波器算法实现滤波器组的方法数字滤波器组的方法通过将一些独立的数字滤波器并联实现信道化滤波，在构造上类似于传统的模拟滤波器组接收机,，所不同的是用数字滤波器取代模拟滤器。图3-4通过并联数字滤波器的方法实现滤波器组这种方法中各个滤波器的性能如带宽，截止特性，带的波动等等可以获得较好的一致性并且对外界环境不敏感，这些性能是模拟滤波器组难以比拟的，数字滤波器组

58、中，我们可以发现各个滤波器将宽带信号变为窄带信号，这些滤波器起到了抗混叠的作用。利用3.1节中的带通采样定理，可以发现，对单个子信道采样的话，采样速率只需符合带通采样定理就可以，这就意味著，子信道中的数据在不损失信息的情况下可以丢弃一局部，即可以用抽取的方法降低各个子倍道数据的数据速率。图3-5滤波器组在输出为带限信号的情况下的择速由图3-5可以发现，滤波器组如果是均匀滤波器组的话，则各个滤波器特性完全一样，所不同的是它们覆盖不同频率围，根据这个特点，任意频率围的子信道滤波器可以变为图3-6中的形式：图3-6信号的频谱搬移 图3-6中将信号进展频谱搬移到最低频率的围，各个通道的频移通过乘以不同

59、的实现，然后都使用最低频的信道滤波器进展滤波。所以图3-5中右边构造可以继续变为一种新的构造。图3-7调制滤波器组该构造是数字滤波器组理论中的一个重要种类，我们通常把这类构造称之为调制滤波器组。这类滤波器组通过对信号搬移到零中频，相当于对原型滤波器进展频谱搬移而得到其他各个频率围的滤波器，降低了滤波器组的设计难度。更重要的是这类滤波器组可以借助DFT或DCT实现，存在进一步改进的空间。3.2.2DFT算法实现滤波器组的方法虽然上一节提到DFT，但这里所讨论的DFT是另外一种方式实现滤波器组。 DFT通常的作用是用于频谱分析。对一段数据进展DFT后得到了信号的电压频谱密度。通过比对各个频点的电平

60、就可以对这段数据的各个频谱分量进展观察，这种方法得到的通常是频域信号。而对一段长度的数据进N点DFT，我们对于DFT的每个输出可以得到如下的式子：(3-5)可以看出，对序列作离散付里叶变换，相当于把这个序列通过一个FIR数字滤波器，其系数为：(3-6)这相当于使序列中的每个样本有相位滞后，最后在时刻把经过相移的各个样本叠加起来，得出滤波器的输出，也就得出了序列中频率为的频谱分量的付里叶系数。取不同的值就可得不同的一组系数，分别对应于不同的滤波特性的数字滤波器。把取在区间，就可得个不同滤波特性的数字滤波器。因此，DFT相当于对实施个滤波器的滤波操作运算。下面讨论这种滤波器的时间特性和频率特性。由于离散付里叶变换式(3-5)中的可以看成是FIR滤波器的输入序列，则是这个滤波器的输出。该输出是输入序列与滤波器的冲激响应序列的卷积结果，即 (3-7)而为(3-8)输入序列经过这样一个滤波器以后，在时间上的输出为： (3-9)由此可见滤波器在时刻的输出就是。再来看一下这个滤波器的频率特性。对滤波器的冲激响应求Z变换式，然后使该式在Z 平面的单位圆上求值，就可得出滤波器的频率特性。对求Z变换可得(3-10)在式(3-9)中，令，便可以得到滤波器的幅频特性为： (3-11)其中为采样频率，通过上述理论推导可以发现，DFT可以等