基于FRM技术的WOLA滤波器组及子带分割设计方法技术

本发明专利技术公开了基于FRM技术的WOLA滤波器组及子带分割设计方法，能够利用FRM技术实现相同滤波器组子带分割性能的同时，大大降低了滤波器长度，降低了计算量，节省了内存资源。该基于FRM技术的WOLA滤波器组，包括数据分段模块、数据加权模块、叠接累加模块以及循环移位模块。子带分割设计方法为：根据实际需求确定通道数K，滤波器阻带截止频率和通带截止频率，计算最优M值。确定低通滤波器的通带截止频率和阻带起始频率。设定屏蔽滤波器与低通滤波器的通带波纹、阻带衰减值相等。验证频率响应屏蔽FRM频率响应是否满足要求，如果不满足要求，重新设置低通滤波器的通带波纹和阻带衰减值，直到FRM频率响应满足要求为止。到FRM频率响应满足要求为止。到FRM频率响应满足要求为止。

【技术实现步骤摘要】
基于FRM技术的WOLA滤波器组及子带分割设计方法


[0001]本专利技术涉及通信技术及数字信号
，具体涉及一种基于FRM技术的 WOLA滤波器组及子带分割设计方法。

技术介绍

[0002]在对宽带信号做信道化处理的过程中，常用滤波器组实现信道的子带分割。复指数调制滤波器组是最原始的滤波器组，它的概念直接产生于对频带的子带分割和重构，但其实现结构复杂，一般只用于理论研究。多相DFT结构滤波器组和加权折叠相加(Weighted Overlap
‑
add,WOLA)结构滤波器组都是复指数调制滤波器组的高效实现方法，但前者要求过采样因子必须为整数，而WOLA结构不仅能够实现与之相当的子带分割与重构性能，而且突破了过采样因子必须为整数的限制，其实现结构更加高效，参数设置更加灵活。
[0003]复指数调制滤波器组由分析滤波器组和综合滤波器组两部分组成，前者用于把信号分割为多个子带，后者用于将各个子带进行综合来重构输入信号。图1 为其总体结构框图。
[0004]图1中，x(n)表示输入时域信号，一般为实信号。分析滤波器组由K个下变频器支路组成，每个下变频器支路由复指数exp(
‑
j2πkn/K)、原型低通滤波器 h(n)和R倍抽取器级联组成。综合滤波器组由K个上变频器组成，每个上变频器由R倍内插器、原型低通滤波器f(n)和复指数exp(j2πkn/K)级联组成。为了更好地分析复指数调制滤波器组的原理以及相关参数的影响，下面将详细介绍滤波器组分析端和综合端的单个支路的信号处理过程。
[0005]分析滤波器组的目的是把x(n)均匀分割成K个频域子带信号X
k
(m)(0≤k≤K
‑
1)。若设x(n)信号的频率范围为0～F
s
，用归一化频率表示为 0～2π，则子带k的频率范围将以频率ω
k
(＝2πk/K)(0≤k≤K
‑
1)为中心，带宽为ω
△
＝2π/K。图2显示了信号x(n)经过分析滤波器组的第k个下变频器支路，得到第k个子带信号X
k
(m)的分析过程，其它子带的处理过程与该过程相同，不再赘述。由图2可见，分析滤波器组的处理过程可分为三个步骤：
[0006]1)输入信号x(n)与复指数exp(
‑
jω
k
n)相乘，从频域上看，该过程使得整个频谱发生频率搬移
‑
ω
k
，于是子带k的频率中心下变频至零频处；
[0007]2)下变频后的信号经过一个低通滤波器，该滤波器一般称为分析滤波器，其截止频率为ω
△
/2＝π/K；
[0008]3)滤波后的信号经过R倍抽取，即可得到第k个子带信号X
k
(m)。
[0009]按照上述过程得到K个子带信号X
k
(m)后，根据实际应用需求，对各个子带进行修正，得到修正后的子带信号
[0010]综合滤波器组的目的是把K个子带信号综合起来，得到重构时域信号图3显示了第k个子带信号的综合过程。可以看出，综合过程可认为是分析过程的逆过程，可以分为以下四个步骤：
[0011]1)对子带k信号进行内插，内插操作会在每隔2π/R频率处产生频谱镜像；
[0012]2)利用一个低通滤波器f(n)来滤除产生的镜像，该滤波器一般称为综合滤波器，经过滤波后保留的信号带宽为ω
△
/2，即π/K；
[0013]3)利用复指数exp(jω
k
n)进行调制，将子带信号搬移回其原频率ω
k
处；
[0014]4)将所有K个子带信号相加，即可得到重构信号
[0015]由上面的分析可知，在信号的分析与综合过程中，子带间的混叠是影响重构信号误差的重要因素。混叠主要来源于以下两种方式：
[0016]1)在分析端，混叠是由分析滤波器h(n)的非理想特性引起的。一方面由于滤波器的过渡带不够陡峭，另一方面滤波器的通带平坦性和阻带衰减性较差。综合上述因素，当执行抽取操作时，来源于其余子带的残余频率分量将混叠到第k个子带内；
[0017]2)在综合端，混叠是由综合滤波器f(n)的非理想特性引起的。同样，由于滤波器不够陡峭以及存在较差的频率选择特性，使得因内插产生的第k个子带的镜像频谱仍然存在。当所有子带相加时，这些残余分量也将混叠到其它子带中。
[0018]基于上述认识，在复指数调制滤波器组中，主要包含如下重要参数：
[0019]1)子带数K(或者有效频段数K/2)；
[0020]2)抽取因子R；
[0021]3)分析滤波器h(n)的长度La；
[0022]4)综合滤波器f(n)的长度Ls
[0023]下面结合图2和图3对上述参数进行讨论。子带数K决定了子带信号的截止带宽ω
c
，有ω
c
＝2π/K。子带数K越大，子带划分越精细，则分析滤波器和综合滤波器的截止频率越小。抽取因子R决定了子带信号的传输带宽ω
s
，有ω
s
＝2π/R。抽取因子R越大，子带传输带宽越窄，则分析滤波器和综合滤波器的阻带频率越小。从图3可以看出，滤波器过渡带的陡峭程度由过采样因子OS决定(OS＝K/R)。事实上，抽取因子R可以在R＝1(无抽取)到R＝K(临界采样)区间范围内任选，而与子带数K无关，因此OS的取值范围为1≤OS≤K。当OS＝1时，称为临界采样，当OS>1时，称为过采样。在实际应用中，为降低子带传输速率， OS应尽量小。然而当OS＝1时，滤波器过渡带宽为0，是不可实现的。工程中，当OS<1.2时，滤波器难以实现较大的阻带衰减，将引起较大的混叠失真，而当 OS>1.5时，并不会显著降低混叠失真，因此OS的合理范围为1.2～1.5。分析和综合滤波器的长度La和Ls决定了滤波器的性能。La和Ls越大，滤波的质量越高，然而会带来较大的滤波器时延和硬件消耗。上述参数直接决定了滤波器组的混叠、群时延、计算量以及频带宽度等性能指标，因此在设计滤波器组时，这些参数的选取是设计的重点。
[0024]在实际应用中，复指数调制滤波器组的直接实现结构(如图1所示)是不现实的，这是由于每个支路的运算速率和运算量都非常大，因此必须考虑其高效实现结构问题。目前主要有两种高效结构：多相DFT结构和WOLA结构。多相 DFT结构对信号及滤波器进行多相分解，降低了系统复杂度，但其要求OS必须为整数。由前面的分析可知，OS的合理范围为1.2～1.5，因此多相DFT结构并不是最佳方案。而WOLA结构可以突破这一限制，从而降低子带采样速率，进而降低子带处理和传输的硬件消耗。下面对WOLA结构的分析端和综合端的实现结构分别进行介绍。
[0025]如图1所示，第k个子带信号的分析过程可用公式描述为
[0026][0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于FRM技术的WOLA滤波器组，其特征在于，包括数据分段模块、数据加权模块、叠接累加模块以及循环移位模块；所述数据分段模块，用于接收单路信号，并按照采样顺序划分为多段，每段数据长度为抽取因子R，分段后的数据存入长度为L的第一移位寄存器；所述数据加权模块，用于从所述第一移位寄存器中获取数据，利用基于FRM的滤波器对数据进行加权操作，加权后的数据存入长度为L的第二寄存器；所述叠接累加模块，用于从所述第二寄存器中读取L个加权后的数据，将L个加权后的数据每K个采样点分为一组，共分为L/K组，然后将这L/K组数据进行累加，输出K个采样点数据；所述循环移位模块，用于针对叠接累加模块输出的K个采样点数据进行周期循环移位操作，之后进行K点FFT计算，输出K路信道数据。2.如权利要求1所述的基于FRM技术的WOLA滤波器组，其特征在于，所述数据分段模块，用于接收单路信号x(n)按照采样顺序划分为若干段，每段数据长度为抽取因子R，这样每个m时刻对应有R个采样点；所述数据分段模块包括一个长度为L的第一移位寄存器，在每个m时刻，均有一段新数据从移位寄存器一端输入，同时有一段数据从另一端移出。3.如权利要求1或2所述的基于FRM技术的WOLA滤波器组，其特征在于，所述数据加权模块中，基于FRM技术的滤波器数据加权操作分两个支路完成，过程如下：1)在每个m时刻，将第一移位寄存器的L个数据与低通滤波器H
a
(Z
L
)点对点相乘输出L个数据存入第三寄存器，第一移位寄存器的L个数据和互补低通滤波器H
c
(Z
L
)进行点对点相乘，输出的L个数据存入第四寄存器中；2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，焦义文，傅诗媛，马宏，吴涛，李贵新，卢志伟，高泽夫，毛飞龙，陈雨迪，滕飞，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：