多通道通信系統(tǒng)的濾波處理

1、3RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理多通道通信系統(tǒng)的濾波處理引言演示的設(shè)計目的在于闡述濾波處理在消除頻譜泄漏、縮減通道寬度和消除相鄰?fù)ǖ篱g干擾等方面中的重要性。通常，許多數(shù)字通信協(xié)議的設(shè)計是基于保證給每個通道 分配一段特定的頻率范圍的目的，這一實現(xiàn)方式被稱為頻分復(fù)用（FDM ）。由于每個通道被指定了一段不同的頻率范圍，這要求設(shè)備在一個通道上發(fā)生的信號應(yīng)當(dāng)避免對其相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生 干擾。在此演示中，我們將講述如何使用一脈沖整形濾波器（通常是升余弦濾波

2、器）來限制任 一給定通道所占用的頻譜。此外，我們還將講述如何在接收端實現(xiàn)一個帶通濾波器以消除來自 相鄰頻帶的偏移量。常見使用頻分復(fù)用應(yīng)用于多種通信協(xié)議。一些最常用的數(shù)據(jù)協(xié)議包括藍(lán)牙和蜂窩協(xié)議，如GSM、TDMA和CDMA。同樣，每個這樣的協(xié)議將其分配到的頻帶分割成更小的通道，并分配給多 個設(shè)備以實現(xiàn)同時通信。藍(lán)牙應(yīng)用于蜂窩電話、便攜式電腦、PDA和其它設(shè)備以傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。此外，藍(lán)牙工作于2.4GHz的非注冊頻段。實際上，該協(xié)議定義了79個通道，范圍從 2.402 GHz到2.480 GHz，通道間以1 MHz的頻率間隔劃分。GSM （全球移動通信系統(tǒng)）是一種常見的蜂窩協(xié)議，它也實現(xiàn)了頻分復(fù)用。

3、對于GSM，其下行通道落在890 - 915 MHz的頻率范圍，其上行通道位于 935 - 960 MHz的頻率范圍。上下行方 向各有124個通道，每個通道間隔為 200 kHZ。該協(xié)議在發(fā)送端專門使用了高斯濾波器。對于幾乎所有的數(shù)字調(diào)制協(xié)議，濾波器的實現(xiàn)才使得多通道的實現(xiàn)方式成為可能。事實上，發(fā) 送裝置和接收裝置必須同時應(yīng)用濾波器，以將每個通道限制在其分配的頻帶中。在發(fā)送端，一 個脈沖整形濾波器被作用于IQ波形，以平滑每個符號發(fā)送并限制該信號占用的帶寬。在接收 端，一個帶通濾波器被作用于所期望的頻率范圍，以消除來自相鄰?fù)ǖ赖念l率干擾。下面，我 們將描述這兩種類型濾波器的各自需求和作用。脈沖整

4、形基礎(chǔ)在通信系統(tǒng)中，脈沖整形濾波器的使用源于無線通信通道的兩個重要需求。這兩項需求是：1 ）生成有限帶寬的通道；2）減少多徑信號反射引發(fā)的符號間的干擾（ ISI）。這兩項需求均可以通過將一個脈沖整形濾波器應(yīng)用于每個符號來實現(xiàn)。事實上，同步脈沖（如下所示）可以 同時滿足這兩項需求，因為該脈沖通過僅使用一小部分的頻段有效地利用了頻譜，而且它對于 被調(diào)制信號的每個符號周期有加窗作用。一個同步脈沖及其FFT頻譜如下所示。（懷疑原文中的sync應(yīng)為sine）AmplitudeAmplitudeA JAt(syrmbcil pericd)如上圖所示，sine脈沖具有周期性，其最大幅值位于符號時間的中央。此

5、外，該脈沖在頻域表 現(xiàn)為一個方波，從而可以將一個信道有效地限制在特定的頻率范圍之內(nèi)。減少通道帶寬基本上，對一個載波正弦曲線進(jìn)行調(diào)制將使其相位與幅值產(chǎn)生持續(xù)變遷。下面，我們展示了一 個載波正弦曲線的時域波形，其中符號速率為該載波信號的一半。我們可以看出這一關(guān)系，是 因為該載波信號每隔兩個周期發(fā)生一次相位/幅值變遷。正如您在該圖所看到的，當(dāng)未進(jìn)行濾波處理時，有銳變發(fā)生。如常人所料想的，任何信號中的銳變都將在頻域產(chǎn)生高頻成分。在一個多通道通信系統(tǒng)中，由 于幾方面的因素，將一個調(diào)制后的載波信號的所有功率剛好限制在載波信號帶寬內(nèi)，是非常極 為重要的。其一，當(dāng)信號的頻率范圍更為集中時，這樣做可以減少發(fā)送功

6、率。其二，將通道限 制在一個特定的頻帶內(nèi)可以消除相鄰?fù)ǖ赖母蓴_。通過將一個脈沖整形濾波器作用于該調(diào)制后的正弦曲線，原銳變得到平滑，所得到的信號也被 限制在一個特定的頻帶內(nèi)。下圖所示的是調(diào)制后的正弦曲線的時域波形。In-Class Demos 課堂演示ffNATIONALINSTRUMENTSRF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns Systems5RF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理如圖所示，當(dāng)使用了濾波處理，相位與幅值的變遷變得更為平滑。因而，該正弦曲線的頻域信 息變得更為集中于一個特定的頻帶。（I

7、SI）減少符號間干擾（ISI）在有限帶寬的通道中，當(dāng)信號長距離傳輸并經(jīng)過各種媒介時，多徑衰減可能引發(fā)符號間干擾（ISI ）。更為特殊的是，物理環(huán)境的這一特性會導(dǎo)致一些符號擴(kuò)展而超出其給定的時間間 隔。因而，這些擴(kuò)展的符號會對其后續(xù)或前面的傳輸符號造成干擾。解決這一問題的方案就是 利用前面描述的脈沖整形濾波器的應(yīng)用，通過將該濾波器作用于每個生成的符號，我們可以在 減少ISI的同時也減小通道帶寬。此外，也常常在接收端使用匹配濾波器以最小化這些影響。下面，我們講述一個作用于每個生 成符號的脈沖整形濾波器的實現(xiàn)。如下圖所示，脈沖整形濾波器的最大幅值位于符號周期的中 心。此外，符號周期的開始和結(jié)束部分均

8、被削弱。因而，通過提供一個偽保護(hù)間隔以消弱來自 多徑反射的信號，ISI被降低。In-Class Demos 課堂演示ffNATIONALINSTRUMENTS7RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理Time正如我們從上圖所看到的，來自后續(xù)符號的sine脈沖實際上相互重疊。然而，由于每個sine脈沖的峰值對應(yīng)于后續(xù)sine脈沖的的零交叉點，從而實現(xiàn)符號間干擾（ISI）的最小化。匹配濾波匹配濾波器或許與脈沖整形濾波器同等重要。脈沖整形濾波器的作用在于生

9、成每個符號周期不 相重疊的信號，而匹配濾波器的重要性就在于濾除那些在傳輸過程中信號反射所產(chǎn)生的確鑿影 響。由于直接路徑的信號先于反射信號到達(dá)接收裝置，所以反射信號可能會與后續(xù)的符號周期 產(chǎn)生重疊。這一情況如下圖所示。PowersymlMl pArlodr)正如您所看到的，匹配濾波器通過削弱每個符號周期的開始和結(jié)束部分來減少這一影響。因 而，它能夠減少符號間干擾。匹配濾波器的最常見選擇之一便是上述的根升余弦濾波器。In-Class Demos 課堂演示帶通濾波（接收裝置）正如在發(fā)送端采用脈沖整形濾波器，在接收裝置這一側(cè)也必須采用一個額外的濾波器。根據(jù)一 般經(jīng)驗，每個相鄰?fù)ǖ赖拈g隔距離應(yīng)為其通道帶

10、寬的25%。這樣，當(dāng)解調(diào)給定的通道時，相鄰?fù)ǖ廊杂锌赡軙绊戄d波信號的相位與幅值。因此，在頻域使用一個帶通濾波器以濾除不希 望的通道。下面，我們展示了一個仿真的物理通道的頻域波形，其中6個不同的載波信號間隔為100MHz，從1.0 GHz到1.5 GHz。糟糕的是，將該信號簡單地下混頻為IQ數(shù)據(jù)，并不足以準(zhǔn)確的還原信號。實際情況中，相鄰?fù)ǖ溃ㄈ?.1 GHz、1.2 GHz等）與主通道過于靠近，從而對理想符號位置的相位與幅值產(chǎn)生影響。因而，采用通帶濾波器濾除期望頻率帶寬外的所有其它 信號是非常必要的。In-Class Demos 課堂演示SQCZHINATIONALINSTRUMENTS#RF

11、 Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理In-Class Demos 課堂演示SQCZHINATIONALINSTRUMENTS9RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理下面，我們展示了一個 7階切比雪夫IIR （無限沖激響應(yīng)）帶通濾波器的頻響曲線。正如我們 所看到的，這一特定實現(xiàn)的設(shè)計目的在于，通過在950

12、MHz與1.05 GHz間的所有頻率，并削弱該頻帶外的信號。在一個真實世界的通信系統(tǒng)中，帶通濾波器是極為重要的，因為它們可 以濾除不屬于調(diào)制后的載波信號的電磁波。B , a n7S0H 畑 80QM 站 8W 融為 950H 為i <s affiK,0?K口2K I.IKLK i2KfraMHCY通過使用一個帶通濾波器，我們能夠消除相鄰?fù)ǖ赖挠绊?。下面，我們可以看到所用帶通濾波 器已經(jīng)較好地削弱了相鄰?fù)ǖ?。因而，接收到的信號的相位與幅值特性都更為接近原先調(diào)制后 的載波信號。譯it-o-1D3-125-15J-1?-2S-5ODMFrequencvW曲 E (F.H5)Fihered F

13、- (MMS)f-5J- -75 -演示在下面的演示中，我們將檢視脈沖整形濾波處理和帶通濾波處理的基本原理。再次強(qiáng)調(diào)，這兩 個濾波器是以兩種不同的方式實現(xiàn)的。脈沖整形濾波器用于發(fā)送裝置，以限制所生成信號的帶 寬；而帶通濾波器用于接收裝置，以從頻譜的其它通道中篩選所期望的載波信號。A部分：脈沖整形濾波處理首先，我們將對單個通道進(jìn)行脈沖整形濾波處理，以察看對于通道帶寬的影響。打開所附范例并驗證下列參數(shù)： 添加相鄰?fù)ǖ?假（紅色） 應(yīng)用接收端濾波器=假（紅色） 脈沖整形濾波器=升余弦如下面的截屏所示，您將看到中心位于 1 GHz的單個載波信號。缺省情況下，脈沖整 形濾波器應(yīng)已經(jīng)設(shè)置為 升余弦”。通過

14、這樣的工作，我們能夠平滑符號的變遷并限制單 個通道所占用的頻譜。In-Class Demos 課堂演示SQCZHINATIONALINSTRUMENTS11RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理Filtering with Frequency Division Multiplexing (FDM)Tx Frsqueney Dorna 卄Rj( CBnsteli5ttw Pbt Rx Frocgw DomahTest channel (mj) |1G

15、口Best Channel (He)Pulse-Taplng Fir-fer Parametsrs (transmit)Puke Shapng Fit曰After PerarreterRaised 匚ftsna耳Apply a 7th 口nd日r thsndpss? Chebychev HR filter desicrisd to 吟勺5Q MHz B 1,05 GHz.Add MjaLent 匸hfamekPSK kkdjlatian RarsmEtE虧Symbol Rate 代)M4=*SKEnable BandjaasF liter 宅賓創(chuàng)e)|Appiy ReoEMief RftsrS

16、TOP-2D-0-ao-14D-160-33D-20001 rare mt rrT - (RMSl D-HMM 75UH- - m-nEUFreiLieneyrsote; The vdite 矢禺 is centered around (he test carrier frequency which appeasrs cn lhe constdb&or pilot. The red peats represent other channels at adjacent frequences, The frequency of closest charnel can be adjusted

17、 to view lhe effect of hterferance on 倍t cerrigf.白色波峰的中心約位于星座圖上所顯示的測試載波頻率。紅色波峰表示位于相鄰頻Phymicml fhmmel CarHtersstic耳率的其它通道?？梢哉{(diào)整最接近通道的頻率以察看干擾對測試載波的影響。下一步，改變 脈沖整形濾波器”為空”正如您從下面的截屏所看到的，禁用濾波器將導(dǎo)致 調(diào)制后信號增加了許多高頻諧波。這些諧波是不容忽視的，因為它們會對相鄰?fù)ǖ涝斐筛?擾。此外，生成這些諧波需要更多的功率。因而，通過使用脈沖整形濾波器，我們可以減 少一個給定通道所需要的帶寬。NATIONALINSTRUMENT

18、SIn-Class Demos 課堂演示1-2*3-*4#RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理Filtering with Frequency Division Multiplexing (FDM)Phymicml Channel 63-詛曰啦亡耳Test Channel (hj) |1GClasest Channel (HeGEMT x Frequency DomahPdlse-Siaplng Filter Paraim&teirs (

19、transmit)!Puke Shapng Fit®Rker Perarreterrl|D.ZZj*-j PSK Nkdulatiori RarmmEtE虧Symbol Rate X(5C*i:廠Add Adicenl:匸EnabteBandas f iter 宅賓曲e)|d 皿呎帀"陸FFT - (RMS) |QRj( CBnsteltoni Pbt | Rx Frsquerc Domain j-200-2S0M 9D0M 75flM 悔l,站1.7 誤 鼠&畫.聶FreiLieney-4D-J6D-3D- - - 如 M 罰 r MJ 1- 軍CHrsote;

20、The white is centered around (he test carrier frequency whichappeasrs cn ±ie constdbticri ptot. The red peats represerrt other channels at adjacent frequences, The frequency of closest charnel can be adjusted to vw the aect of ntefferance on test carrier.白色波峰的中心約位于星座圖上所顯示的測試載波頻率。紅色波峰表示位于相鄰頻In-C

21、lass Demos 課堂演示SOZHZINATIONALINSTRUMENTS13RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理率的其它通道?？梢哉{(diào)整最接近通道的頻率以察看干擾對測試載波的影響。此外，因未使用脈沖整形濾波器而引發(fā)的相鄰?fù)ǖ栏蓴_在多通道系統(tǒng)中甚至更為明顯。為觀察 這一通道干擾的情況，點擊添加相鄰?fù)ǖ馈卑粹o以仿真一個多通道實現(xiàn)。正如我們從下圖所看到的，額外的通道在圖中顯示為紅色。如圖所示，白色的測試載波信號與新增加的相鄰?fù)ǖ佬?成明顯干擾。接

22、下來，改變脈沖整形濾波器為升余弦”。在每個通道實現(xiàn)一個帶限濾波器的結(jié)果便是，我們前面看到的通道干擾被有效阻止了?，F(xiàn)在，我們可以從下圖觀察到這一操作一一將脈沖整形濾波器作用于每個通道，很明顯，隔離每個通道的底噪大大降低，而且通道間的干擾也大為減 少。In-Class Demos 課堂演示SOZHZINATIONALINSTRUMENTS#RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理In-Class Demos 課堂演示SOZHZINATIONALINSTR

23、UMENTS#RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理下一步，點擊“ R瀕域”標(biāo)簽以察看接收端的頻譜。該曲線的外觀應(yīng)當(dāng)類似上圖，除了新增 的相鄰?fù)ǖ烙冒咨@示。在察看這一標(biāo)簽的同時，點擊應(yīng)用帶通濾波器”按鈕。這一操作應(yīng)用了一個7階帶通濾波器，目的是實現(xiàn)950 MHz到1.05 GHz之間的100 MHz的通帶。因而，所得信號僅顯示了中心位于1 GHz的單個通道。所得頻譜如下所示。-120-K呈苫ISO-500WII1GL%FitBJiwi(FFT-(

24、RMS»FrequencyIn-Class Demos 課堂演示SOZHZINATIONALINSTRUMENTS15RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理現(xiàn)在，點擊前面板上的 星座圖”標(biāo)簽。該標(biāo)簽顯示的是一個包含了經(jīng)過濾波處理后的信號 和下混頻的信號的星座圖。由于脈沖整形濾波器的作用，所以我們能夠顯著地濾除任何來 自相鄰?fù)ǖ赖母蓴_。因而，該星座圖清楚地顯示了下混頻信號的每個符號。1.7nL.6-consteldtionIrflnsflo

25、ns：1.00.6 HD.4-D.2H 住 0sQ-0.4-0,6-0,0-1.0-1.4-L6-1J-1nR:llIliEm 一I: s! y =! SIH一»bMii-1.7-1-4 -1.2 1NATIONALINSTRUMENTS#RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理最后，在察看星座圖同時，改變脈沖整形濾波器為空”正如您從下圖所看到的，每個符號的相位與幅值均相對其理想位置發(fā)生了偏移。發(fā)生這一現(xiàn)象的原因在于，來自相鄰?fù)ǖ?的干擾泄

26、露至我們的測試載波信號帶寬。注意：如果沒有通道噪聲，將信號下混頻得到可 辨別的符號仍是可能的。然而，這一實現(xiàn)由于兩方面的原因而不夠理想。首先，這是基于 沒有通道噪聲的假設(shè)；其次，這需要更多的功率以生成頻譜更寬的信號。因而，在多通道 通信系統(tǒng)中使用脈沖整形濾波器是非常重要的。cnnstelatmnIranstlons囂:聽一Im,2NATIONALINSTRUMENTS#RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理NATIONALINSTRUMENTS#R

27、F Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理B部分：接收端帶通濾波處理In-Class Demos 課堂演示NATIONALINSTRUMENTS#RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理在第二部分中，我們將關(guān)注來自相鄰?fù)ǖ赖母蓴_，并闡述帶通濾波器對于最小化這一干擾的重 要性。首先，選擇下列設(shè)置：最接近通道（Hz

28、） = 2G添加相鄰?fù)ǖ?真脈沖整形濾波器=升余弦應(yīng)用帶通濾波器=假在察看“T瀕域”標(biāo)簽時，您將看到中心位于1 GHz的測試載波通道和 5個從2 GHz開始的相鄰?fù)ǖ?。Filtering with Frequency Division Multiplexing (FDM)Test Channel (Hz)jlGi口ssst Chsrrel (He)Channel Charaztef 店込AddChampsFi'Her Parameter? (Ir老即i謝Put=e Shaping Filter；匚csheHter ParameterPSK f/odulation Pmr呂mgtETE

29、刖 mbol Rate (Mz)mpsk；4Enatj且 bandpass FiltereaEue)|App 耶 a 7lh order banass Chebych&v HR filter 站jgnpd Id pass mhz tn i.os GHhApply Bardpdst AfterGSM Cwerview Tx Frequercy DomainRw Constellation Plot | Rh Frequency Dotwin25m500M750M 1G I.25G.1.5G1.75G2)G2.25G2.5GFrequencyFFT-(RM5：i QQ| STOPNotes

30、 The 砧愴 peQ< ts c&ilBsred arouTd th* iftst carrier frequavy hich app色on the ccretefetion plot. The rd peaks represent other chameb 或 adjacent frequencies. The frequency of dosest channel can be adjusted co 4亡訓(xùn) 妊 affect of interferaice on test carrier.NATIONALINSTRUMENTS#RF Academic Bun die： F

31、ilteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理NATIONALINSTRUMENTS#RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理注意：白色波峰的中心約位于星座圖上所顯示的測試載波頻率。紅色波峰表示位于相鄰頻率的其它通道?？梢哉{(diào)整最接近通道的頻率以察看干擾對測試載波的影響。由于距離測試載波通道如此之遠(yuǎn)，相鄰?fù)ǖ缹y試載波的相位與幅值的影響達(dá)到了最低限 度。下一

32、步，點擊 “R）星座圖”標(biāo)簽以察看星座圖。如下圖所示，即使不曾使用帶通濾波 器，所得到的符號也能夠被清楚地辨別。再次強(qiáng)調(diào)，出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因為測試通道與最接 近的相鄰?fù)ǖ篱g存在一個顯著的保護(hù)頻帶（1 MHz ）。In-Class Demos 課堂演示1 H2* 3 " 4NATIONALINSTRUMENTS#RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理canMelaAiontF-arsfcions-ConstelatlonPlot Iii溯鸞輕

33、a下一步，改變最接近通道為1.8 GHz，并觀察星座圖的結(jié)果。正如您從下圖看到的，相鄰?fù)ǖ篱_始對我們的測試通道慢慢產(chǎn)生干擾。事實上，每個符號變遷中的細(xì)小紋波 確實發(fā)生在最接近載波的頻率處。這便稱為拍頻”當(dāng)改變相鄰?fù)ǖ涝絹碓浇鼫y試載波時，紋波隨著拍頻的提高變得越來越大。最終，在大約1.5 GHz的位置，拍頻變得大到使符號在星座圖中再也無法辨別。canstelStin nL.4srans filmsIn-Class Demos 課堂演示SQCZHINATIONALINSTRUMENTS#RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理In-Class Demos 課堂演示SQCZHINATIONALINSTRUMENTS#RF Academic Bun die： Filteri ng in Multi-Cha nnel Communi catio ns SystemsRF學(xué)習(xí)包：多通道通信系統(tǒng)中的濾波處理現(xiàn)在，我們將應(yīng)用帶通濾波器以減少相鄰?fù)ǖ栏蓴_的