CN102694563A - 一种用于声音信号的数字解调下变频***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于声音信号的数字解调下变频***及方法的技术方案，将声音信号经经过AD变换，下变频、抽取、滤波，最终输出的数字基带解调信号再进行DA变换，在解调端能够听到清晰的声音信号。本技术方案，用于恢复声音信号，具有很大的灵活性和可扩展性，可以有低得多的功耗，高得多的工作频率，性能也更可靠。

Description

一种用于声音信号的数字解调下变频***及方法

技术领域：

本发明涉及的是一种用于声音信号的数字解调下变频***及方法。

背景技术：

在现有技术中，公知的技术对声音信号进行恢复时大多使用调频信号接收机模拟解调，模拟解调在信号处理上有四个较大的缺点：首先，中频滤波器的非线程相位特性大大影响其线性调频特性，整个模型对邻道干扰的抑制能力差，一般只能达到10dB；第二，为了消除调频信号中的调辐干扰，通过限幅器的信号幅度会大大受损，使得鉴频器的输出信号有较大失真；其三，这种模拟方法不适合在计算机上做实时仿真，很难通过仿真对其做进一步研究和改进，因此只能用实际电路做试验，设计周期较长；最后这个模拟方法构建出的通信***不具有可扩充性和可编程性，它由硬件来定义全部功能，生命周期较短，这是现有技术所存在的不足之处。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种用于声音信号的数字解调下变频***及方法的技术方案，用于恢复声音信号，具有很大的灵活性和可扩展性，可以有低得多的功耗，高得多的工作频率，性能也更可靠。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种用于声音信号的数字解调下变频***，其特征在于包括如下模块：

模数转换模块，用于将接收的模拟中频信号采样得到数字中频信号；数字混频模块，将数字中频信号分别与两个本振信号相乘，正交解调为I/Q两路数字基带信号，正交解调时的两个本振信号与数字中频信号同频同相，且所述的本振信号完全正交；数字解调下变频模块，用于对I/Q两路基带信号进行整数倍的抽取滤波，然后进行整形滤波，实现了平滑滤波、消除带外噪音，将I/Q两路基带信号还原为数字音频信号；数模转换模块，将数字音频信号转换为模拟信号；带通滤波放大模块，对模拟信号进行滤波放大，输出声音信号。

所述的数模转换的采样频率为50MHz。

所述的数字解调下变频模块包括CIC滤波器、HB滤波器、255阶FIR滤波器，CIC滤波器可以实现抽取因子D不为2的幂次方的抽取滤波，且CIC滤波的抽取率为4-32，半带滤波器可实现D=2M倍数抽取，半带滤波器的最大抽取率为32，CIC滤波器与半带滤波器联合使用，实现任意整数倍的抽取，FIR滤波器对抽取后的信号进行整形滤波。

一种用于声音信号的数字解调下变频方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将接收到的模拟中频信号通过模数转换器转换为数字中频信号，

2）使用两个正交的本振信号对数字中频信号进行正交解调，得到I/Q两路数字基带信号，

3)对I/Q两路数字基带信号进行抽取、滤波，实现平滑滤波、消除带外噪音，将I/Q两路基带信号还原为数字音频信号；

4)将数字音频信号转换为模拟信号，

5)对模拟信号进行滤波放大，输出声音信号。

所述的数模转换的采样频率为50MHz。

所述的步骤3）使用CIC滤波器、HB滤波器、255阶FIR滤波器，CIC滤波器可以实现抽取因子D不为2的幂次方的抽取滤波，且CIC滤波的抽取率为4-32，半带滤波器可实现D=2^M倍数抽取，半带滤波器的最大抽取率为32，，CIC滤波器与半带滤波器联合使用，实现任意整数倍的抽取，FIR滤波器对抽取后的信号进行整形滤波。

积分梳状滤波器(CIC)适合作当抽取因子D不为2的幂次方的抽取滤波器。它常常与半带滤波器联合起来使用，从而实现任意整数倍的抽取。

积分梳状滤波器，是指该滤波器的冲击响应具有如下的形式：

$h\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}\≤n\≤D-1\\ 0,\mathrm{else}\end{array}\right.$

从上式可以看出CIC滤波器是一种无乘滤波器，使用它的时候只需要通过加法就可以实现信号的多倍抽取，这就大大的减少了运算量。其中D为滤波器的阶数，同时也是抽取因子。根据Z变换的定义，CIC滤波器的Z变换为：

$H\left(z\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(n\right)z^{-n}$

$=\frac{1-z^{-N}}{1-z^{-1}}$

$=\frac{1}{1-z^{-1}}(1-z^{-N})$

$=H_1\left(z\right)H_2\left(z\right)$

式中，

$H_1\left(z\right)=\frac{1}{1-z^{-1}}$

H₂(z)=1-z^-N

可见，CIC滤波器是由两部分组成：积分器H₁(z)和梳状滤波器H₂(z)的级联。CIC滤波器的幅频特性。

把z=e^jω代入可得H₂(z)的频率响应为：

$H_2\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)=1-e^{-\mathrm{j\ωN}}$

$=e^{-\mathrm{j\ωN}/2}\·\left[\frac{e^{\mathrm{j\ωN}/2}-e^{-\mathrm{j\ωN}/2}}{2}\right]$

$=e^{-\mathrm{j\ωN}/2}\sin (\mathrm{\ωN}/2)$

其幅频特性为：

$\left|H_2\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|=2\left|\sin \left(\frac{\mathrm{\ωN}}{2}\right)\right|$

|H₂(e^jω)|的形状犹如一把梳子，故把其形象的称之为梳状滤波器。同样可以求得积分器H₁(z)的频率响应为：

$H_1\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)=\frac{1}{1-e^{-\mathrm{j\ω}}}$

$=\frac{e^{\mathrm{j\ω}/2}}{2}{\left[\frac{e^{\mathrm{j\ω}/2}-e^{-\mathrm{j\ω}/2}}{2}\right]}^{-1}$

$=\frac{e^{\mathrm{j\ω}/2}}{2}\·{\left(\sin \frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)}^{-1}$

故CIC滤波器的总频率响应为：

$\left|H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|=|H_1\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\·H_2\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)|$

$=|\sin (\mathrm{\ωN}/2)/\sin (\mathrm{\ω}/2)|$

$=|N\·\mathrm{Sa}\left(\frac{\mathrm{\ωN}}{2}\right)\·{\mathrm{Sa}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{\ω}}{2}\right)|$

式中，

为取样函数，且Sa(0)=1，所以CIC滤波器在ω=0处的幅度值为N，即：|H(e^j0)|=N。

半带滤波器可实现D=2^M倍数抽取。它的计算效率高，实时性强，半带滤波器是指频率响应H(e^jω)满足以下关系的FIR滤波器：

ω_A=π-ω_C

δ_s=δ_p=δ

即半带滤波器的阻带宽度(π-ω_A)与通带宽度(ω_C)是相等的，而且通带阻带的波纹也相等

半带滤波器具有以下的性质：

H(e^jω)=1-H(e^j(π-ω))

H(e^jπ/2)=0.5

$h\left(k\right)=\left\{\begin{array}{c}1,k=0\\ 0,k=\±2,\±4,...\end{array}\right.$

也就是说半带滤波器的冲激响应h（k）除了零点不为零外，在其余偶数点全为零，所以采用半带滤波器来实现取样率的变换时，只需要一般的计算量，有很高的计算率。

数字解调下变频器中FIR滤波器主要作用是对整个信道进行整形滤波，不作抽取功能，信号经过CIC、HB滤波器后，输入到FIR滤波器的采样速率相对来说已经很低，因此在一定的处理时钟速率下，能够有较高阶的FIR滤波，使得滤波器的通带波动、过渡带带宽、阻带最小衰减等指标能够设计的很好。

FIR滤波器的单位冲击响应h(n)，输入序列x(n)，输出序列y(n)，则滤波器的输入输出关系式为：

$y\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(m\right)x(n-m)$

FIR滤波器的设计任务主要是选择有限长的h(n)，尽可能的逼近传输函数H(e^jω)。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的结构示意图

图2为本发明具体实施方式的流程图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

通过附图可以看出，本方案的用于声音信号的数字解调下变频***，包括如下模块：

模数转换模块，用于将接收的模拟中频信号采样得到数字中频信号；数字混频模块，将数字中频信号分别与两个本振信号相乘，正交解调为I/Q两路数字基带信号，正交解调时的两个本振信号与数字中频信号同频同相，且所述的本振信号完全正交；数字解调下变频模块，用于对I/Q两路基带信号进行整数倍的抽取滤波，然后进行整形滤波，实现了平滑滤波、消除带外噪音；将I/Q两路基带信号还原为数字音频信号；数模转换模块，将数字音频信号转换为模拟信号；带通滤波放大模块，对模拟信号进行滤波放大，输出声音信号。

所述的数模转换的采样频率为50MHz。

所述的数字解调下变频模块主要由PDC芯片以及FPGA完成，其中：PDC芯片完成的主要工作有：第一是数字正交下变频，数字混频器将数字中频信号和数控振荡器(NCO)产生的正交本振信号相乘，生成I/Q两路混频信号，将感兴趣的信号下变频至零中频；第二是低通滤波，滤除带外信号，提取有用信号；第三是采样速率转换，通过数字抽取降低采样速率，大抽取因子范围提供了可设计成宽带活窄带数字信道的能力。FPGA完成的主要工作有：配置下变频芯片需要的控制字；控制数字信号的速率；生成DA转换时的同步时钟以及控制信号；必要时加入数字滤波的功能。

所述的数字解调下变频模块包括CIC滤波器、HB滤波器、255阶FIR滤波器，CIC滤波器可以实现抽取因子D不为2的幂次方的抽取滤波，半带滤波器可实现D=2M倍数抽取，CIC滤波器与半带滤波器联合使用，实现任意整数倍的抽取，FIR滤波器对抽取后的信号进行整形滤波。

本次设计针对语音信号，因此通带设计在200-3000Hz。FIR滤波器采用布莱克曼窗实现低通滤波，使用MATLAB产生相应抽头的原型低通滤波器系数，通过参数配置模块在DDC开始工作前存入RAM中。在解调端采用专用D/A转换芯片完成音频信号的恢复，根据国际标准，输出声音信号的速率设在48kHz，通过FPGA同时输出语音信号与同步时钟。

一种用于声音信号的数字解调下变频方法，包括如下步骤：1）将接收到的模拟中频信号通过模数转换器转换为数字中频信号，采样频率为50mhz；2）使用两个正交的本振信号对数字中频信号进行正交解调，得到I/Q两路数字基带信号，3)对I/Q两路数字基带信号使用CIC滤波器、HB滤波器、255阶FIR滤波器进行抽取、滤波，实现平滑滤波、消除带外噪音，将I/Q两路基带信号还原为数字音频信号，CIC滤波器可以实现抽取因子D不为2的幂次方的抽取滤波，半带滤波器可实现D=2M倍数抽取，，CIC滤波器与半带滤波器联合使用，实现任意整数倍的抽取，FIR滤波器对抽取后的信号进行整形滤波。4)将数字音频信号转换为模拟信号，5)对模拟信号进行滤波放大，输出声音信号。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于声音信号的数字解调下变频***，其特征在于包括如下模块：

模数转换模块，用于将接收的模拟中频信号采样得到数字中频信号；

数字混频模块，将数字中频信号分别与两个本振信号相乘，正交解调为I/Q两路数字基带信号，正交解调时的两个本振信号与数字中频信号同频同相，且所述的本振信号完全正交；

数字解调下变频模块，用于对I/Q两路基带信号进行整数倍的抽取滤波，然后进行整形滤波，实现了平滑滤波、消除带外噪音，将I/Q两路基带信号还原为数字音频信号；

数模转换模块，将数字音频信号转换为模拟信号；

带通滤波放大模块，对模拟信号进行滤波放大，输出声音信号。

2.根据权利要求1所述的用于声音信号的数字解调下变频***，其特征是：所述的数模转换的采样频率为50MHz。

3.根据权利要求1所述的用于声音信号的数字解调下变频***，其特征是：所述的数字解调下变频模块包括CIC滤波器、HB滤波器、255阶FIR滤波器，CIC滤波器可以实现抽取因子D不为2的幂次方的抽取滤波，半带滤波器可实现D=2^M倍数抽取，CIC滤波器与半带滤波器联合使用，实现任意整数倍的抽取，FIR滤波器对抽取后的信号进行整形滤波。

4.一种用于声音信号的数字解调下变频方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将接收到的模拟中频信号通过模数转换器转换为数字中频信号，

2）使用两个正交的本振信号对数字中频信号进行正交解调，得到I/Q两路数字基带信号， 

3)对I/Q两路数字基带信号进行抽取、滤波，实现平滑滤波、消除带外噪音，将I/Q两路基带信号还原为数字音频信号

   4) 将数字音频信号转换为模拟信号，

   5) 对模拟信号进行滤波放大，输出声音信号。

5.根据权利要求4所述的用于声音信号的数字解调下变频方法，其特征是：所述的数模转换的采样频率为50MHz。

6. 根据权利要求4所述的用于声音信号的数字解调下变频方法，其特征是：所述的步骤3）使用CIC滤波器、HB滤波器、255阶FIR滤波器，CIC滤波器可以实现抽取因子D不为2的幂次方的抽取滤波，半带滤波器可实现D=2^M倍数抽取，CIC滤波器与半带滤波器联合使用，实现任意整数倍的抽取，FIR滤波器对抽取后的信号进行整形滤波。

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