短波通信系統(tǒng)射頻前端主要由濾波、放大、混頻、頻率合成等模塊組成，濾波模塊中射頻濾波器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的預(yù)濾波，中頻濾波器主要用于抑制鏡頻[1]。模擬濾波器存在的非理想特性，如插損、帶內(nèi)波動(dòng)等會(huì)影響系統(tǒng)性能，所以需要增加后置模塊對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。相對(duì)于模擬濾波器而言，數(shù)字濾波器靈活、穩(wěn)定，可以借助這些優(yōu)點(diǎn)來(lái)改善模擬濾波器的性能。

    在數(shù)字通信系統(tǒng)中, FIR濾波器因其良好的群時(shí)延特性得到了廣泛的應(yīng)用，較為成熟的設(shè)計(jì)方法有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋逼近法。數(shù)字FIR濾波器既可以由單位沖激響應(yīng)h(n)確定，也可以由h(n)的離散傅里葉變換H(k)來(lái)確定。以上分別對(duì)應(yīng)時(shí)域與頻域兩種處理方法，即窗函數(shù)法和頻率抽樣法。頻率抽樣法直接從頻域出發(fā)，對(duì)頻響抽樣值進(jìn)行處理，直觀且易實(shí)現(xiàn)，但頻率采樣法存在如何設(shè)置過(guò)渡帶抽樣值的問題。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用考慮，本文利用等波紋逼近法來(lái)確定過(guò)渡帶抽樣值，并采用頻率抽樣法來(lái)設(shè)計(jì)具有線性相位的校正濾波器。
1 校正濾波器設(shè)計(jì)原理
1.1 頻率抽樣理論
    設(shè)所要設(shè)計(jì)濾波器理想的頻率響應(yīng)為Hd(ejw)，在0～2?仔上對(duì)Hd(ejw)進(jìn)行N點(diǎn)等間隔抽樣，得到H(k)，即
    

1.2 過(guò)渡帶設(shè)置
    通過(guò)上面分析可以知道，實(shí)際得到的FIR濾波器頻響是理想頻響的一種逼近，逼近誤差由內(nèi)插函數(shù)疊加而形成，并且理想頻響的變換越劇烈，逼近誤差越大。因此在變化較陡的通帶邊緣需要加上一些過(guò)渡帶抽樣點(diǎn)，從而降低濾波器頻響的振蕩，減小逼近誤差。過(guò)渡帶采樣值可以設(shè)置為經(jīng)驗(yàn)值，也可采用優(yōu)化算法[3]，典型的優(yōu)化算法有遺傳算法GA(Genetic Algorithm)及其改進(jìn)算法[4-5]。優(yōu)化算法的基本思想是將過(guò)渡帶抽樣值設(shè)置為變量，并構(gòu)造滿意函數(shù)，然后通過(guò)優(yōu)化算法尋找滿意解。優(yōu)化算法一般較為復(fù)雜，在工程中實(shí)現(xiàn)需要占用大量資源，考慮到本設(shè)計(jì)的主要目的在于校正前端模擬濾波器頻響通帶內(nèi)的抖動(dòng)，本文采用等波紋逼近法，即Remez交換算法，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真出理想濾波器頻率響應(yīng)，并將該頻響的過(guò)渡帶設(shè)置為頻率抽樣值。
    例如，現(xiàn)需要校正前端帶寬為200 kHz的低通濾波器的頻響，可以先通過(guò)MATLAB中REMEZ函數(shù)設(shè)計(jì)出所需要的低通濾波器，如圖1所示。此濾波器帶內(nèi)抖動(dòng)很小，相對(duì)于實(shí)際模擬濾波器可以忽略不計(jì)，阻帶最小衰減大于150 dB?？梢詫⒋藶V波器過(guò)渡帶作為過(guò)渡帶抽樣值。

    天線接收的通信信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬前端的混頻、濾波和放大后得到固定的高中頻信號(hào)，中頻信號(hào)在A/D采樣后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)數(shù)字下變頻、降采樣和校正濾波后得到低采樣速率的基帶信號(hào)，基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制和數(shù)字解調(diào)后進(jìn)入后續(xù)處理。
2.2 硬件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中數(shù)字信號(hào)處理部分硬件框圖如圖3所示。其中控制芯片采用TI公司的TMS320C6416，該芯片主頻為600 MHz，每個(gè)周期內(nèi)能夠執(zhí)行8條32 bit指令。芯片CPU由64個(gè)32 bit通用寄存器和8個(gè)功能單元組成，包括2個(gè)乘法器和6個(gè)算術(shù)邏輯單元[6]。本設(shè)計(jì)中DSP通過(guò)EMIF與FPGA和Flash通信。

    校正模塊中DSP主要完成控制、測(cè)量、計(jì)算濾波器系數(shù)等工作，并將計(jì)算好的系數(shù)寫給FPGA，濾波過(guò)程在FPGA中完成，F(xiàn)lash用來(lái)存儲(chǔ)測(cè)量值。
    根據(jù)1.3節(jié)，在測(cè)量了通帶內(nèi)的Hp(k)后，可以通過(guò)式(9)得到校正濾波器通帶內(nèi)的幅度響應(yīng)抽樣為：

    實(shí)際測(cè)量的頻率響應(yīng)如圖6所示，通帶內(nèi)的波動(dòng)最大值約4 dB。將CCS中數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過(guò)MATLAB繪圖得到校正后的頻率響應(yīng)如圖7所示，其通帶內(nèi)波動(dòng)最大值為0.6 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)校正后系統(tǒng)濾波器頻響通帶內(nèi)的抖動(dòng)性得到了明顯的改善。

    在短波數(shù)字化收發(fā)通信系統(tǒng)中，不論是前端的模擬濾波器還是處理數(shù)字信號(hào)的數(shù)字濾波器，其頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)往往都不是平坦的，本文設(shè)計(jì)的校正模塊旨在對(duì)頻響進(jìn)行反擬合，以減小通帶內(nèi)抖動(dòng)。該設(shè)計(jì)應(yīng)用在實(shí)際的數(shù)字化短波接收系統(tǒng)中，并取得了良好的效果。本設(shè)計(jì)中基于采用頻率抽樣法的FIR校正濾波器易于實(shí)現(xiàn)且效果明顯，對(duì)于改善通信系統(tǒng)中前端濾波器的性能有很好的應(yīng)用價(jià)值。   
參考文獻(xiàn)
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[3] 高西全，丁玉美，闊永紅.數(shù)字信號(hào)處理—原理、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[4] 陳小平，于盛林.遺傳算法在FIR濾波器設(shè)計(jì)—頻率抽樣法中的應(yīng)用[J].電子學(xué)報(bào)，2000，28(10)：118-120.
[5] 張葛祥，金煒東，胡來(lái)招，等.基于頻率采樣技術(shù)的FIR數(shù)字濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2004，9(4)：110-113.
[6] TI Incorporated. TMS320C6416 fixed-point digital signal processor[DB/OL].(2005-05-26)[2010-11-10].http：//www.ti.com/product/tms320c6416.