基于数字匹配滤波器实现的采样速率非整数倍变换方法

技术领域

本发明属于数字信号处理技术领域，特别是一种基于数字匹配滤波器实现的采样速率非整数倍变换方法。

背景技术

在设计数字解调器时，通常会根据实际应用场景，设计采样速率转换功能模块；为使接收机接收信号信噪比最大化，通常会在同步前设计匹配滤波器。针对单独采样速率变换，根据传统设计方案，需要经过高速插值、两级抗混叠滤波处理、低速抽取的三个步骤，这样的处理方式使速率变换设计繁琐，增加了设计开发成本、硬件开销及维护成本。

目前高速解调器实际应用时，为应对不同使用场景，在解调器工作时，通常需要对其过程中采样速率进行调整，通过传统的采样速率变换设计方法，针对不同采样速率调整，在最差情况下，每种采样速率均需要单独逐级进行设计；如制定解调器方案时，需要根据实际所需的数据速率，结合实际硬件情况，对应设计合适的抗混叠滤波器，在多级结构中还需要做繁琐的频谱分析，使多场景下的设计过程繁琐，增加了设计开发成本、硬件开销及维护成本。也有方案采用插值的方式来实现小数倍采样速率变换，但采样这种方式，需要单独针对完成小数倍变换的功能额外加入插值滤波功能，不免造成资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较高灵活性和有效性的基于数字匹配滤波器实现的采样速率非整数倍变换方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于数字匹配滤波器实现的采样速率非整数倍变换方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，根据输入输出采样频率关系，计算完成非整数倍采样速率变换相关的相位调整值；

步骤2，根据输入输出采样频率关系，确定相位调整精度；

步骤3，根据相位调整精度，进行数字滤波器设计，得到数字匹配滤波冲激响应值；

步骤4，将相位调整值作为数字匹配滤波冲激响应值索引，进行匹配滤波计算，实现非整数倍采样速率变换。

进一步地，步骤1所述根据输入输出采样频率关系，计算完成非整数倍采样速率变换相关的相位调整值，具体包括：

步骤1-1，设定相位步进值step：

式中，f

步骤1-2，设定相位调整值S(k)的初始值为0；

步骤1-3，当有输入样点序列输入时，按照如下方式更新相位调整值S(k)：

式中，k为输出信号序列索引。

进一步地，步骤2所述根据输入输出采样频率关系，确定相位调整精度，具体包括：

步骤2-1，将相位步进值step化简为最简分式；

步骤2-2，将最简分式的分母作为相位调整精度值M。

进一步地，步骤3所述根据相位调整精度，进行数字滤波器设计，得到数字匹配滤波冲激响应值，具体为：

调用Matlab软件中的滤波器设计函数进行数字滤波器设计，滤波器设计函数中的参量每符号采样点数赋值为相位调整精度值，运行函数获得对应的数字滤波器冲激响应值h(t)。

进一步地，步骤4所述将相位调整值作为数字匹配滤波冲激响应值索引，进行匹配滤波计算，实现非整数倍采样速率变换，具体包括：

设输出样点值为d(k)，d(k)与相位调整值S(k)、相位调整精度M及匹配滤波器中移位寄存器R(n)关系表示为：

式中，M为相位调整精度；h((S(k)+n)*M)为数字匹配滤波冲激响应值，R(n)为移位寄存器中的输入样点索引，在每次有新的输入样点数据进行移位更新，用于输出样点值计算；n的取值范围在0～N-1，N＝sps*span为匹配滤波器的卷积长度，sps为匹配滤波符号样点数，span为相关符号数；

依据步骤1所得相位调整值S(k)、步骤2所得相位调整精度M，结合R(n)，通过上述公式在每时钟根据S(k)值进行输出样点序列计算判定，完成每个输出样点值计算并更新当前相位调整值，在完成接收信号匹配滤波的同时，实现输入输出采样速率的非整数倍变换。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)通过匹配滤波器代替原本小数倍变换中的抗混叠滤波器，简化了滤波器设计流程，进一步简化了硬件实现结构，减少硬件资源消耗，改善硬件功耗，节省了成本。

(2)通过调整数字匹配滤波器相位，实现匹配滤波冲激响应值的选取，进一步实现信号采样位置的调整，相较于传统的小数倍变换结构与匹配滤波结构，简化了硬件结构，还同时实现了信号的小数倍采样速率转换及匹配滤波。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明实现采样速率非整数倍变换结构在改良前后的数据处理流程示意图，其中(a)为改良前，(b)为改良后。

图2是本发明基于匹配滤波器实现的采样速率非整数倍变换的实现过程示意图。

图3为本发明设计匹配滤波部分冲激响应曲线示意图。

图4为本发明通过数字匹配滤波器设计得到的冲激响应样点示意图。

图5为本发明输入输出采样速率变化采样位置示意图。

图6为本发明根据相位调整重新设计的数字匹配滤波冲激响应样点示意图，其中(a)为根据相位调整精度重新设计前数字匹配滤波冲激响应样点示意图，(b)为根据相位调整精度重新设计后数字匹配滤波冲激响应样点示意图。

图7为本发明进行相位调整值调整前后匹配滤波冲激响应示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

结合图2，本发明提供了一种基于数字匹配滤波器实现的采样速率非整数倍变换方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，根据输入输出采样频率关系，计算完成非整数倍采样速率变换相关的相位调整值；

步骤2，根据输入输出采样频率关系，确定相位调整精度；

步骤3，根据相位调整精度，进行数字滤波器设计，得到数字匹配滤波冲激响应值；

步骤4，将相位调整值作为数字匹配滤波冲激响应值索引，进行匹配滤波计算，实现非整数倍采样速率变换。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤1所述根据输入输出采样频率关系，计算完成非整数倍采样速率变换相关的相位调整值，具体包括：

步骤1-1，设定相位步进值step：

式中，f

步骤1-2，设定相位调整值S(k)的初始值为0；

步骤1-3，当有输入样点序列输入时，按照如下方式更新相位调整值S(k)：

式中，k为输出信号序列索引。

需要说明的是，上面累加器累加的判定逻辑同样适用于输出样点值计算与否的判定：当S(k)<1时，进行输入样点移位寄存及相位调整值累加，进行当次匹配滤波计算，得到对应样点输出值；反之仅进行输入样点移位寄存及相位调整值减1，不进行匹配滤波计算，无输出样点值。

这里，要进行采样速率的非整数倍变换，传统的数据处理流程包括：输入信号进行高速插值、插值信号进行抗混叠滤波、滤波信号进行低速抽取三个步骤完成。本方法中摒弃该套结构，直接通过输入输出采样速率关系，计算出匹配滤波器的相位调整值，通过简单逻辑推断完成信号的采样速率非整数倍变换。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤2所述根据输入输出采样频率关系，确定相位调整精度，具体包括：

步骤2-1，将相位步进值step化简为最简分式；

步骤2-2，将最简分式的分母作为相位调整精度值M。

例如：当f

进一步地，在其中一个实施例中，步骤3所述根据相位调整精度，进行数字滤波器设计，得到数字匹配滤波冲激响应值，具体为：

调用Matlab软件中的滤波器设计函数进行数字滤波器设计，滤波器设计函数中的参量每符号采样点数赋值为相位调整精度值，运行函数获得对应的数字滤波器冲激响应值h(t)。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤4所述将相位调整值作为数字匹配滤波冲激响应值索引，进行匹配滤波计算，实现非整数倍采样速率变换，具体包括：

设输出样点值为d(k)，d(k)与相位调整值S(k)、相位调整精度M及匹配滤波器中移位寄存器R(n)关系表示为：

式中，M为相位调整精度；h((S(k)+n)*M)为数字匹配滤波冲激响应值，R(n)为移位寄存器中的输入样点索引，在每次有新的输入样点数据进行移位更新，用于输出样点值计算；n的取值范围在0～N-1，N＝sps*span为匹配滤波器的卷积长度，sps为匹配滤波符号样点数，span为相关符号数；

依据步骤1所得相位调整值S(k)、步骤2所得相位调整精度M，结合R(n)，通过上述公式在每时钟根据S(k)值进行输出样点序列计算判定，完成每个输出样点值计算并更新当前相位调整值，在完成接收信号匹配滤波的同时，实现输入输出采样速率的非整数倍变换。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

步骤1，根据输入输出采样频率关系，计算完成非整数倍采样速率变换相关的相位调整值；

步骤2，根据输入输出采样频率关系，确定相位调整精度；

步骤3，根据相位调整精度，进行数字滤波器设计，得到数字匹配滤波冲激响应值；

步骤4，将相位调整值作为数字匹配滤波冲激响应值索引，进行匹配滤波计算，实现非整数倍采样速率变换。

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于基于数字匹配滤波器实现的采样速率非整数倍变换方法的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

步骤1，根据输入输出采样频率关系，计算完成非整数倍采样速率变换相关的相位调整值；

步骤2，根据输入输出采样频率关系，确定相位调整精度；

步骤3，根据相位调整精度，进行数字滤波器设计，得到数字匹配滤波冲激响应值；

步骤4，将相位调整值作为数字匹配滤波冲激响应值索引，进行匹配滤波计算，实现非整数倍采样速率变换。

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于基于数字匹配滤波器实现的采样速率非整数倍变换方法的限定，在此不再赘述。

为了更好的理解上述技术方案，下面结合附图及具体示例对本发明作进一步详细描述。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，首先给出实施例通过软件Matlab的rcosdesign函数进行数字匹配滤波器设计的相关参数：输入信号采样频率f

图1是本发明实现采样速率非整数倍变换结构在改良前后的数据处理流程示意图。在传统结构中，通常需要进行高速插值、抗混叠滤波、低速抽取进一步实现小数倍变换，除此之外，还需要另外设计匹配滤波器结构，即从信号输入到输出，需要设计包括匹配滤波器在内的三个滤波器，设计流程繁杂，硬件实现困难。在改良架构中，仅需要根据实际需求设计实现对应的数字匹配滤波器，针对采样速率的非整数倍变换，通过本发明中小数倍变换部分理论推导，计算出匹配滤波的相位调整值，进一步通过相位调整，实现匹配滤波冲激响应值的选取，最后完成采样速率的非整数倍变换，极大简化了设计流程，硬件实现更容易。

图3为根据匹配滤波理论推导设计出匹配滤波冲激响应曲线示意图。根据选定的匹配滤波器的冲激响应函数，选取所需的匹配滤波器滚降系数、每符号采样点数及相关符号数，在建模软件中进行设计，即可得到对应的匹配滤波冲激响应曲线。

无线通信接收机在进行信号解调时，通常为实现信号的最佳接收及信噪比最大化，要将信号通过匹配滤波器，实现接收端信号最佳匹配。不同的匹配滤波器根据其冲激响应函数的不同，各有适用场景。这里以最常用的升余弦滚降滤波器为例，设其时域冲激响应函数为h(t)，可表示为式：

设其对应频域函数为H(f)，可表示为式：

其中，α为匹配滤波器滚降系数，通常在(0.2,0.6)之间进行取值；T为通信符号速率对应符号周期。这里图3为取匹配滤波滚降系数beta＝0.35，在仿真软件中根据升余弦滚将滤波器的冲激响应函数绘制冲激响应曲线。

图4为通过匹配滤波冲击响应曲线采样或数字匹配滤波器设计得到的冲激响应样点示意图。通过对匹配滤波曲线采样或数字滤波器设计，可得到数字匹配滤波冲激响应值。具体如下：

可以通过两种方式进行数字滤波器设计：一可以通过对匹配滤波响应曲线根据需要的冲激响应采样位置进行采样获取；二是可以通过直接调用Matlab中的相关函数直接进行数字滤波器设计，获得数字匹配滤波冲激响应值。

为描述方便，这里通过第二种方式实现。通过调用软件Matlab中的升余弦滚降滤波器设计函数rcosdesign(beta，span，sps，shape)，配置相应函数参数值，即可快速完成数字升余弦滚将滤波器的设计。其中，beta表示滚降系数，span表示相干符号数，sps表示每符号采样点数，shape表示滤波器类型。根据实际需求配置上述参数即可得到数字滤波器冲激响应值。图4是在软件Matlab中通过升余弦滚降滤波器设计函数配置beta＝0.35，span＝7，sps＝4，shape＝′normal′得到的数字匹配滤波器升余弦冲激响应值。

图5为输入输出采样速率变化采样位置示意图。通过对采样速率非整数倍变换进行相关理论推导，可以计算得到滤波器的相位调整值。具体如下：

要进行采样速率的非整数倍变换，传统的数据处理流程包括：输入信号进行高速插值、插值信号进行抗混叠滤波、滤波信号进行低速抽取三个步骤完成。

首先设输入信号为x(n

其中，h

设插值倍率为I，抽取倍率为D，与T

T

T

为进一步简化滤波器设计，根据滤波器等效理论，可将两级抗混叠滤波器进行合并，设合并滤波器冲激响应为h(t)，与h

h(t)＝h

由此，将输出信号y(n

其中，T

为使输入输出采样速率关系明确，令kT

将ptr代回，可将y(kT

其中N为卷积长度，由式可见，根据μ

具体实现过程中，通过累加器S(k)即可实现上述功能，可表示为式：

其中，f

在S(k)累加过程中，主要解决解决样点跳过及相位计算两个问题。

针对输入样点的跳过问题，可以将其分为两种情况进行处理：

第一种情况，若当前累加器值小于上次累加器值，保存当前输入样点值，但跳过本次样点计算，且当次不进行累加器累加；

第二种情况，若当前累加器值大于或等于上次累加器值，保存当前输入样点值，且进行本次样点计算，且当次进行累加器累加。

针对滤波器的相位值计算，直接将S(k)作为滤波器的相位调整值，进一步实现匹配滤波冲激响应值的选取即可。以f

图6为根据相位调整重新设计的数字匹配滤波冲激响应样点示意图。根据非整数倍变换计算出的相位调整值，根据所需相位调整精度，重新提取匹配滤波冲击响应曲线或进行数字滤波器设计，进一步通过相位调整值，选取冲激响应值，在数字匹配滤波器上实现采样速率的非整数倍转换。具体如下：

根据上述数字滤波器设计方法，要进行输入采样速率、输出采样速率间的非整数倍变换，参考y(kT

将上述参数同数字滤波器的设计流程对比，在软件Matlab中配置rcosdesign函数参数中，每符号采样点数sps，相干符号数span，同滤波器卷积长度N间满足如下关系式：

N＝sps*span

而卷积长度，即匹配滤波冲激响应中包含的总样点数，正对应了匹配滤波冲激响应值h[(μ

M＝1/μ

显然，当μ

第一种，便是允许该偏差存在，M通过向上或向下取整的方式设置滤波器两样点间的相位精度，累加器以原本的μ

第二种，可以通过输入输出采样速率比例的最简分数，设为f

通过上述方法，设两相邻样点间的相位调整精度为M，要通过匹配滤波实现采样速率的非整数倍变换，需要将每符号采样点数进一步设计为sps*M。

综上，通过数字匹配滤波器设计，根据采样速率非整数倍变换理论，计算出其对应的相位调整值，再通过累加器实现样点和匹配滤波冲激响应值的选取，最后实现匹配滤波的采样速率非整数倍变换。

图6为通过相位调整值选取冲激响应值的数字匹配滤波冲激响应值示意图。通过配置相关参数，即可得到通过相位调整值，实现匹配滤波冲激响应选取，进一步实现采样速率的非整数变换。具体如下：使用软件Matlab中的rcosdesign函数，配置beta＝0.35，span＝7，sps＝8，shape＝′normal′，即可得到实际所需的匹配滤波冲激响应值，其中宽线形信号为不包含相位精度的冲激响应值，窄线形信号为新增的相位调整冲激响应值。

图7为基于数字匹配滤波实现采样速率非整数倍变换功能示意图。根据相位调整需求，重新设计数字匹配滤波器进行采样速率调整，其中输出样点序列用x标记的条状信号表示，其余条状信号为输入样点序列，有输入样点序列但不进行匹配滤波计算的时钟用o标记。通过相位调整值，控制冲激响应值选取，这里为直观展现采样速率变换过程，图中实现了采样速率由125MHz到100MHz的变换，而实际中根据本方法，可以完成任意输入速率到(0.5，1)倍输入速率间的采样速率非整数倍变换。

可见本发明提出的改良架构，在实现功能上与原设计方法相同，但架构明显更为简单，仅需要通过对实时相位更新，进行少量计算，便可以替代原有进行小数倍采样速率变换的繁琐架构。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。