基於近似精確重構濾波器組的信道化器設計方法及裝置與流程

2023-09-13 18:33:50 1

本發明屬於寬帶衛星通信技術領域，尤其涉及基於近似精確重構濾波器組的信道化器設計方法及裝置。

背景技術：

在寬帶衛星通信系統中，與完全再生有效載荷相比，數字信道化交換載荷具有設備複雜度較低、兼容各種通信體制的優勢，並且能通過數位化子信道交換方法實現靈活的路由和資源分配，因此受到人們的青睞。

現有數字信道化方法中，基於調製濾波器組的信道化技術是一種比較有效的實現結構。在數位訊號處理領域中，調製濾波器組通常用於多載波、多通道信號的分離與重構，它的優勢在於調製濾波器組的設計可以簡化為原型濾波器的設計，且其實現結構能夠利用多相分解技術，具有很高的實際工程應用價值。

根據調製方式的不同，調製濾波器組可分為餘弦調製濾波器組與復指數調製濾波器組。附圖1所示的是復指數調製濾波器組的原理結構，該結構主要由分析濾波器組與綜合濾波器組組成，其通道數為2M，Hk(z)為濾波器組的第k個分析或綜合濾波器，k＝0,1,...,2M-1。輸入信號首先經過分析濾波器組進行分析濾波，然後經過M倍的抽取，從而完成子帶信號的分離與採樣率降低；經分析濾波後的信號可進行子帶路由交換與增益控制等處理，再進入後級綜合濾波單元；在綜合濾波單元，各子帶信號首先進行M倍的內插，然後進行綜合濾波，最後將各綜合濾波器的輸出疊加得到輸出的重構信號。復指數調製濾波器組中，各個分析或綜合濾波器是通過對一個原型濾波器進行復指數調製得到的，調製過程如下：

其中hk(n)是Hk(z)的逆z變換，h(n)為低通原型濾波器，其z變換為H(z)，h(n)的長度為2mM，m為一個正整數，n＝0,1,…,2mM-1。利用多相分解技術，可以得到附圖2所示的復指數調製濾波器組的多相結構，其中DFT與IDFT分別表示離散傅立葉變換與離散傅立葉逆變換，Bq(z)為H(z)的第q個多項分量，其表達式如下式所示，對應的衝激響應記為bq(n)：

現有的求解精確重構濾波器組的方法，比如PM算法、窗函數法、雙通道無損網格模型法和偽正交鏡像濾波器方法，對於階數較低(如幾百階)的原型濾波器的求解比較有效，但對於階數較高(如上萬階)的原型濾波器的求解無能為力。為此，有研究者提出了一種基於雙通道無損網格模型、經典頻率取樣法和最小均方誤差準則相集成的方法，有效地解決了高階精確重構濾波器組設計的難題。然而，在實際工程應用中，高階精確重構濾波器組需要很大的計算資源與存儲資源開銷，給硬體實現帶來了極大壓力。另一方面，精確重構濾波器組係數對於定點量化的敏感程度遠高於近似精確重構濾波器組，換言之，即使設計得到的濾波器組是完全精確重構的，實際工程應用中的定點量化效應依然會使其退化為近似精確重構濾波器組。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提出了一種基於近似精確重構濾波器組的信道化器設計方法及裝置，該方法或裝置根據實際系統性能指標需求，利用重構性能鬆弛參數刻畫所需重構誤差性能，並且通過靈活調整重構性能鬆弛參數來匹配系統設計需求，使得實際工程應用中能夠使用更低階數的濾波器，從而降低基於復指數調製濾波器組的信道化結構的實現複雜度與開銷。

為了實現上述目的，本發明技術方案如下：

一種基於近似精確重構濾波器組的信道化器設計方法，包括以下步驟：

S1：確定調製濾波器組的通道數M、多項分量長度m、重構性能鬆弛參數ξ。

S2：根據多項分量長度m建立低階精確重構原型濾波器h(2)(n)。

S3：根據重構性能鬆弛參數ξ與低階精確重構原型濾波器h(2)(n)建立低階近似精確重構原型濾波器

S4：根據通道數M與低階近似精確重構原型濾波器計算得到高階近似精確重構原型濾波器h(n)。

S5：對高階近似精確重構原型濾波器h(n)進行復指數調製，得到近似精確重構復指數調製濾波器組和基於近似精確重構復指數調製濾波器組的信道化器。

進一步地，S2包含以下步驟：

S21:根據多項分量長度m建立雙通道無損網格模型。

S22：根據雙通道無損網格模型的網格參數求得若干個多項分量。

S23：將若干個多項分量合併，求得低階精確重構原型濾波器h(2)(n)。

進一步地，S3包含以下步驟：

S31:根據重構性能鬆弛參數ξ建立最小化阻帶總能量與最小化阻帶最大峰值的數學模型。

S32:以低階精確重構原型濾波器h(2)(n)為初始值，求得低階近似精確重構原型濾波器

進一步地，S4包含以下步驟：

S41：求得低階近似精確重構原型濾波器的幅頻響應

S42：將幅頻響應阻帶內的幅頻係數設置為0並進行擴展，所得的向量作為頻率取樣值。

S43:根據頻率取樣值，採用頻率取樣法求解出高階近似精確重構原型濾波器h(n)。

一種基於近似精確重構濾波器組的信道化器裝置，包括：分析模塊，採用近似精確重構復指數調製濾波器組作為實現結構，用於將各個用戶所佔的頻帶從輸入信號中分離出來。子信道交換模塊，用於根據交換控制路由表，將各個用戶的子帶信號從頻域上交換到預期的位置上。綜合模塊，採用近似精確重構復指數調製濾波器組作為實現結構，用於將經過交換處理後的所有子帶信號重構成輸出信號。

本發明的有益效果：

該方法或裝置根據實際系統性能指標需求，利用重構性能鬆弛參數刻畫所需重構誤差性能，並且通過靈活調整重構性能鬆弛參數來匹配系統設計需求，使得實際工程應用中能夠使用更低階數的濾波器，從而降低基於復指數調製濾波器組的信道化結構的實現複雜度與開銷。

附圖說明

圖1為復指數調製濾波器組的原理結構。

圖2為復指數調製濾波器組的多相結構。

圖3為本發明方法的設計流程。

圖4為雙通道無損網格模型。

圖5為M＝4096、m＝8、ξ＝1e-5的高階近似精確重構原型濾波器的幅頻響應曲線及重構性能曲線。

圖6為M＝4096、m＝13的高階精確重構原型濾波器的幅頻響應曲線及重構性能曲線。

圖7為基於復指數調製濾波器組的信道化交換結構。

圖8為基於多相形式復指數調製濾波器組的信道化交換結構。

圖9為本發明裝置在寬帶衛星通信系統中的應用。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，進一步闡述本發明。

實施例1：

如圖3所示，一種基於近似精確重構濾波器組的信道化器設計方法，包括以下步驟：

S1：確定調製濾波器組的通道數M、多項分量長度m、重構性能鬆弛參數ξ。

S2：根據多項分量長度m建立低階精確重構原型濾波器h(2)(n)。

S3：根據重構性能鬆弛參數ξ與低階精確重構原型濾波器h(2)(n)建立低階近似精確重構原型濾波器

S4：根據通道數M與低階近似精確重構原型濾波器計算得到高階近似精確重構原型濾波器h(n)。

S5：對高階近似精確重構原型濾波器h(n)進行復指數調製，得到近似精確重構復指數調製濾波器組和基於近似精確重構復指數調製濾波器組的信道化器。

原型濾波器的長度N＝2mM；其中M的取值決定了復指數調製濾波器組的通道數；m為任意正整數，決定了h(n)的每一個多項分量bq(n)的階數；ξ為重構性能鬆弛參數，決定了近似精確重構濾波器組的重構性能。

具體地，S2包含以下步驟：

S21:根據多項分量長度m建立雙通道無損網格模型。

S22：根據雙通道無損網格模型的網格參數求得若干個多項分量。

S23：將若干個多項分量合併，求得低階精確重構原型濾波器h(2)(n)。

具體地，S3包含以下步驟：

S31:根據重構性能鬆弛參數建立最小化阻帶總能量與最小化阻帶最大峰值的數學模型。

S32:以低階精確重構原型濾波器h(2)(n)為初始值，求得低階近似精確重構原型濾波器

具體地，S4包含以下步驟：

S41：求得低階近似精確重構原型濾波器的幅頻響應

S42：將幅頻響應阻帶內的幅頻係數設置為0並進行擴展，所得的向量作為頻率取樣值。

S43:根據頻率取樣值，採用頻率取樣法求解出高階近似精確重構原型濾波器h(n)。

更具體地，本實施例中，S1中取M＝4096，則復指數調製濾波器組的通道數為2M＝8192；取多項分量階數m＝8，則待求原型濾波器長度為N＝2mM＝65536；重構性能鬆弛參數設為ξ＝1e-5。

S2中採用附圖4所示的雙通道無損網格模型設計一個長度為4m＝32(對應於M＝2)的低階精確重構原型濾波器h(2)(n)，其網格參數θ為一個m×1的向量，記為θq,j；利用網格參數首先求出多項分量對{B0(z),B2(z)}，再根據h(2)(n)的對稱性求得另外一組多項分量對{B1(z),B3(z)}，由此獲得h(2)(n)的4個多項分量B0(z)～B3(z)，將以上多項分量合併即可求得低階精確重構原型濾波器h(2)(n)。

S3中根據重構性能鬆弛參數ξ建立最小化阻帶總能量Φ1的數學模型，該數學模型為：

並且，建立最小化阻帶最大峰值Φ2的數學模型，該數學模型為：

最小化阻帶總能量Φ1和最小化阻帶最大峰值Φ2的數學模型中的約束條件均採用絕對值的形式，表示原型濾波器重構性能的鬆弛程度為ξ；其中，p為mM×1的優化變量，ωs為阻帶邊緣頻率，H(ejω)為待求濾波器的頻率響應，δr為狄拉克函數，Dr為mM×mM的矩陣且滿足：

其中0≤q≤M/2-1，0≤r≤m-1，Om為m×m的全零矩陣，Sr為m×m的矩陣且滿足：

根據上述模型，以S2中得到的h(2)(n)為初始值，依次以上述模型中的Φ1、Φ2為目標函數求解式(1)、式(2)所述的數學模型，優化得到16×1的最優係數進而求得一個長度為4m＝32的低階近似精確重構原型濾波器，記為其阻帶邊緣頻率為ωs＝π/2。

S4中，求的幅頻響應將阻帶內的幅頻係數設置為0並進行擴展，得到一個長度為2mM＝65536的向量作為頻率取樣值，使用頻率取樣法求解出最終的長度為2mM＝65536的高階近似精確重構原型濾波器h(n)，其幅頻響應曲線與由其組成的復指數調製濾波器組的重構性能曲線如附圖5所示。

S5中，用h(n)進行復指數調製得到近似精確重構復指數調製濾波器組，進而實現附圖7所示的基於近似精確重構濾波器組的信道化器。

為便於比較，附圖6給出了一個採用雙通道無損網格模型、頻率取樣法和最小均方誤差準則方法設計得到的高階精確重構原型濾波器的幅頻響應曲線及重構性能曲線，該方法與本發明方法的結果對比如下表所示。

表1本發明方法與精確重構原型濾波器設計方法的結果對比

由表1可知，本發明方法通過將重構誤差峰峰值放鬆到7.1386e-05，使得原型濾波器階數從106496降低至65536，降幅達38.5％。由此可見，與現有基於精確重構濾波器組的信道化器設計方法相比，本發明通過靈活地選擇設計參數來調整濾波器重構性能，使得在保證實際應用所需要達到的阻帶衰減和重構性能的條件下，能夠儘可能地降低濾波器的階數。因此，與基於精確重構濾波器組的信道化器相比，本發明所設計的基於近似精確重構濾波器組的信道化器能取得更低的計算與存儲資源開銷。

實施例2：

如圖7與圖8所示，一種基於近似精確重構濾波器組的信道化器裝置，包括：分析模塊1，採用近似精確重構復指數調製濾波器組作為實現結構，用於將各個用戶所佔的頻帶從輸入信號中分離出來。子信道交換模塊2，用於根據交換控制路由表，將各個用戶的子帶信號從頻域上交換到預期的位置上。綜合模塊3，採用近似精確重構復指數調製濾波器組作為實現結構，用於將經過交換處理後的所有子帶信號重構成輸出信號。

上述信道化器裝置將上/下行信道均勻劃分成若干個基本子信道，每個用戶可佔用相鄰的一個或多個基本子信道，且各用戶之間留有保護帶寬G。其核心功能是將FDMA上行信道當中佔有某一頻點某一帶寬的用戶信號分離提取出來，然後進行信道的交換，最後將交換後的各用戶信號合併成合路信號輸送到指定的FDMA下行信道。並且，上行用戶信號能夠路由交換至任意一個下行頻段的任意一個下行波束。

具體地，設衛星某一個上行信道的接收信號為X(z)，其中共包含P個用戶，且第i個用戶信號Xi(z),i＝0,1,...,P-1的頻譜滿足

其中與分別表示用戶Xi(z)所佔頻帶的上下界。因此我們定義各用戶信號之間的保護帶寬G為則根據調製濾波器組的原理以及保護帶G的值，我們可以得到最大抽取因子/最大內插因子M，即其中Gmin代表G的最小值。

本發明裝置的實現，可以參考圖9所示的實際應用結構。

為便於比較，附圖6給出了一個基於精確重構濾波器組的信道化器裝置的幅頻響應曲線及重構性能曲線，該裝置與本發明裝置的結果對比如下表所示。

表2本發明裝置與基於精確重構濾波器組的信道化器裝置的結果對比

由表2可知，本發明裝置通過將重構誤差峰峰值放鬆到7.1386e-05，使得原型濾波器階數從106496降低至65536，降幅達38.5％。由此可見，與現有基於精確重構濾波器組的信道化器裝置相比，本發明通過靈活地選擇設計參數來調整濾波器重構性能，使得在保證實際應用所需要達到的阻帶衰減和重構性能的條件下，能夠儘可能地降低濾波器的階數。因此，與基於精確重構濾波器組的信道化器相比，本發明所設計的基於近似精確重構濾波器組的信道化器能取得更低的計算與存儲資源開銷。

以上所述的僅是本發明的優選實施方式，本發明不限於以上實施例。可以理解，本領域技術人員在不脫離本發明的基本構思的前提下直接導出或聯想到的其它改進和變化均應認為包含在本發明的保護範圍之內。