高速数传中改进的CIC滤波器的仿真与实现*

罗 强，刘景元

（西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引言

随着卫星通信技术应用的发展，高速数传技术应用也越来越广泛。CIC滤波器是数据通信的常用模块，一般应用于数字下变频（DDC）和数字上变频（DUC）系统中[1-2]，随着数据传输率的不断增加，级联梳状滤波器（CIC）的应用变得非常重要，CIC滤波器仅利用加法器、减法器和寄存器的特点，所以非常适用工作在高采样率下。数字下变频（DDC）中，CIC滤波器起着重要的作用，它主要用对于采样速率的抽取，同时具有低通滤波器的特性。高速数传技术中需要对高速率AD采样信号下变频后进行抽取的结果，具有单载波镜像衰减不够，同时对有效带宽外信号衰减不够问题，需要进行低通滤波处理，同时由于采样速率高，针对低速率情况就需要进行抽取，综合滤波与抽取的需求，级联积分梳状（CIC）滤波器便是一种好的解决方案，而常用的梳状滤波器在抽取数量对滤波带宽就给出了准确的限制。而实际应用时需要对抽取后的信号再次进行滤波，在高速数据处理中，FPGA资源就提出了更高的要求，常用的并行滤波器消耗的FPGA资源较多，因此本文提出了一种修改后的CIC滤波器，在完成抽取的同时对数据进行滤波带宽更窄的滤波。

1 CIC滤波器原理

CIC滤波器系统的传递函数[3-4]为：

图1 单级CIC滤波器的算法和结构

在实际应用中，如图1由于单级CIC滤波器的阻带衰减无法满足要求，因此时常将CIC滤波器进行级联，从而满足要求。级联滤波器的实现框图如图2所示。

2 改进CIC滤波器仿真

实际应用中，采用4.8192 Gsps采样率对中频1.2 GHz带宽为1 GHz的信号进行采样，下变频后的信号单边带带宽为500 MHz，两倍抽取后，为了保证后续信号处理的点数不小于4，只能进行2倍的滤波抽取，2倍抽取后的滤波只能在1.2 G附近滤波，而实际信号的带宽只在0到500 MHz，因此需要添加低通滤波器对500 MHz到1 GHz频段信号进行滤波处理，同时在实际采用4.8 G采样率对单载波进行采样时，在1.2 G频率和2.4 G频率上出现镜像频谱，如图3采用常用的级联CIC滤波器进行2倍抽样滤波后在1.2 G频点上的频谱没有完全滤波掉，对后续数字信号处理带来影响。

图2 级联CIC滤波器的算法和结构

图3 级联CIC滤波器的仿真

图4是常用CIC滤波器的冲击响应。

图4 级联CIC滤波器的冲击响应

因此需要对常用CIC滤波进行改进，改进的仿真框图如图5所示。基于高速AD下变频在FPGA实现常采用并行处理，因此可以采用先对数据进行积分处理后，按照要求进行抽取，对抽取后的数据进行并行4路处理同时给每路进行4倍抽取后进行CIC滤波的微分处理，然后将四路数据进行拼接完成。

图5 改进后的级联CIC滤波器的仿真

改进后的CIC滤波器的冲击响应如图6所示。

图6 改进后的级联CIC滤波器的冲击响应

通过图4与图6对比发现改进后的级联CIC滤波器的冲击响应图尽管抽取率仍为2，但在600 MHz时就有滤波衰减，同时对600 MHz到1200 MHz频段内的信号相对于未改进的CIC滤波器有40 dB以上的衰减。而实际应用中有用信号的带宽在500 MHz以内，对600 MHz到1 GHz内的信号就需要通过低通滤波器进行处理。

将实际AD采样数据送入仿真得到如下结果：

图7是AD采样数据信号的频谱图，可以看出在2.4 G，1.2 G处均有比较高的镜像频谱。

通过常规的三级级联CIC滤波后，抽取率为2时，通过图8可以看出抽取后的信号在1.2 G处仍有比较高的频谱，此频谱对后续数字处理带来比较大的影响，可以采用滤波的方式对信号再次进行滤波，由于并行路数为16路，因此滤波器消耗的资源较大，特别是比较稀少的DSP资源更是消耗较大。

采用改进后的三级CIC滤波器抽取率为2的输出信号频谱图如图9所示。通过对比发现，改进后的滤波器效果明显，在1.2 G和600 M附近信号频谱衰减符合要求。达到了采用常用滤波器的输出效果。

图7 仿真输入信号频谱

图8 常用三级滤波器仿真结果频谱

图9 改进后的滤波器仿真结果频谱

3 改进的CIC滤波器实现

按照仿真原理图进行FPGA代码实现[5]，对输入1.2 GHz中频的500 Msps的QPSK调制信号进行4.8 GspsAD采样后进行数字下变频，然后进行2倍抽取，抽取后的信号的频谱如图10和图11所示。通过对比发现常规CIC滤波后信号频谱旁瓣较高，采用修改后的CIC滤波的信号频谱旁瓣衰减达到40 dB以上，达到了预期效果，降低了资源消耗。

图10 常用三级滤波器实现结果频谱

图11 改进后的滤波器实现结果频谱

4 结语

在当今的电子的设计中，占用相对少的资源和具有最快运行速度是设计的方向。修改后的CIC滤波器在资源消耗比较小的情况下同时不使用低通滤波器情况下达到了对旁瓣滤波效果。对CIC滤波器，其简单的算法和占用资源都优于普通的CIC滤波器和低通滤波器的组合，性能上又能达到预期效果。在本设计的过程中，虽然其在实际的运用达到了较好的结果，但由于时间和条件的限制，难免存在缺点与不足之处，所以在以后还应对其进一步优化。