寬帶數(shù)字通信接收技術(shù)研究

摘要：為了解決寬帶數(shù)字通信系統(tǒng)多信道同時接收問題，這里針對寬帶無線數(shù)字通信接收技術(shù)展開了深入研究，在研究信號采樣理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)并給出了一種適用于寬帶無線數(shù)字通信接收系統(tǒng)的多通道信道化高效模型。該模型利用原型濾波器的設(shè)計，在保證了濾波性能的同時獲得了較少的階數(shù)，降低了資源占有率，計算機(jī)仿真驗(yàn)證了該模型的正確性。該模型和傳統(tǒng)模型相比有較少的計算量，適合于工程化應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：超寬帶；數(shù)字通信；帶通采樣；原型濾波器

0 引言
    寬帶無線數(shù)字通信近年來已經(jīng)成為了通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，特別是超寬帶(Ultra Wide Band)無線電通信技術(shù)的出現(xiàn)，使得超寬帶通信的研究迅猛發(fā)展。美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communication Committee：FCC)對UWB做了定義：信號的帶寬大于500MHz，或者其相對帶寬大于0．2都叫作UWB通信。根據(jù)FCC對UWB的定義，為了實(shí)現(xiàn)UWB無線電通信信號的接收，一般對于寬帶數(shù)字接收系統(tǒng)的采樣速率要求較高。根據(jù)帶通采樣定理，信號的帶寬若為500MHz，則其采樣速率至少需要達(dá)到1 GHz。直接采用高速ADC器件，目前的高速ADC是可以滿足其采樣要求的，同時其分辨率也可以達(dá)到8 b的水平。這也是軟件無線電的設(shè)計思想，盡可能地簡化模擬變頻環(huán)節(jié)。鑒于此，本文重點(diǎn)對寬帶無線數(shù)字通信接收技術(shù)展開研究，包括了信號采樣理論、多通道信道化技術(shù)等。

1 寬帶無線數(shù)字通信接收理論與技術(shù)
1．1 信號采樣理論
    數(shù)字接收即是利用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行采樣，將模擬信號變換為數(shù)字信號后進(jìn)行后續(xù)處理。其信號的采樣理論包括了奈奎斯特第一采樣定律和第二采樣定律，即低通采樣定理和帶通采樣定理。通常情況下，當(dāng)載波頻率較高，而信號帶寬并不很高時，一般采用帶通采樣定理即可，即帶通采樣定理的適用性更廣泛一些。其帶通采樣定理描述如下：
    若信號頻率分布在某一有限的頻帶(F1，F(xiàn)h)內(nèi)，且當(dāng)fh>>B=fh-f1，也就是當(dāng)信號的最高頻率fb遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其信號帶寬B時，可采用帶通采樣。采樣后的信號頻譜是以采樣頻率fs的整數(shù)倍搬移的。若為了保證采樣后的頻譜不發(fā)生混疊，需滿足下面條件：
   
    滿足式(1)的采樣頻率可以保證所有的搬移都不會使采樣信號產(chǎn)生混迭，即某個邊帶的上限一定是小于另一個邊帶的下限，反之亦然。由于采樣后仍然為實(shí)信號，根據(jù)對稱性，只考慮正頻率部分的特性，此時n>m且n>0。可得：
   
    式(2)即為帶通采樣定理。令是k=n-m-1，若使各邊帶滿足臨界狀況，可得：
   
1．2 多通道信道化技術(shù)
    在寬帶無線數(shù)字通信系統(tǒng)中，一般信號都具有一定的載頻和帶寬，而且為了不出現(xiàn)頻譜混疊，不同的通信信號均占有不同的頻段。對于寬帶無線數(shù)字通信接收系統(tǒng)而言，為了保證各類信號同時接收，就需要對帶寬內(nèi)的信號同時進(jìn)行接收和處理，這就是多通道信道化接收技術(shù)。
    在多通道信道化接收模型中，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法是各自信道采用各自的數(shù)字本振與信號混頻，以及低通濾波等處理。該實(shí)現(xiàn)方法原理簡單，靈活性也較強(qiáng)。但是在信道較多時，該模型的實(shí)現(xiàn)需要極大的系統(tǒng)資源，實(shí)際應(yīng)用中不便于采用。但根據(jù)其工作原理和模型，可以推導(dǎo)出一種具有等價結(jié)構(gòu)的多通道信道化高效模型，該模型在保持原有性能的基礎(chǔ)上，可以極大程度地減少系統(tǒng)資源消耗，特別是信道數(shù)量較大時，效果越發(fā)明顯。該多通道信道化高效模型推導(dǎo)過程如下：
    設(shè)K=FM，其中K為系統(tǒng)劃分的信道數(shù)，M為每個信道的抽取倍數(shù)，均勻?yàn)V波器組的多相分量為El(z)，原型濾波器ho[n]的多相結(jié)構(gòu)為：


    由抽取和內(nèi)插原理可知，相當(dāng)于在原來每個支路多相濾波器各值之間插一個0。同時將wk=2πk／K代入公式，并且IDFT采用IFFT形式，得到最終的寬帶無線數(shù)字通信接收信道化高效結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    其中，為實(shí)數(shù)，其他信道輸出為復(fù)數(shù)，并且(1≤l≤K／2-1)互為共軛形式，即所有信道輸出有一半是獨(dú)立的，所以只考慮前K／2個信道即可。

2 原型濾波器設(shè)計
    寬帶無線數(shù)字通信接收模型中信道化濾波性能的好壞主要取決于原型濾波器的設(shè)計。同時該寬帶無線數(shù)字通信接收模型計算量的大小也和原型濾波器的設(shè)計有關(guān)。本文中寬帶無線數(shù)字通信接收模型的原型濾波器的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

    原型濾波器幅頻特性曲線如圖2所示。

3 系統(tǒng)仿真及分析
    系統(tǒng)仿真主要針對圖1所示的信道化模型展開仿真。在完成其模型的基礎(chǔ)上，在輸入端隨機(jī)地加入兩個信號，判斷信道輸出與理論是否相符。選擇兩個輸入信號為：信號1是線性調(diào)頻信號，起始頻率f1=190 MHz，終止頻率f2=220 MHz；信號2是正弦信號，載波頻率f=28 MHz。仿真結(jié)果如圖3所示。

    圖中一共包括8個信道，根據(jù)8個信道的頻譜分配，當(dāng)輸入不同頻段的信號時，由于頻率不同，信號將在不同的信道出現(xiàn)。信號1為線性調(diào)頻信號，根據(jù)輸入信號頻率，從理論判斷可知道此信號將在第2個信道輸出；信號2為正弦信號，根據(jù)輸入信號頻率，從理論判斷可知道此信號將在第5個信道輸出。從圖3所示的仿真結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果和理論分析相符，表明寬帶無線數(shù)字通信接收模型仿真結(jié)果正確。

4 結(jié)語
    寬帶無線數(shù)字通信接收系統(tǒng)作為UWB無線通信技術(shù)中的一部分，已成為該領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。本文對寬帶無線數(shù)字通信接收系統(tǒng)中信道化技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在傳統(tǒng)接收模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)并給出了一種用于寬帶無線數(shù)字通信系統(tǒng)的多通道信道化高效模型。該模型和傳統(tǒng)模型相比，在具有同樣性能的前提下，極大地降低了該模型實(shí)現(xiàn)的計算量，特別是多通道數(shù)目較大時，計算量的降低程度更突出。該模型的采用，將為工程實(shí)現(xiàn)提供切實(shí)可行的方案，為工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。