軟件無(wú)線電中的多速率信號(hào)處理

 引 言

軟件無(wú)線電是當(dāng)代無(wú)線通信發(fā)展的方向，其基本思想是：將A／D和D／A盡可能靠近RF端，在數(shù)字化的通用硬件平臺(tái)上，用軟件近可能多地實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的各種功能。軟件無(wú)線電具有靈活性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的特點(diǎn)，為解決目前無(wú)線通信系統(tǒng)所存在的難兼容、難升級(jí)、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等難題提供了選擇。

基于帶通采樣定理，軟件無(wú)線電能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)工作頻帶的信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)字化，然后用數(shù)字信號(hào)處理方法完成對(duì)信號(hào)的接收和解調(diào)。為了提高軟件無(wú)線電對(duì)不同體制信號(hào)的適應(yīng)性，帶通采樣的帶寬應(yīng)越寬越好。但是，采樣速率的提高使采樣后的數(shù)據(jù)流速率增大，對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理能力提出了苛刻的要求。因此，有必要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行降速率處理，多速率信號(hào)處理是這種降速率處理的理論依據(jù)。 2多速率信號(hào)處理

多速率信號(hào)處理的實(shí)質(zhì)是用數(shù)字信號(hào)處理方法直接改變抽樣信號(hào)的速率，抽取和內(nèi)插是其基本環(huán)節(jié)。

2.1整倍數(shù)抽取

整數(shù)D倍抽取是指原始抽樣序列x(n)每隔(D-1)個(gè)取一個(gè)，形成一個(gè)新序列xD(n)，XD(n)=x(Dn)，正整數(shù)D為抽取因子。D倍抽取器符號(hào)如圖1所示，設(shè)序列x(n)的頻譜為x(ejw)，求得序列xD(n)的傅里葉變換
，表明抽取后序列xD(n)的頻譜為原序列x(n)的頻譜經(jīng)頻移和D倍展寬后的D個(gè)頻譜的疊加和。根據(jù)Nyquist采樣定理，若序列x(n)的采樣率為fs，則模擬信號(hào)的最高頻率(無(wú)模糊帶寬)fH≤fs／2，否則x(n)的頻譜發(fā)生混疊。當(dāng)以D倍抽取率對(duì)x(n)進(jìn)行抽取后得到的抽取序列xD(n)之取樣率為fs／D，其無(wú)模糊帶寬為fs／(2D)，所以當(dāng)x(n)中含有大于fs／(2D)的份量時(shí)，xD(n)的頻譜必然產(chǎn)生混疊，無(wú)法從xD(n)中恢復(fù)x(n)中頻率小于fs／(2D)的低頻信號(hào)分量。如果先用一個(gè)數(shù)字濾波器(歸一化帶寬B=π／D)對(duì)X(ejw)進(jìn)行濾波得到V(ejw)，該信號(hào)只含有小于π／D頻率分量，再對(duì)V(ejw)進(jìn)行D倍抽取，就可以避免頻譜混疊。一個(gè)完整的D倍抽取器結(jié)構(gòu)如圖2所示，抽取前后信號(hào)頻譜如圖3所示。經(jīng)過(guò)抽取提高了信號(hào)的頻域分辨率。

2.2整倍數(shù)內(nèi)插

整倍數(shù)內(nèi)插是指在原始抽樣序列的相鄰兩抽樣點(diǎn)之間插入(J-1)個(gè)零值，設(shè)原始抽樣序列為x(n)，則內(nèi)插后的序列為

內(nèi)插器符號(hào)如圖4所示。設(shè)序列x(n)的頻譜為x(ejw)，求得序列xI(n)的傅里葉變換xI(ejw)=X(ejwI)，表明內(nèi)插后序列xI(n)的頻譜為原序列x(n)的頻譜經(jīng)I倍壓縮得到的。因此，xI(ejw)中不僅含有x(ejw)的基帶分量(w≤π／D，而且還含有其高頻分量(w>π／I)。對(duì)內(nèi)插后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，就可以從內(nèi)插信號(hào)頻譜中恢復(fù)出原始基帶譜，使內(nèi)插序列中的(I-1)個(gè)零值都變?yōu)閤(n)的準(zhǔn)確值，所以經(jīng)過(guò)內(nèi)插提高信號(hào)時(shí)域分辨率。完整的I倍內(nèi)插器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

抽取運(yùn)用于軟件無(wú)線電接收機(jī)，降低了接收信號(hào)數(shù)據(jù)速率，便于數(shù)字信號(hào)處理。內(nèi)插運(yùn)用于軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)，提高了輸出信號(hào)頻率，便于調(diào)制發(fā)射。通過(guò)先內(nèi)插后抽取，也可以實(shí)現(xiàn)抽樣率的分?jǐn)?shù)倍變換。

3 多速率信號(hào)處理的多相濾波結(jié)構(gòu)

以上分析都是針對(duì)低通信號(hào)的，對(duì)帶通信號(hào)常常采用頻譜搬移，先把位于中心頻率f0處的帶通信號(hào)搬移到基帶，然后再利用低通信號(hào)的抽取方法進(jìn)行抽取。反之，通過(guò)內(nèi)插器后接帶通濾波器可以將基帶譜搬移到射頻頻段。

4結(jié) 語(yǔ)

多速率信號(hào)處理是軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理數(shù)字化的關(guān)鍵，多相結(jié)構(gòu)不但簡(jiǎn)化了濾波器的設(shè)計(jì)，而且是軟件無(wú)線電信道化接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的基礎(chǔ)。