1、引言引言 面临的问题面临的问题高速高速ADC采录大量的数据采录大量的数据现有的高速现有的高速DSP的工作速率大约比的工作速率大约比ADC的的采样速率低采样速率低12个数量级。个数量级。图 1 1 数字接收机实现框图第1页/共38页降数据率降数据率主要方法就是降低高速主要方法就是降低高速ADC的输出数据率，的输出数据率，使之与高速使之与高速DSP的处理速度相匹配。降数的处理速度相匹配。降数据率的前提是保证信号信息不丢失。这样据率的前提是保证信号信息不丢失。这样，可以将如图，可以将如图 1 1所示的数字接收机结构所示的数字接收机结构改为如图改为如图 2 1所示的结构：所示的结构：图 2 1数字接收
2、机实现框图 第2页/共38页带通采样带通采样接收信号相对于整个频段为一个接收信号相对于整个频段为一个窄带窄带信号，如果按照经典信号，如果按照经典的香农抽样定理来抽取信号，即（其中为带通信号的上的香农抽样定理来抽取信号，即（其中为带通信号的上限频率），必然造成系统资源的浪费，在极高的情况下限频率），必然造成系统资源的浪费，在极高的情况下也没有能够达到这个速率的也没有能够达到这个速率的ADC，即使，即使ADC的速度达的速度达到了要求，后续到了要求，后续DSP也无法实时处理如此庞大的数据。也无法实时处理如此庞大的数据。如果把信号处理的频段集中在带通信号的带宽之内，而如果把信号处理的频段集中在带通信号
3、的带宽之内，而不是在整个监视频段内，就可以大大降低数据率，这样不是在整个监视频段内，就可以大大降低数据率，这样就引入了带通采样理论。就引入了带通采样理论。第3页/共38页带通采样带通采样cffH(f)经典采样理论所要处理的频段带通采样理论所要处理的频段0BsF/2sF：ADC采样率图 2 2 经典采样与带通采样的比较第4页/共38页带通采样带通采样带通采样能大量缩减处理的数据量，而且实现较带通采样能大量缩减处理的数据量，而且实现较为简单。为简单。前提前提：数据的：数据的中心频率中心频率是已知的。是已知的。未知情况下：未知情况下：通过通过短时数据测频短时数据测频估计得到带通信号的中心频率估计得到
4、带通信号的中心频率，将这个估计频率作为带通采样的引导频率，将这个估计频率作为带通采样的引导频率，通过带通采样定理得到二次采样率，从而达到通过带通采样定理得到二次采样率，从而达到降低数据率的目的。降低数据率的目的。第5页/共38页均匀带通采样定理均匀带通采样定理工程上将带通信号作为一种带限信号作如下定义：cd(t)Re m(t)exp(j2(f t)如果m(t)的频谱B0,fM(f)20,其他cBf2则d(t)称为中心频率为，带宽为B的带通信号。cf（2.1）（2.2）第6页/共38页带通均匀采样定理带通均匀采样定理对于式（对于式（2.1）所定义的带通信号）所定义的带通信号 1采样率满足如下条件
5、时不会出现信号的频谱混叠：采样率满足如下条件时不会出现信号的频谱混叠：，（2.3）fix：向下取整：向下取整 其中其中 ，和和 分别是带通信号的下限和上限频率。分别是带通信号的下限和上限频率。N=1对应的是低通采样的情况；对应的是低通采样的情况；或者或者 ,（2.4），K=0对应的是低通采样的情况；对应的是低通采样的情况；90-100Muls2f2ffNN 1umaxf1NfixNBNZlfufuls2f2ffK1Klmaxf0KfixKBKZ第7页/共38页重构重构对于对于(2.3)或或(2.4)确定的采样率，对应的重构公式为确定的采样率，对应的重构公式为 (2.5)scnfsin(tnT)
6、2d(t)2d(nT)cos2 f(tnT)(tnT)其中 ,对于(2.3)s1Tfscf1f(N)22对于(2.4)scf1f(K)22第8页/共38页带通采样的优势带通采样的优势 带通均匀采样定理说明，对于带通信号，并带通均匀采样定理说明，对于带通信号，并不一定需要采样率大于信号最高频率分量的两不一定需要采样率大于信号最高频率分量的两倍。对于窄带信号，只要采用比信号中心频率倍。对于窄带信号，只要采用比信号中心频率小得多的采样率，就能够实现对信号的无混叠小得多的采样率，就能够实现对信号的无混叠采样。采样。第9页/共38页多信号情况下的带通采样多信号情况下的带通采样带通均匀采样理论只适用于单信
7、号情带通均匀采样理论只适用于单信号情况，在空间同时有多个信号到达时，况，在空间同时有多个信号到达时，必须寻找新的解决方案。面对同时到必须寻找新的解决方案。面对同时到达信号，可以采取以下两种措施：达信号，可以采取以下两种措施：第10页/共38页多信号情况下的带通采样多信号情况下的带通采样1在带通采样之前对同时到达的每个带通信号进行带通滤波处理，然后分别进行带通采样和重构，也就是将同时到达的带通信号当成多个单信号来处理。实现方法如图 2 3所示：带通滤波器1带通滤波器2带通滤波器NN个带通信号同时到达带通信号N带通信号2带通信号1带通采样，重构带通采样，重构带通采样，重构图 2 3 用分别滤波的方
8、法对多信号带通采样第11页/共38页多信号情况下的带通采样多信号情况下的带通采样2改造带通均匀采样定理。使其能够同时对多个带通信号进行欠采样并能够准确恢复原信号。这就是下面将要介绍的内容。假设N个实带通信号，它们的边界满足：l1u1l2u2lNuNffffffiuiliBff,i1,2,N（2.6）第12页/共38页多信号情况下的带通采样多信号情况下的带通采样在频率轴上以从左至右的顺序对这2N个边带重新作如下命名：1LuN1uLN2Lu(N 1)2uL(N 1)(2N)LLN(2N)uuNff,ff;ff,ff;ff,ff;（2.7）任取两个边带(这里假设是第i个和第j个)，与单信号的带通直接
9、采样类似，可以推导出第13页/共38页多信号情况下的带通采样多信号情况下的带通采样任取两个边带(这里假设是第i个和第j个)，与单信号的带通直接采样类似，可以推导出i,jjuiLjLiusjijifffffk1k其中 jLiujimaxsminff0kfixKfNsminii 1f2B第14页/共38页多信号情况下的带通采样多信号情况下的带通采样在频率轴上以从左至右的顺序对这2N个边带重新作如下命名：1LuN1uLN2Lu(N 1)2uL(N 1)(2N)LLN(2N)uuNff,ff;ff,ff;ff,ff;（2.7）任取两个边带(这里假设是第i个和第j个)，与单信号的带通直接采样类似，可以推
10、导出第15页/共38页多信号情况下的带通采样多信号情况下的带通采样i,jjuiLjLiusjijifffffk1k其中 jLiujimaxsminff0kfixKfNsminii 1f2B（2.8）第16页/共38页多信号情况下的带通采样多信号情况下的带通采样 这样第1个边带与其余2N-1个边带共有2N-1组如式的不等式约束，第2个边带与第3(2N-1)个边带共有2N-3组如式的不等式约束(第2个边带无需与第2N个边带产生约束，因为根据实带通信号的对称性，这相当于第1个边带与第2N-1个边带产生的约束)依此类推，2N个边带共有 个如式的不等式约束。将这所有个区间求交集，就是所需的的合理取值范围
11、。2N第17页/共38页多信号情况下的带通采样多信号情况下的带通采样 因为缺少降数据率前的带通滤波，降数据率(抽取)后信噪比将恶化。同时由于的取值范围是多个单独信号采样率范围的交集，必然使的范围变小，从而使降数据率的倍数相对于各个单信号降低。第18页/共38页带通采样的优缺点 优点优点 目前，带通采样理论已经广泛运用于目前，带通采样理论已经广泛运用于通信接收等领域。对于通信接收等领域。对于中心频率和带宽中心频率和带宽已知已知的窄带信号，利用带通采样理论能的窄带信号，利用带通采样理论能够在无损信号信息的情况下大大降低信够在无损信号信息的情况下大大降低信号数据率，有利于对信号的实时处理。号数据率，
12、有利于对信号的实时处理。第19页/共38页带通采样的优缺点 缺点缺点：需要先验知识需要先验知识 有人试图将带通采样理论引入到电子战接收有人试图将带通采样理论引入到电子战接收机中来。但是在电子对抗领域，由于机中来。但是在电子对抗领域，由于ADC采集采集的敌方信号是非合作信号，事前没有对信号的的敌方信号是非合作信号，事前没有对信号的中心频率和带宽的任何先验知识，也就无法确中心频率和带宽的任何先验知识，也就无法确定一个合理的二次采样率来进行降数据率处理定一个合理的二次采样率来进行降数据率处理。文献提出了短时数据测频算法来快速得到文献提出了短时数据测频算法来快速得到信号频率参数，但在信号频率参数，但在
13、ADC采样率极高采样率极高(GHz)的的情况下，很难找到能实时准确得到信号频率参情况下，很难找到能实时准确得到信号频率参数的有效算法。数的有效算法。第20页/共38页带通采样的优缺点 缺点缺点：面对同时到达信号面对同时到达信号 面对同时到达信号，面对同时到达信号，带通采样也缺乏完带通采样也缺乏完善的解决方案善的解决方案：以增加设备量为代价显：以增加设备量为代价显然会增大设计成本；通过多带通信号的然会增大设计成本；通过多带通信号的采样定理确定的采样率可以回避这个问采样定理确定的采样率可以回避这个问题，但会使降数据率倍数降低，同时无题，但会使降数据率倍数降低，同时无法克服抽取带来的信噪比恶化这一问
14、题法克服抽取带来的信噪比恶化这一问题。第21页/共38页数字下变频数字下变频第22页/共38页数字下变频数字下变频低通滤波低通滤波抽取抽取0cosn0sinnx(n)Qx(m)Ix(m)图 2 4 数字下变频方案框图第23页/共38页数字下变频数字下变频信号经A/D 变换后可表示为 0 x(n)=A cos n+n（2.9）经混频器得到0000 x(n)cos n=Acos n+(n)cos n=A/2cos2n+(n)+A/2cos(n)0000 x(n)sin n=Acos n+(n)sin n=A/2sin2n+(n)-A/2sin(n)（2.10）（2.11）再经过数字低通滤波器后就可
15、以得到基带信号的I、Q分量。第24页/共38页数字下变频数字下变频-具体实现具体实现 图图 2 5 数字下变频的一种具体实现数字下变频的一种具体实现对于低通滤波的运算，可以采用各种高效滤波器来提高系统的运算实时性，图 2 5所示结构是一种数字下变频的具体实现方案，这种方案目前被广泛应用于各种专用的数字下变频芯片中。CICCICNCOHFHFFIRFIR0cosn0sinnx(n)Qx(m)Ix(m)第25页/共38页数字下变频数字下变频-具体实现具体实现数字下变频方案框图中的低通滤波器位于抽取之前，其速度难以满足实时滤波要求，采用如上图中CIC（级联积分梳状滤波器）、HF（半带滤波器）和普通F
16、IR滤波器级联的形式，可以大大降低对每一级滤波器阶数的要求，同时由于CIC和HF滤波器的特殊结构，能有效地降低对于运算量的要求。第26页/共38页CIC滤波器图 2 6 CIC滤波器DZ-1Z-1-1-1x(n)y(m)H1(Z)H2(Z)图 2 6 CIC滤波器第27页/共38页CIC滤波器CIC滤波器无乘法运算，其运算速度相当可观，其幅频响应为jDH esinsin22（2.12）10倍抽取的CIC滤波器幅频响应图如图 2 7所示。第28页/共38页CIC滤波器图 27 CIC滤波器的幅频响应第29页/共38页CIC滤波器DZ-1-1x(n)y(m)Z-1-1Z-1-1Z-1-1图 2 8
17、 级联CIC滤波器一级CIC滤波器的第一旁瓣衰减为13.46dB，为降低旁瓣电平，可以采样级联的形式，n级CIC滤波器的第一旁瓣衰减为n*13.46dB。其实现如图 2 8所示：第30页/共38页半带半带滤波器滤波器半带滤波器的冲激响应h(k)除了h(0)以外，其余偶数点均为0，所以其计算量相对于相同阶数的普通FIR滤波器，要减少一半。其幅频特性如图 2 9所示：jH(e)j()H(e)11/20cA/2图 2 9 半带滤波器幅频特性第31页/共38页数字下变频的数字下变频的优缺点优缺点数字下变频结构具有如下优点：1滤波器易于实现；2能得到正交的两路信号，可以快速得到信号的幅度、相位、频率等信
18、息，：22a(m)I(m)Q(m)Q(m)(m)arctanI(m)f(m)(m)(m 1)I(m)f(m)(m)a(m)Q(m)I(m)Q(m)图 2 10 由正交输出得到信号各项信息第32页/共38页数字下变频的数字下变频的优缺点优缺点3技术成熟，已经在软件无线电中得到广泛应用，并已有专门的数字芯片推出，如intersil公司的HSP50214、HSP50216等。第33页/共38页数字下变频的数字下变频的优缺点优缺点数字下变频的主要局限在于NCO及乘法器直接工作在ADC的高速输出数据率下，在ADC采样率非常高的情况下难以实现实时运算。目前市场上专用的数字下变频芯片，最高工作频率也只有15
19、0MHz（ADI公司：AD6636）。在ADC输出数据率达到几百兆字节每秒甚至GHz级别的时候，前端的乘法器和NCO无法实现实时的运算。已有文献提出了一种基于多相滤波技术的高效数字下变频结构，但这种结构无法处理同时到达信号。缺点1 速度的限制第34页/共38页数字下变频的数字下变频的优缺点优缺点与带通采样一样，数字下变频需要得到信号的中心频率，这样才能确定NCO产生的本振频率，而在ADC采样率极高的情况下，很难找到能实时准确地得到信号频率参数的有效算法。缺点2 需要先验知识第35页/共38页结论结论1 带通采样技术与数字下变频技术在面对合作信号时，能有效地降低数据率，有利于后续DSP对信号进行实时处理。2 数字下变频结构不能处理同时到达信号，带通采样能够处理同时到达信号，但是以增加设备量或牺牲信噪比为代价的。第36页/共38页频率信道化频率信道化数字信道化结构具有分辨同时到达信号的能力，两个信号在频域上的间隔只要大于信道宽度，就可以在不同的信道中检测到。信道的存在，实际上已经实现了频域上对信号的初步分选。基于多相滤波技术的数字信道化结构，大大简化了系统设计，而且它的所有运算在抽取以后进行，加强了系统运算的实时性。由于信道输出是抽取以后的输出，数字信道化结构也实现了降数据率。第37页/共38页ReTurner.D感谢您的观赏！第38页/共38页
