1、引言面臨的問題高速ADC采錄大量的數據現有的高速DSP的工作速率大約比ADC的采樣速率低12個數量級。圖 11 數字接收機實現框圖第1頁/共38頁引言面臨的問題圖 11 數字接收機實現框圖第1頁/共38頁降數據率主要方法就是降低高速ADC的輸出數據率，使之與高速DSP的處理速度相匹配。降數據率的前提是保證信號信息不丟失。這樣，可以將如圖 11所示的數字接收機結構改為如圖 21所示的結構：圖 21數字接收機實現框圖 第2頁/共38頁降數據率主要方法就是降低高速ADC的輸出數據率，使之與高速D帶通采樣接收信號相對于整個頻段為一個窄帶信號，如果按照經典的香農抽樣定理來抽取信號，即（其中為帶通信號的上

2、限頻率），必然造成系統資源的浪費，在極高的情況下也沒有能夠達到這個速率的ADC，即使ADC的速度達到了要求，后續DSP也無法實時處理如此龐大的數據。如果把信號處理的頻段集中在帶通信號的帶寬之內，而不是在整個監視頻段內，就可以大大降低數據率，這樣就引入了帶通采樣理論。第3頁/共38頁帶通采樣接收信號相對于整個頻段為一個窄帶信號，如果按照經典的帶通采樣圖 22 經典采樣與帶通采樣的比較第4頁/共38頁帶通采樣圖 22 經典采樣與帶通采樣的比較第4頁/共38頁帶通采樣帶通采樣能大量縮減處理的數據量，而且實現較為簡單。前提：數據的中心頻率是已知的。未知情況下：通過短時數據測頻估計得到帶通信號的中心頻率

3、，將這個估計頻率作為帶通采樣的引導頻率，通過帶通采樣定理得到二次采樣率，從而達到降低數據率的目的。第5頁/共38頁帶通采樣帶通采樣能大量縮減處理的數據量，而且實現較為簡單。第均勻帶通采樣定理工程上將帶通信號作為一種帶限信號作如下定義：如果m(t)的頻譜則d(t)稱為中心頻率為，帶寬為B的帶通信號。（2.1）（2.2）第6頁/共38頁均勻帶通采樣定理工程上將帶通信號作為一種帶限信號作如下定義：帶通均勻采樣定理對于式（2.1）所定義的帶通信號1采樣率滿足如下條件時不會出現信號的頻譜混疊： ， （2.3） fix：向下取整其中 ， 和 分別是帶通信號的下限和上限頻率。N=1對應的是低通采樣的情況；或

4、者 , （2.4） ，K=0對應的是低通采樣的情況； 90-100M第7頁/共38頁帶通均勻采樣定理對于式（2.1）所定義的帶通信號第7頁/共3重構對于(2.3)或(2.4) 確定的采樣率，對應的重構公式為 (2.5)其中 ,對于(2.3) 對于(2.4)第8頁/共38頁重構對于(2.3)或(2.4) 確定的采樣率，對應的重構公式帶通采樣的優勢 帶通均勻采樣定理說明，對于帶通信號，并不一定需要采樣率大于信號最高頻率分量的兩倍。對于窄帶信號，只要采用比信號中心頻率小得多的采樣率，就能夠實現對信號的無混疊采樣。第9頁/共38頁帶通采樣的優勢 帶通均勻采樣定理說明，對于帶通信多信號情況下的帶通采樣帶

5、通均勻采樣理論只適用于單信號情況，在空間同時有多個信號到達時，必須尋找新的解決方案。面對同時到達信號，可以采取以下兩種措施：第10頁/共38頁多信號情況下的帶通采樣帶通均勻采樣理論只適用于單信號情況，在多信號情況下的帶通采樣1在帶通采樣之前對同時到達的每個帶通信號進行帶通濾波處理，然后分別進行帶通采樣和重構，也就是將同時到達的帶通信號當成多個單信號來處理。實現方法如圖 23所示：圖 23 用分別濾波的方法對多信號帶通采樣第11頁/共38頁多信號情況下的帶通采樣1在帶通采樣之前對同時到達的每個帶通多信號情況下的帶通采樣2改造帶通均勻采樣定理。 使其能夠同時對多個帶通信號進行欠采樣并能夠準確恢復原

6、信號。這就是下面將要介紹的內容。 假設N個實帶通信號，它們的邊界滿足：（2.6）第12頁/共38頁多信號情況下的帶通采樣2改造帶通均勻采樣定理。（2.6）第多信號情況下的帶通采樣在頻率軸上以從左至右的順序對這2N個邊帶重新作如下命名：（2.7）任取兩個邊帶(這里假設是第i個和第j個)，與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導出第13頁/共38頁多信號情況下的帶通采樣在頻率軸上以從左至右的順序對這2N個邊多信號情況下的帶通采樣任取兩個邊帶(這里假設是第i個和第j個)，與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導出其中 第14頁/共38頁多信號情況下的帶通采樣任取兩個邊帶(這里假設是第i個和第j個多信號情況下

7、的帶通采樣在頻率軸上以從左至右的順序對這2N個邊帶重新作如下命名：（2.7）任取兩個邊帶(這里假設是第i個和第j個)，與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導出第15頁/共38頁多信號情況下的帶通采樣在頻率軸上以從左至右的順序對這2N個邊多信號情況下的帶通采樣其中 （2.8）第16頁/共38頁多信號情況下的帶通采樣其中 （2.8）第16頁/共38頁多信號情況下的帶通采樣 這樣第1個邊帶與其余2N-1個邊帶共有2N-1組如式的不等式約束， 第2個邊帶與第3(2N-1)個邊帶共有2N-3組如式的不等式約束(第2個邊帶無需與第2N個邊帶產生約束，因為根據實帶通信號的對稱性，這相當于第1個邊帶與第2N-1

8、個邊帶產生的約束)依此類推，2N個邊帶共有 個如式的不等式約束。 將這所有個區間求交集，就是所需的的合理取值范圍。第17頁/共38頁多信號情況下的帶通采樣 這樣第1個邊帶與其余2N多信號情況下的帶通采樣 因為缺少降數據率前的帶通濾波，降數據率(抽取)后信噪比將惡化。 同時由于的取值范圍是多個單獨信號采樣率范圍的交集，必然使的范圍變小，從而使降數據率的倍數相對于各個單信號降低。第18頁/共38頁多信號情況下的帶通采樣 第18頁/共38頁帶通采樣的優缺點優點 目前，帶通采樣理論已經廣泛運用于通信接收等領域。對于中心頻率和帶寬已知的窄帶信號，利用帶通采樣理論能夠在無損信號信息的情況下大大降低信號數據

9、率，有利于對信號的實時處理。第19頁/共38頁帶通采樣的優缺點優點第19頁/共38頁帶通采樣的優缺點缺點：需要先驗知識 有人試圖將帶通采樣理論引入到電子戰接收機中來。但是在電子對抗領域，由于ADC采集的敵方信號是非合作信號，事前沒有對信號的中心頻率和帶寬的任何先驗知識，也就無法確定一個合理的二次采樣率來進行降數據率處理。 文獻提出了短時數據測頻算法來快速得到信號頻率參數，但在ADC采樣率極高(GHz)的情況下，很難找到能實時準確得到信號頻率參數的有效算法。第20頁/共38頁帶通采樣的優缺點缺點：需要先驗知識第20頁/共38頁帶通采樣的優缺點缺點：面對同時到達信號 面對同時到達信號，帶通采樣也缺

10、乏完善的解決方案：以增加設備量為代價顯然會增大設計成本；通過多帶通信號的采樣定理確定的采樣率可以回避這個問題，但會使降數據率倍數降低，同時無法克服抽取帶來的信噪比惡化這一問題。 第21頁/共38頁帶通采樣的優缺點缺點：面對同時到達信號 第21頁/共38頁數字下變頻第22頁/共38頁數字下變頻第22頁/共38頁數字下變頻圖 24 數字下變頻方案框圖第23頁/共38頁數字下變頻圖 24 數字下變頻方案框圖第23頁/共38頁數字下變頻信號經A/ D 變換后可表示為（2.9）經混頻器得到（2.10）（2.11）再經過數字低通濾波器后就可以得到基帶信號的I、Q分量。 第24頁/共38頁數字下變頻信號經A

11、/ D 變換后可表示為（2.9）經混頻器得數字下變頻-具體實現 圖 25 數字下變頻的一種具體實現對于低通濾波的運算，可以采用各種高效濾波器來提高系統的運算實時性，圖 25所示結構是一種數字下變頻的具體實現方案，這種方案目前被廣泛應用于各種專用的數字下變頻芯片中。第25頁/共38頁數字下變頻-具體實現 圖 25 數字下變頻數字下變頻-具體實現數字下變頻方案框圖中的低通濾波器位于抽取之前，其速度難以滿足實時濾波要求，采用如上圖中CIC（級聯積分梳狀濾波器）、HF（半帶濾波器）和普通FIR濾波器級聯的形式，可以大大降低對每一級濾波器階數的要求，同時由于CIC和HF濾波器的特殊結構，能有效地降低對于

12、運算量的要求。第26頁/共38頁數字下變頻-具體實現數字下變頻方案框圖中的低通濾波器位于CIC濾波器圖 26 CIC濾波器圖 26 CIC濾波器第27頁/共38頁CIC濾波器圖 26 CIC濾波器圖 26 CIC濾波器CIC濾波器CIC濾波器無乘法運算，其運算速度相當可觀，其幅頻響應為（2.12）10倍抽取的CIC濾波器幅頻響應圖如圖 27所示。第28頁/共38頁CIC濾波器CIC濾波器無乘法運算，其運算速度相當可觀，其幅CIC濾波器圖 27 CIC濾波器的幅頻響應第29頁/共38頁CIC濾波器圖 27 CIC濾波器的幅頻響應第29頁/共3CIC濾波器圖 28 級聯CIC濾波器一級CIC濾波器

13、的第一旁瓣衰減為13.46dB，為降低旁瓣電平，可以采樣級聯的形式，n級CIC濾波器的第一旁瓣衰減為n* 13.46dB。其實現如圖 28所示：第30頁/共38頁CIC濾波器圖 28 級聯CIC濾波器一級CIC濾波器的第半帶濾波器半帶濾波器的沖激響應h(k)除了h(0)以外，其余偶數點均為0，所以其計算量相對于相同階數的普通FIR濾波器，要減少一半。其幅頻特性如圖 29所示：圖 29 半帶濾波器幅頻特性第31頁/共38頁半帶濾波器半帶濾波器的沖激響應h(k)除了h(0)以外，其余數字下變頻的優缺點數字下變頻結構具有如下優點：1濾波器易于實現；2能得到正交的兩路信號，可以快速得到信號的幅度、相位

14、、頻率等信息，：圖 210 由正交輸出得到信號各項信息第32頁/共38頁數字下變頻的優缺點數字下變頻結構具有如下優點：圖 210 數字下變頻的優缺點3技術成熟，已經在軟件無線電中得到廣泛應用，并已有專門的數字芯片推出，如intersil公司的HSP50214、HSP50216等。第33頁/共38頁數字下變頻的優缺點3技術成熟，已經在軟件無線電中得到廣泛應數字下變頻的優缺點數字下變頻的主要局限在于NCO及乘法器直接工作在ADC的高速輸出數據率下，在ADC采樣率非常高的情況下難以實現實時運算。目前市場上專用的數字下變頻芯片，最高工作頻率也只有150MHz（ADI公司：AD6636）。在ADC輸出數

15、據率達到幾百兆字節每秒甚至GHz級別的時候，前端的乘法器和NCO無法實現實時的運算。已有文獻提出了一種基于多相濾波技術的高效數字下變頻結構，但這種結構無法處理同時到達信號。缺點1 速度的限制第34頁/共38頁數字下變頻的優缺點數字下變頻的主要局限在于NCO及乘法器直接數字下變頻的優缺點與帶通采樣一樣，數字下變頻需要得到信號的中心頻率，這樣才能確定NCO產生的本振頻率，而在ADC采樣率極高的情況下，很難找到能實時準確地得到信號頻率參數的有效算法。 缺點2 需要先驗知識第35頁/共38頁數字下變頻的優缺點與帶通采樣一樣，數字下變頻需要得到信號的中結論1 帶通采樣技術與數字下變頻技術在面對合作信號時，能有效地降低數據率，有利于后續DSP對信號進行實時處理。2 數字下變頻結構不能處理同時到達信號，帶通采樣能夠處理同時到達信號，但是以增加設備量或犧牲信噪比為代價的。第36頁/共38頁結論1 帶通采樣技術與數字下變頻技術在面對合作信號時，頻率信道化數字信道化結構具有分辨同時到