軟件無線電中的多速率信號處理

1 引 言

軟件無線電是當(dāng)代無線通信發(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上，用軟件近可能多地實現(xiàn)軟件無線電的各種功能。軟件無線電具有靈活性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的特點，為解決目前無線通信系統(tǒng)所存在的難兼容、難升級、開發(fā)周期長等難題提供了選擇。

基于帶通采樣定理，軟件無線電能夠?qū)崿F(xiàn)對整個工作頻帶的信號直接進(jìn)行數(shù)字化，然后用數(shù)字信號處理方法完成對信號的接收和解調(diào)。為了提高軟件無線電對不同體制信號的適應(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，對后續(xù)的信號處理能力提出了苛刻的要求。因此，有必要對采樣信號進(jìn)行降速率處理，多速率信號處理是這種降速率處理的理論依據(jù)。 2多速率信號處理

多速率信號處理的實質(zhì)是用數(shù)字信號處理方法直接改變抽樣信號的速率，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)個取一個，形成一個新序列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，則模擬信號的最高頻率(無模糊帶寬)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，其無模糊帶寬為fs／(2D)，所以當(dāng)x(n)中含有大于fs／(2D)的份量時，xD(n)的頻譜必然產(chǎn)生混疊，無法從xD(n)中恢復(fù)x(n)中頻率小于fs／(2D)的低頻信號分量。如果先用一個數(shù)字濾波器(歸一化帶寬B=π／D)對X(ejw)進(jìn)行濾波得到V(ejw)，該信號只含有小于π／D頻率分量，再對V(ejw)進(jìn)行D倍抽取，就可以避免頻譜混疊。一個完整的D倍抽取器結(jié)構(gòu)如圖2所示，抽取前后信號頻譜如圖3所示。經(jīng)過抽取提高了信號的頻域分辨率。

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之間插入(J-1)個零值，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)。對內(nèi)插后的信號進(jìn)行低通濾波，就可以從內(nèi)插信號頻譜中恢復(fù)出原始基帶譜，使內(nèi)插序列中的(I-1)個零值都變?yōu)閤(n)的準(zhǔn)確值，所以經(jīng)過內(nèi)插提高信號時域分辨率。完整的I倍內(nèi)插器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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

3 多速率信號處理的多相濾波結(jié)構(gòu)

以上分析都是針對低通信號的，對帶通信號常常采用頻譜搬移，先把位于中心頻率f0處的帶通信號搬移到基帶，然后再利用低通信號的抽取方法進(jìn)行抽取。反之，通過內(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

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

作者：繆潤江，薛磊(解放軍電子工程學(xué)院廠 安徽 合肥 230037)