CN107919942A - 一种信号采样恢复方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种信号采样恢复方法、装置，所述方法包括对原始信号进行低速采样，采样速率为比特速率的1/M，其中M>1；对低速采样得到的信号再进行L倍的上采样，其中L＝M；对上采样得到的信号通过低通滤波器，以恢复出原始信号。本申请在低速采样的情况下又能准确的恢复出原始信号，降低了系统硬件指标要求，提高了方案的可实施性，解决了诸如OvTDM系统等重叠次数K较大时，接收端需要较高的采样速率和处理速度才能恢复出原始信号，使得硬件实现非常困难，降低方案可实施性的问题。

Description

一种信号采样恢复方法及装置
技术领域
本申请涉及信号处理领域，具体涉及一种信号采样恢复方法、装置。
背景技术
OvTDM系统中，接收端先对接收的模拟信号采样得到数字信号，再对数字信号进行后续的处理，例如译码。但随着重叠次数K的增大，比特速率越来越快，而OvTDM译码时需要对信号的每个比特对应的重叠编码信号进行高速采样，由A/D特性可知，A/D的采样速率和有效位宽成反比关系，而OvTDM系统信号的译码对位宽要求较高，因此采样速率和位宽形成了一对矛盾。然而由OvTDM信号的特性可知，K越大频谱效率越好，占用带宽不随K增加而增加，这就为本方法提供了理论基础，根据奈奎斯特采样定理，采样速率必须达到信号带宽的两倍以上才能精确重构信号，因此可以利用这一特性以较低的速率对信号进行采样，降低硬件特别是A/D的压力，然后通过其他方法将信号恢复为高速采样信号，从而为后续的OvTDM信号译码奠定基础。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供一种信号采样恢复方法、装置。
根据本申请的第一方面，本申请提供一种信号采样恢复方法，包括：
对原始信号进行低速采样，采样速率为比特速率的1/M，其中中M>1；
对低速采样得到的信号再进行L倍的上采样，其中L＝M；
对上采样得到的信号通过低通滤波器，以恢复出原始信号。
根据本申请的第二方面，本申请提供一种信号采样恢复装置，包括：
低速采样单元，用于对原始信号进行低速采样，采样速率为比特速率的1/M，其中M>1；
上采样单元，用于对低速采样得到的信号再进行L倍的上采样，其中L＝M；
低通滤波器，用于对上采样得到的信号进行低通滤波，以恢复出原始信号。
本申请的有益效果是：
依上述实施的信号采样恢复方法及装置，在系统接收端对信号进行低速采样，以较低的采样率对信号进行抽样，再通过上采样和低通滤波的方式还原出高速信号，因此，本申请在以较低采样率进行采样的情况下又能准确的恢复出高速信号，降低了系统硬件指标要求，提高了方案的可实施性，解决了诸如OvTDM系统等重叠次数K较大时，接收端需要较高的采样速率和处理速度才能恢复出高速信号，使得硬件实现非常困难，降低方案可实施性的问题。
附图说明
图1为传统OvTDM系统的发射端的结构示意图；
图2为OvTDM系统对输入符号进行重叠复用编码的平行四边形规则示意图；
图3(a)、(b)分别传统OvTDM接收端的预处理单元、序列检测单元；
图4为系统重叠复用次数K＝3时，系统输入-输出码树图；
图5为图4相应的系统的节点状态转移图；
图6为图4或图5相应的系统的格状(Trellis)图；
图7为本申请一实施例的信号采样恢复方法的流程示意图；
图8为本申请一实施例的信号采样恢复装置的结构示意图；
图9为本申请一实施例的OvTDM系统调制后的发射信号的波形示意图；
图10为图9中信号经过低速采样后得到的波形示意图；
图11为本申请一实施例的OvTDM系统的发射信号的频谱特性示意图；
图12为图10中的信号经过上采样后得到的波形示意图；
图13为图12中的信号经过低通滤波得到的恢复信号的波形示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。
信息技术的飞速发展使得人们对信息的需求量剧增，现实世界的模拟化和信号处理工具的数字化决定了信号采样是从模拟信源获取数字信息的必经之路，奈奎斯特采样定理是指导如何采样的重要理论基础。根据奈奎斯特采样定理，采样速率必须达到信号带宽的两倍以上才能精确重构信号，然而随着人们对信息需求量的增加，携带信息的信号带宽越来越宽，以此为基础的信号处理框架要求的采样速率和处理速度也越来越高，因而对宽带信号处理的困难在日益剧增。具体来说，对于OvTDM系统，随着重叠次数的增大，接收端所需的信号采样也越来越快，位宽要求也越来越高，对硬件的要求非常高，目前的A/D芯片难以满足高速采样和高有效位宽的要求，使得硬件系统面临着很大的压力，硬件实现难度较高。
本申请中，OvTDM系统为重叠时分复用(OvTDM，Overlapped Time DivisionMultiplexing)系统，该系统具有频谱不随重叠重数增加的优点，因此重叠重数越高，传输速率越快，但占用带宽不变，利用这一性质，提出一种适用于OvTDM的信号采样恢复方法、装置。
先简要说明一下系统的收发端。
如图1所示，为OvTDM发送端的发送过程，具体步骤如下：
(1)首先设计生成发送信号的包络波形h(t)。
(2)将(1)中所设计的包络波形h(t)经特定时间移位后，形成其它各个时刻发送信号包络波形h(t-i×ΔT)。
(3)将所要发送的符号xi与(2)生成的相应时刻的包络波形h(t-i×ΔT)相乘，得到各个时刻的待发送信号波形xih(t-i×ΔT)。
(4)将(3)所形成的各个待发送波形进行xih(t-i×ΔT)叠加，形成发射信号波形。发送的信号可以表示为：
其中，重叠复用方法遵循如图2所示的平行四边形规则。
发送端将编码调制后的信号通过天线发射出去，信号在无线信道中传输，接收端对接收信号进行匹配滤波，再对信号分别进行抽样、译码，最终判决输出比特流。
如图3所示，为OvTDM接收端的接收过程，其中，图3(a)为OvTDM接收端的预处理单元，图3(b)为OvTDM接收端的序列检测单元，具体步骤如下：
(5)首先对接收信号进行同步，包括载波同步、帧同步、符号时间同步等。
(6)根据取样定理，对每一帧内的接收信号进行数字化处理。
(7)对接收到的波形按照波形发送时间间隔切割。
(8)按照一定的译码算法对切割后的波形进行译码。例如，以维特比译码进行译码。
其中，译码过程请参照图4～6，图4为重叠复用次数K＝3时，系统输入-输出码树图，图5为系统相应的节点状态转移图，图6为系统的格状(Trellis)图。
本申请公开的信号采样恢复方法，在系统接收端对原始信号(即发送端发出的信号)先以较低的采样率对信号进行抽样，再通过上采样和低通滤波的方式还原出原始信号。在一具体实施例中，本申请的信号采样恢复方法特别适用于OvTDM系统。
请参照图7，在一具体实施例中，本申请的信号采样恢复方法包括步骤S01～S05。
步骤S01、对原始信号进行低速采样，采样速率为比特速率的1/M，其中M>1。在一实施例中，M的值小于fs/fc，其中fs为采样频率，fc为部分能量带宽，采样频率是指系统未低速采样之前的采样频率，其等同于比特速率；部分能量带宽是指在该带宽范围内，信号能量占据总能量的至少99％，在一实施例中，可以为99％～100％之间。
步骤S03、对低速采样得到的信号再进行L倍的上采样。进行L倍的上采样，具体地，就是每相邻的两个样点之间插入L-1个新样点，在一实施例中，插入的各新样点都是零样点。在一实施例中，M和L的值是相等的。在经过对低速采样得到的信号进行上采样后，得到的信号，它的包络已经较为接近原始信号。
步骤S05、对上采样得到的信号通过低通滤波器，以恢复出原始信号。低通滤波器的参数包括截止频率和除数，在一实施例中，低通滤波器的截止频率等同于部分能量带宽。
步骤S07、将通过低通滤波器后得到的信号再乘以M。经过低通滤波器后的信号幅值是原始信号幅值的1/M倍，在一实施例中，如果后续流程对信号的幅值不敏感，那么保留恢复后的信号；在另一实施例中，如果后续流程对信号的幅值较为敏感，可引入上述的步骤S07对低通滤波后得到的信号幅值再乘以M，以完全恢复出原始信号的幅值和波形。
本申请还提出了一种信号采样恢复装置。在一具体实施例中，本申请的信号采样恢复装置特别适用于OvTDM系统。
请参照图8，在一实施例中，信号采样恢复装置包括低速采样单元01、上采样单元03和低通滤波器05，在一较优的实施例中，还包括第一赋值单元07和乘法单元09中的至少一者。
低速采样单元01用于对原始信号进行低速采样，采样速率为比特速率的1/M，其中M>1。对原始信号进行低速采样，采样速率为比特速率的1/M，具体地，就是每间隔M-1个样点后抽取一个样点。
上采样单元03用于对低速采样得到的信号再进行L倍的上采样，其中L＝M。进行L倍的上采样，具体地，就是每相邻的两个样点之间插入L-1个新样点，在一实施例中，插入的各新样点都是零样点。在经过上采样单元03对低速采样得到的信号进行上采样后，得到的信号，它的包络已经较为接近原始信号。
低通滤波器05用于对上采样得到的信号进行低通滤波，以恢复出原始信号。低通滤波器05的参数包括截止频率和除数，在一实施例中，低通滤波器05的截止频率等同于部分能量带宽。
第一赋值单元07用于对M进行赋值，以使得M的值小于fs/fc，其中fs为采样频率，fc为部分能量带宽，采样频率是指系统未低速采样之前的采样频率，其等同于比特速率；部分能量带宽是指在该带宽范围内，信号能量占据总能量的至少99％，在一实施例中，可以为99％～100％。
乘法单元09用于将通过低通滤波器05后得到的信号再乘以M。经过低通滤波器05后的信号幅值是原始信号幅值的1/M倍，在一实施例中，如果后续流程对信号的幅值不敏感，那么保留恢复后的信号；在另一实施例中，如果后续流程对信号的幅值较为敏感，可引入上述的乘法单元09对低通滤波后得到的信号幅值再乘以M，以完全恢复出原始信号的幅值和波形。
本申请还公开了一种OvTDM系统，其包括上述的信号采样恢复装置。
本实施例为说明低速采样信号恢复过程，以一简单参数为例说明。
对一个重叠次数K＝4的OvTDM系统，假设其信息比特长度N＝50，每个比特上采样倍数为s＝10，以切比雪夫为复用波形，发送端先将信息比特经过BPSK调制后，再与切比雪夫波进行卷积运算得到S＝(N+K-1)*s个样点数，即S＝530个样点，经过数模转换、上变频、放大等将编码调制后的信号发送出去，编码后的信号如图9所示。
传统的方法，在系统接收端得到模拟信号y后，采样速率必须大于等于bit速率，以保证后续处理时每个样点对应1个bit，当K较大时高速采样难以实现，本申请先对信号进行低速采样，再通过上采样、低通滤波恢复出高速信号y'。
(1)对接收信号y进行低速采样
对接收信号y进行低速采样，采样频率为比特速率的1/M。例如，M＝4，则对于上述信号进行低速采样后得到133个样点，低速采样信号如图10所示。
OvTDM系统中，接收信号y在时域是有限的，而在频域是无限的，对应的在频域中有效信号集中在某个频带范围内，如图11所示。假设系统的采样频率为fs，将频域中有效信号能量占据总能量的99％～100％之间对应的频点作为部分能量带宽fc，那么M的取值应该满足M<fs/fc，本实施例以99.9％为例。
(2)对信号进行上采样……
对低速采样得到的信号再进行L倍的上采样，即对于经过低速采样得到的样点，每相邻的两个样点之间插入L-1个新样点。本例子中L的值等于M的值，也是4，因此，对于得到的133个样点中，每相邻的两个样点之间插入3个新样点，在实施例中，插入的新样点幅度为0。
上采样后得到的信号如图12所示，由图中可以看出，虽然上采样后的信号之间固定间隔有零值，但是信号的包络已经较为接近原始信号y。
(3)低通滤波
将上采样得到的信号经过低通滤波器以恢复出原始信号。
低通滤波器的参数包括截止频率和阶数，其截止步骤的取值即为(1)中计算的部分能量带宽fc，阶数取值为100。阶数越高越接近理想低通滤波器，性能越好，但硬件资源占用随阶数增加快速增加，在保证滤波性能和考虑资源占用的情况下，低通滤波器的阶数设为100左右。
经过低通滤波器后恢复出的信号如图13所示，由图中可以看出恢复出的信号包络和原始信号包络波形一致。
另外，从图中也可以看到，恢复出的信号幅值是原始信号幅值的1/M倍，因此如上所述，在一实施例中，如果后续流程对信号的幅值不敏感，那么保留恢复后的信号；在另一实施例中，如果后续流程对信号的幅值较为敏感，可对低通滤波后得到的信号幅值再乘以M，以完全恢复出原始信号的幅值和波形。
本申请在系统接收端对信号先进行低速采样，以较低的采样率对信号进行抽样，再通过上采样和低通滤波的方式还原出信号。本申请在低速采样的情况下又能准确的恢复出原始信号，降低了系统硬件指标要求，提高了方案的可实施性，解决了重叠次数K较大时，接收端需要较高的采样速率和处理速度才能恢复出原始信号，使得硬件实现非常困难，降低方案可实施性的问题。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种信号采样恢复方法，其特征在于，包括：
对原始信号进行低速采样，采样速率为比特速率的1/M，其中M>1；
对低速采样得到的信号再进行L倍的上采样，其中L＝M；
对上采样得到的信号通过低通滤波器，以恢复出原始信号。
2.如权利要求1所述的信号采样恢复方法，其特征在于，所述M的值小于fs/fc，其中fs为系统译码所需采样频率，其等同于比特速率；fc为部分能量带宽，所述fc为在该带宽范围内，信号能量占据总能量的99％～100％。
3.如权利要求1或2所述的信号采样恢复方法，其特征在于，还包括：将通过低通滤波器后得到的信号再乘以M。
4.如权利要求2所述的信号采样恢复方法，其特征在于，所述低通滤波器的截止频率等于部分能量带宽。
5.如权利要求1所述的信号采样恢复方法，其特征在于，进行上采样时，向信号插入的新样点都为零样点。
6.一种信号采样恢复装置，其特征在于，包括：
低速采样单元，用于对原始信号进行低速采样，采样速率为比特速率的1/M，其中M>1；
上采样单元，用于对低速采样得到的信号再进行L倍的上采样，其中L＝M；
低通滤波器，用于对上采样得到的信号进行低通滤波，以恢复出原始信号。
7.如权利要求6所述的信号采样恢复装置，其特征在于，还包括第一赋值单元，用于对M进行赋值，以使得M的值小于fs/fc，其中fs为系统译码所需采样频率,其等同于比特速率；fc为部分能量带宽，所述fc为在该带宽范围内，信号能量占据总能量的99％～100％。
8.如权利要求6或7所述的信号采样恢复装置，其特征在于，还包括乘法单元，用于将通过低通滤波器后得到的信号再乘以M。
9.如权利要求7所述的信号采样恢复装置，其特征在于，所述低通滤波器的截止频率等于部分能量带宽。
10.如权利要求6所述的信号采样恢复装置，其特征在于，所述上采样单元在对信号进行上采样时，向信号插入零样点。
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