CN110212889B - 一种数字信号采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字信号采样装置和方法，包括多相子滤波器组、转向开关和模L控制器，多相子滤波器组由若干个子滤波器组成，转向开关按一定的时间周期t_s,new选择某路多相子滤波器的输出信号作为第m个输出信号的值，模L控制器产生转向开关的控制参数，采样频率为f_s,old的输入数字信号先通过多相子滤波器组进行滤波处理，形成若干路子滤波器处理后的数字信号，然后转向开关根据模L控制器的控制参数按照时间周期t_s,new选择子滤波器通路的数字信号输出，最后输出采样率为f_s,new的输出数字信号，从而完成了数字信号的采样率转换。能够解决现有技术中对不必要的数字信号进行处理，浪费时间和资源的技术问题。

Description

一种数字信号采样装置及方法

技术领域

本发明涉及数字转换器技术领域，尤其涉及一种数字信号采样的装置和方法。

背景技术

在电子对抗领域，为了有效利用对抗资源，普遍采用采样率转换的数字信号处理技术。例如当威胁信号的工作带宽变小时，常常将信号的采样频率降低以减小运算量；而当信号带宽变大时，又需要将采样频率提高以增加处理带宽。常规的数字信号采样率转换方式主要有两种：抽取和内插。根据数字信号处理理论，假定原数字信号的采样率为f_s,old，M倍抽取后信号的采样率就变为f_s,new＝f_s,old/M，L倍内插后信号的采样率则变为f_s,new＝f_s,old·L，式中，M、L均为整数，因此，可以看到抽取和内插只能作整数倍的采样率转换。某些情况下(比如，当需要在两个采样率不是整数倍关系的信号处理系统间交换数据时，整数倍的抽取或内插就不能满足需求了，还需要采用分数倍的采样率转换的信号处理方式。典型分数倍采样率转换器先对输入的数字信号样值x_in(n)进行L倍内插，然后再进行M倍的抽取，通过这种方式的采样率变换，最后输出信号样值x_old(m)的采样率变为f_s,new＝f_s,old·L/M，从而实现了采样率的

倍转换；这种传统的分数倍采样率转换方法存在的缺点主要有：

第一、内插后数字信号中含有大量的零值信号样本，零值信号作卷积滤波处理后的结果仍然为零，这些信号没有任何作用，对零值信号的处理会造成时间和资源的浪费；

第二、信号的抽取过程会丢弃大量的信号，但现有的技术中，对这些将会在抽取时被丢弃的信号也进行计算处理，造成时间和资源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种数字信号的分数倍采样率转换器，能够解决现有技术中对不必要的数字信号进行处理，浪费时间和资源的技术问题。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种数字信号采样装置，包括多相子滤波器组、转向开关和模L控制器，所述的多相子滤波器组由若干个多相子滤波器组成，所述的每个多相子滤波器输入端与原始输入数字信号的输出段相连，每个多相子滤波器的输出端与转向开关的某一活动连接端对应连接，所述的模L控制器控制转向开关的活动连接端联通，转向开关的固定连接端输出处理后的数字信号。

所述的模L控制器计算转向开关的控制参数Q并将其传送给转向开关，控制参数Q的计算方法为：Q＝mod(mM,L)，其中，mod算子表示“求模”，m为采样序列，m＝1,2,3......j，j为采样总数，

为分数倍采样率，其中L、M为正整数，互为质数；

装置工作过程：采样频率为f_s,old的原始输入数字信号先通过多相子滤波器组进行滤波处理，形成若干路多相子滤波器处理后的数字信号，然后转向开关根据模L控制器的控制参数Q按照时间周期t_s,new选择某一多相子滤波器通路的数字信号输出，最后输出采样率为f_s,new的输出数字信号，从而完成了数字信号的采样率转换。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种数字信号采样方法，步骤如下：

步骤1，根据需要的分数倍采样率和原始输入数字信号的频率，确定多相子滤波器组中多相子滤波器的参数和个数，多相子滤波器的个数n不小于L；

步骤2，按照f_s,old的频率输入的数字信号通过多相子滤波器组进行滤波；

步骤3，根据分数倍采样率确定模L控制器产生控制转向开关的控制参数Q，控制转向开关按照时间周期t_s,new输出某一多相子滤波器滤波后的数字信号；

步骤4，不同采样周期不同子滤波器输出的数字信号即为原始输入数字信号通过分数倍采样率采样得到的数字信号。

进一步的，所述的多相子滤波器的通带

其中，f_s,old为原始输入数字信号的频率。

进一步的，所述的多相子滤波器的Z域传递函数表示为：

式中，h(pL+k)为多相子滤波器系数，p＝0，1，2…N/L-1，N为多相子滤波器的阶数，k表示多相子滤波器的序号，k＝0，1,2,3...n-1，z为复数变量，表示延迟单元。

进一步的，所述的模L控制器产生控制参数的时间周期t_s,new＝1/f_s,new，其中

为输出数字信号的频率。

应用本发明的技术方案，取得的有益效果如下：

(1)本发明将滤波器按照内插系数L多相分解为L个子滤波器，通过这种方式可将两种信号(分别为原始输入数字信号和内插时插入的零值信号)的滤波处理过程进行分离，从而达到只处理原输入信号而不处理内插入零值信号的效果，大大减少了信号处理的数据；

(2)本发明通过对内插系数L求模来选择信号输出通道的方式，避免了对抽取时丢弃数据的处理，大大节约了计算资源；

(3)本发明将滤波的数字信号处理过程提前到内插处理之前，从而使内插和抽取合成为一个信号处理步骤，简化了信号处理的环节。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了传统分数倍采样率转换实现框图；

图2示出了本发明数字信号采样装置原理框图；

图3示出了第k个多相子滤波器结构示意图；

图4示出了本发明数字信号采样方法流程图；

图5示出了输入信号样值x_in(n)的时域波形图；

图6示出了输入信号样值x_in(n)的时域频谱图；

图7示出了采样点m与多相子滤波器通路k的对应关系；

图8示出了输出信号样值x_out(m)的时域波形图；

图9示出了输出信号样值x_out(m)的时域频谱图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种数字信号采样装置，如图2所示，包括多相子滤波器组、转向开关和模L控制器，多相子滤波器组由若干个多相子滤波器组成，如图3所示为一个多相子滤波器结构示意图，每个多相子滤波器输入端与原始输入数字信号的输出段相连，每个多相子滤波器的输出端与转向开关的某一活动连接端对应连接，模L控制器控制转向开关的活动连接端联通，转向开关的固定连接端输出处理后的数字信号。模L控制器计算转向开关的控制参数Q并将其传送给转向开关，控制参数Q的计算方法为：Q＝mod(mM,L)，其中，mod算子表示“求模”，m为采样序列，m＝1,2,3......j，j为采样总数，

为分数倍采样率，其中L、M为正整数，互为质数。

进一步的在一个实施例中，多相子滤波器的Z域传递函数表示为：

式中，h(pL+k)为多相子滤波器系数，N为多相子滤波器的阶数，k表示多相子滤波器的序号，k＝0，1,2,3...n-1，z为复数变量，表示延迟单元。

进一步的在一个实施例中，多相子滤波器的通带

其中，f_s,old为输入数字信号的频率。

进一步的在一个实施例中，模L控制器产生控制参数的时间周期t_s,new＝1/f_s,new，其中f_s,new为输出数字信号的频率。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种数字信号采样方法，如图4所示，步骤如下：

步骤1，根据需要的分数倍采样率和输入数字信号的频率，确定多相子滤波器组中多相子滤波器的参数和个数，多相子滤波器的个数n不小于L；

步骤2，按照f_s,old的频率输入的数字信号通过多相子滤波器组进行滤波；

步骤3，根据分数倍采样率确定模L控制器产生控制转向开关的参数，控制转向开关按照时间周期t_s,new输出某一多相子滤波器的滤波后的数字信号；

步骤4，将不同时刻不同多相子滤波器输出的数字信号通过信号输出设备输出的数字信号，即为输入的数字信号通过分数倍采样率采样得到的数字信号。

在一个具体实施例中，输入信号x_in为频率f_o＝10MHz的余弦信号，且输入端的采样率f_s,old＝100MHz，由于实际信号一般含有噪声信号，在一个实施例中，输入信号x_in中含有一定能量的高斯白噪声，高斯白噪声的信噪比为20dB，在其他的实施例中，噪声信号可以为其他形式的噪声，输入端信号样值函数x_in(n)表示为：x_in(n)＝cos(2πnf_o/f_s,old)+w(n)＝cos(0.2πn)+w(n)，式中，w(n)为均值为0、方差为10^-2的高斯白噪声信号，输入信号样值x_in(n)的信噪比为20dB。图5、6是x_in(n)的时域波形和频谱。

对x_in(n)实现

分数倍采样率转换，即L＝3,M＝4，实现步骤如下：

第一步：设计一个通带

的多相子滤波器组，计算得到

这里采用数字信号处理领域广泛使用的一种滤波器设计方法——最优滤波器设计法(Parks-McClellanFIR方法)进行滤波器设计，采用FIR滤波器，根据这一方法，除了已知多相子滤波器的通带参数外还需输入多相子滤波器的其他参数，包括多相子滤波器阶数N、截止频率f_stop，本例FIR多相子滤波器指标参数如下：

多相子滤波器组通带f_pass＝37.5MHz，截止频率f_stop＝75MHz，多相子滤波器阶数N＝30。

由上设计得到本例FIR多相子滤波器系数h如表1所示。

表1 FIR多相子滤波器系数

在其他实施例中，可以采用其他的多相子滤波器设计方法对多相子滤波器进行设计；

根据多相子滤波器的Z域传递函数

得到多相子滤波器组的Z域传递函数如下：

H₀＝h(0)z⁰+h(3)z^-3+h(6)z^-6+h(9)z^-9+h(12)z^-12+h(15)z^-15+h(18)z^-18+h(21)z^-21+h(24)z^-24+h(27)z^-27 (4)

H₁＝h(1)z⁰+h(4)z^-3+h(7)z^-6+h(10)z^-9+h(13)z^-12+h(16)z^-15+h(19)z^-18+h(22)z^-21+h(25)z^-24+h(28)z^-27 (5)

H₂＝h(2)z⁰+h(5)z^-3+h(8)z^-6+h(11)z^-9+h(14)z^-12+h(17)z^-15+h(20)z^-18+h(23)z^-21+h(26)z^-24+h(29)z^-27 (6)

将表1中滤波器系数代入式(4)～(6)中，得到多相子滤波器组的Z域传递函数；

第二步：将x_in(n)按照t_s,old＝1/f_s,old＝10^-8s的时间周期输入多相子滤波器组中进行滤波处理；

第三步，由模L控制器产生控制转向开关的参数Q，控制转向开关按照

的时间周期选择多相子滤波器通路Q以输出信号x_out(m)，依据Q＝mod(mM,L)可得到m，Q的关系如图7所示；

第四步，将不同采样周期不同子滤波器输出的数字信号通过信号输出设备输出，所得到的数字信号即为输入的数字信号通过分数倍采样率采样得到的数字信号。

最后得到的信号x_out(m)的时域波形和频谱如图8、9所示，可以看到x_out(m)的时域波形与x_in(n)一致，前者的采样率与后者的比值为

同时，x_out(m)的信号频谱图显示信号频点为10MHz，输出结果与原信号一致。

通过这一例子说明采用本发明的分数倍采样率转换器可将采样率转换为原来采样率的

倍。

如图1所示，传统分数倍采样率转换实现由内插L、滤波和抽取M三步实现，而本发明的分数倍采样率转换装置如图2所示，将滤波的信号处理过程提前到内插处理之前，从而使内插和抽取合成为一个信号处理步骤，简化了信号处理的环节，并且本发明将传统的滤波器按照内插系数L多相分解为L个多相子滤波器组，通过这种方式可将两种信号的滤波处理过程进行分离，分别为原输入信号和内插时插入的零值信号，从而达到只处理原输入信号而不处理内插入零值信号的效果，减少了信号处理的数据；通过对内插系数L求模来选择信号输出通道的方式，避免了对抽取时丢弃数据的处理，节约了计算资源。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种数字信号采样装置，其特征在于：包括多相子滤波器组、转向开关和模L控制器，所述的多相子滤波器组由若干个多相子滤波器组成，所述的每个多相子滤波器输入端与原始输入数字信号的输出段相连，每个多相子滤波器的输出端与转向开关的某一活动连接端对应连接，所述的模L控制器控制转向开关的活动连接端联通，转向开关的固定连接端输出处理后的数字信号；

所述的模L控制器产生控制参数的时间周期t_s,new＝1/f_s,new，其中

为输出数字信号的频率；

所述的模L控制器计算转向开关的控制参数Q并将其传送给转向开关，控制参数Q的计算方法为：Q＝mod(mM,L)，其中，mod算子表示“求模”，m为采样序列，m＝1,2,3......j，j为采样总数。

2.根据权利要求1所述的数字信号采样装置，其特征在于：所述的多相子滤波器的通带

其中，f_s,old为输入数字信号的频率，

为分数倍采样率，其中L、M为正整数，互为质数。

3.根据权利要求1所述的数字信号采样装置，其特征在于：所述的多相子滤波器的Z域传递函数表示为：

式中，h(pL+k)为多相子滤波器系数，N为多相子滤波器的阶数，k表示多相子滤波器的序号，k＝0，1,2,3...n-1，n为多相子滤波器的个数，z为复数变量，表示延迟单元。

4.一种数字信号采样方法，其特征在于：步骤如下，

步骤1，根据需要的分数倍采样率和原始输入数字信号的频率，确定多相子滤波器组中多相子滤波器的参数和个数，多相子滤波器的个数n不小于L；

步骤2，按照f_s,old的频率输入的数字信号通过多相子滤波器组进行滤波；

步骤3，根据分数倍采样率确定模L控制器产生控制转向开关的控制参数Q，控制转向开关按照时间周期t_s,new输出某一多相子滤波器滤波后的数字信号；

所述的模L控制器产生控制参数的时间周期t_s,new＝1/f_s,new，其中

为输出数字信号的频率；所述的控制参数Q的计算方法为：Q＝mod(mM,L)，其中，mod算子表示“求模”，m为采样序列，m＝1,2,3......j，j为采样总数；

步骤4，不同采样周期不同子滤波器输出的数字信号即为原始输入数字信号通过分数倍采样率采样得到的数字信号。

5.根据权利要求4所述的数字信号采样方法，其特征在于：所述的多相子滤波器的通带

其中，f_s,old为输入数字信号的频率，

为分数倍采样率，其中L、M为正整数，互为质数。

6.根据权利要求5所述的数字信号采样方法，其特征在于：所述的多相子滤波器的Z域传递函数表示为：

式中，h(pL+k)为多相子滤波器系数，N为多相子滤波器的阶数，k表示多相子滤波器的序号，k＝0，1,2,3...n-1，n为多相子滤波器的个数，z为复数变量，表示延迟单元。

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