CN111917428B - 一种数字中频信号快速基带化和降采样方法 - Google Patents

一种数字中频信号快速基带化和降采样方法 Download PDF

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Abstract

一种数字中频信号快速基带化和降采样方法，包括以下步骤：S1：对数字中频信号同步进行FIR带通滤波和选抽降采样：依据选抽降采样比值，分别对数字中频信号IQ两路进行等间隔跳跃式FIR带通滤波；S2：对数字中频信号同步进行混频和选抽降采样，下变频至基带：将经过FIR带通滤波和选抽降采样的数字中频信号与经过选抽降采样的本地中频载波进行混频相乘，得到数字基带信号。本发明通过FIR带通滤波与选抽降采样同步、混频与选抽降采样同步，使得滤波和混频的运算量大大减小，提高了数字中频信号基带化和降采样的效率，有助于快速检测和解调信号。

Description

一种数字中频信号快速基带化和降采样方法
技术领域
本发明涉及数字通信和导航领域，特别是一种数字中频信号快速基带化和降采样方法。
背景技术
在数字通信和导航领域，常需要将数字中频信号下变频至基带，再对基带信号选抽，以利用基带处理数据率要求低的特点，减轻硬件计算压力，加快信号检测和解调速度。数字中频信号基带化主要有以下传统方法：
首先，将数字中频信号与本地中频载波相乘，将数字中频信号的中心频率移至零中频附近；然后做低通滤波，滤除信号带宽外噪声；最后选抽降采样，降低数据率。
仍然以任意能够表示成以下形式数字中频复信号或IQ两路数字中频信号为例，通过数学描述对传统方法进行说明：
复信号：xIF(n)＝A(n)·exp[j·(ωIFn+θ)]+w(n),n≥0
I路：xI(n)＝A(n)·cos(ωIFn+θ)+wI(n),n≥0
Q路：xQ(n)＝A(n)·sin(ωIFn+θ)+wQ(n),n≥0
式中，j是虚数单位；A(n)表示实包络，ωIF表示复载波频率，θ表示复载波初始相位；w(n)表示噪声，wI(n)、wQ(n)分别为噪声的实部、虚部。
首先将数字中频复信号与本地中频复载波相乘，转化为基带复信号
x0F(n)＝xIF(n)·exp(-jωcn)
式中，j是虚数单位，ωc是本地中频复载波的频率。
或等价于计算x0F(n)的IQ两路：
I路：Re{x0F(n)}＝xI(n)cos(ωcn)+xQ(n)sin(ωcn)
Q路：Im{x0F(n)}＝-xI(n)sin(ωcn)+xQ(n)cos(ωcn)
然后做低通滤波，滤除基带信号带宽以外的噪声。约定一个任意脉冲响应hlp(n)的FIR低通滤波器，低通滤波过程如下：
I路：
Figure BDA0002593531500000011
Q路：
Figure BDA0002593531500000012
式中，K表示FIR低通滤波器的脉冲响应的长度，也即hlp(n):0≤n≤K-1。
基带信号通过低通滤波，带外噪声被抑制。低通滤波的输出近似为
I路：
Figure BDA0002593531500000021
Q路：
Figure BDA0002593531500000022
最后对低通滤波的输出进行选抽降采样，约定一个大小为M的选抽降采样比值，M的最大取值不超过中频信号采样频率与信号带宽的比值。选抽后基带信号数据率为选抽前基带信号的1/M。
I路：
Figure BDA0002593531500000023
Q路：
Figure BDA0002593531500000024
以上即传统方法实现数字中频信号基带化和降采样的过程。
采用传统方法对数字中频信号进行基带化和降采样过程中，先后包含了混频相乘、低通滤波和选抽降采样三种操作，其中混频相乘和低通滤波的运算量大小直接决定了基带化效率。混频相乘和低通滤波的运算量越少，基带化效率就越高，信号检测和解调的速度就越快。为了提高效率，传统方法常将FIR低通滤波和选抽降采样同步进行，以M倍选抽为例，即
I路：
Figure BDA0002593531500000025
Q路：
Figure BDA0002593531500000026
该输出与低通滤波和选抽降采样分步进行时的输出一致，即近似为：
I路：
Figure BDA0002593531500000027
Q路：
Figure BDA0002593531500000028
传统方法通过FIR低通滤波和选抽降采样同步进行，可以将滤波运算量降低至1/M。
但是，传统方法的混频运算需要逐点进行，无法通过与选抽降采样同步来降低运算量，它常采用查表(余弦表和正弦表)的方法代替余弦函数和正弦函数的实时计算，以提高混频运算效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种数字中频信号快速基带化和降采样方法，通过将滤波与选抽降采样同步、混频与选抽降采样同步的途径，同时减小滤波和混频运算量，大幅度提高基带化效率。
本发明的技术方案是：一种数字中频信号快速基带化和降采样方法，包括以下步骤：
S1：对数字中频信号同步进行FIR带通滤波和选抽降采样：依据选抽降采样比值，分别对数字中频信号IQ两路进行等间隔跳跃式FIR带通滤波；
S2：对数字中频信号同步进行混频和选抽降采样，下变频至基带：将经过FIR带通滤波和选抽降采样的数字中频信号与经过选抽降采样的本地中频载波进行混频相乘，得到数字基带信号。
进一步，S1具体包括以下步骤：对于数字中频复信号或等价于IQ两路的数字中频信号，约定一脉冲响应为hbp(n)的FIR带通滤波器和大小为M的选抽降采样比值，以等间隔M分别进行跳跃式的FIR带通滤波。
进一步，S2具体包括以下步骤：将经过FIR带通滤波和同步选抽降采样的IQ两路数字中频信号合并成复数信号，再与经过M倍选抽降采样的本地中频复载波相乘，下变频至基带，得到数字基带信号。
进一步，所述数字中频复信号通过以下公式获得：
xIF(n)＝A(n)·exp[j·(ωIFn+θ)]+w(n),n≥0
或者所述等价于IQ两路的数字中频信号通过以下公式获得：
I路：xI(n)＝A(n)·cos(ωIFn+θ)+wI(n),n≥0
Q路：xQ(n)＝A(n)·sin(ωIFn+θ)+wQ(n),n≥0
式中，j是虚数单位；A(n)表示实包络，ωIF表示复载波频率，θ表示复载波初始相位；w(n)表示噪声，wI(n)、wQ(n)分别为噪声实部、虚部。
进一步，所述以等间隔M分别进行跳跃式的FIR带通滤波通过以下公式获得：
I路：
Figure BDA0002593531500000031
Q路：
Figure BDA0002593531500000032
式中，K表示FIR带通滤波器的脉冲响应的长度，也即hbp(n):0≤n≤K-1；M的最大取值不超过中频信号采样频率与信号带宽的比值。
进一步，所述FIR带通滤波和选抽降采样同步进行之后的输出近似为：
I路：
Figure BDA0002593531500000033
Q路：
Figure BDA0002593531500000034
进一步，S2中，将经过FIR带通滤波和同步选抽降采样的IQ两路数字中频信号合并成复数信号通过以下公式获得：
Figure BDA0002593531500000035
式中，j是虚数单位。
将复数信号再与经过M倍选抽降采样的本地中频复载波相乘，下变频至基带，即：
Figure BDA0002593531500000041
式中，ωc为本地复载波的频率；
或等价于计算
Figure BDA0002593531500000042
的IQ两路：
I路：
Figure BDA0002593531500000043
Q路：
Figure BDA0002593531500000044
式中，Re{}、Im{}分别表示取实部、虚部。
进一步，
Figure BDA0002593531500000045
近似为：
Figure BDA0002593531500000046
Figure BDA0002593531500000047
的实部、虚部近似为：
I路：
Figure BDA0002593531500000048
Q路：
Figure BDA0002593531500000049
以上完成数字中频信号的快速基带化和选抽降采样。
本发明的有益效果：通过FIR带通滤波与选抽降采样同步、混频与选抽降采样同步，将滤波、混频的运算量均减小至1/M；通过将将混频和选抽降采样同步，在降低运算量和提高效率上，将比查表运算具有更大优势；而且选抽降采样的数字中频信号与选抽降采样的本地中频载波做混频相乘时，仍然可以采用查表方法代替余弦函数、正弦函数的实时计算；本发明充分提高了数字中频信号基带化和降采样的效率，有助于快速检测和解调信号。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的原理是：在实现数字中频信号基带化和降采样时，先对数字中频信号进行带通滤波，滤除信号带宽以外的噪声；然后将带通滤波之后的数字中频信号与本地中频载波相乘，将中心频率移至零中频附近；最后选抽降采样，降低数据率。其主要操作先后包括带通滤波、混频和选抽降采样。考虑到当采用FIR滤波器进行带通滤波时，滤波、混频均可以与选抽降采样同步，即具有大幅降低运算量的能力。
因此，本发明提出，在数字中频信号基带化和降采样时，可以首先依据选抽降采样比值，采用FIR带通滤波对数字中频信号进行等间隔的跳跃式带通滤波，抑制信号带宽以外的噪声；然后将带通滤波后的数字中频信号与选抽降采样的本地中频载波混频相乘，将其中心频率移至零中频附近。通过两步，即能快速实现数字中频信号的基带化和降采样。具体如下：
如图1所示：一种数字中频信号快速基带化和降采样方法，包括以下步骤：
S101：对数字中频信号同步进行FIR带通滤波和选抽降采样：依据选抽降采样比值，分别对数字中频信号IQ两路进行等间隔跳跃式FIR带通滤波。
具体地，对于任意能够表示成以下形式的数字中频复信号：
xIF(n)＝A(n)·exp[j·(ωIFn+θ)]+w(n),n≥0
或等价于IQ两路数字中频信号：
I路：xI(n)＝A(n)·cos(ωIFn+θ)+wI(n),n≥0
Q路：xQ(n)＝A(n)·sin(ωIFn+θ)+wQ(n),n≥0
式中，j是虚数单位；A(n)表示实包络，ωIF表示复载波频率，θ表示复载波初始相位；w(n)表示噪声，wI(n)、wQ(n)分别为噪声实部、虚部。
约定脉冲响应为hbp(n)的FIR带通滤波器和大小为M的选抽降采样比值，以等间隔M分别进行跳跃式的FIR带通滤波：
I路：
Figure BDA0002593531500000051
Q路：
Figure BDA0002593531500000052
式中，K表示FIR带通滤波器的脉冲响应的长度，也即hbp(n):0≤n≤K-1。
通过FIR带通滤波，抑制信号带宽以外的噪声，使得做M倍选抽降采样时频谱不发生混叠，M的最大取值不超过中频信号采样频率与信号带宽的比值。FIR带通滤波和选抽降采样同步进行之后的输出近似为：
I路：
Figure BDA0002593531500000053
Q路：
Figure BDA0002593531500000054
本发明上述步骤的优点为：本发明在数字中频信号同步进行FIR带通滤波和选抽降采样的过程中，并不是如背景技术那样先将数字中频复信号与本地中频复载波相乘，转化为基带复信号，而是依据选抽降采样比值，分别对数字中频信号IQ两路进行等间隔跳跃式FIR带通滤波。
本发明通过将FIR带通滤波与选抽降采样同步，为后一步的混频与选抽降采样同步奠定了基础，使得后一步的操作与传统方法的混频相比，运算效率大幅度提高。
S102：对数字中频信号同步进行混频和选抽降采样，下变频至基带：将经过FIR带通滤波和选抽降采样的数字中频信号与经过选抽降采样的本地中频载波进行混频相乘，得到数字基带信号。
具体地，将经过FIR带通滤波和同步选抽降采样的IQ两路数字中频信号合并成复数信号：
Figure BDA0002593531500000061
式中，j是虚数单位。
将复数信号再与经过M倍选抽降采样的本地中频复载波相乘，下变频至基带，即：
Figure BDA0002593531500000062
式中，ωc为本地复载波的频率。
或等价于计算
Figure BDA0002593531500000063
的IQ两路：
I路：
Figure BDA0002593531500000064
Q路：
Figure BDA0002593531500000065
式中，Re{}、Im{}分别表示取实部、虚部。
Figure BDA0002593531500000066
近似为：
Figure BDA0002593531500000067
Figure BDA0002593531500000068
的实部、虚部近似为：
I路：
Figure BDA0002593531500000069
Q路：
Figure BDA00025935315000000610
以上即完成数字中频信号的快速基带化和选抽降采样，基带信号的数据率只有数字中频信号的1/M。
本发明上述步骤的优点为：通过同步进行混频和选抽降采样，将数字中频信号下变频至零中频基带，在降低运算量和提高效率上，比查表运算具有更大优势。
综上所述，本发明通过FIR带通滤波与选抽降采样同步、混频与选抽降采样同步，将滤波、混频的运算量均减小至1/M，而且选抽降采样的数字中频信号与选抽降采样的本地中频载波做混频相乘时，仍然可以采用查表方法代替余弦函数、正弦函数的实时计算。可以说，本发明充分提高了数字中频信号基带化和降采样的效率，有助于快速检测和解调信号。

Claims (8)

1.一种数字中频信号快速基带化和降采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对数字中频信号同步进行FIR带通滤波和选抽降采样：依据选抽降采样比值，分别对数字中频信号IQ两路进行等间隔跳跃式FIR带通滤波；
S2：对数字中频信号同步进行混频和选抽降采样，下变频至基带：将经过FIR带通滤波和选抽降采样的数字中频信号与经过选抽降采样的本地中频载波进行混频相乘，得到数字基带信号。
2.根据权利要求1所述的数字中频信号快速基带化和降采样方法，其特征在于，S1具体包括以下步骤：对于数字中频复信号或等价于IQ两路的数字中频信号，约定一脉冲响应为hbp(n)的FIR带通滤波器和大小为M的选抽降采样比值，以等间隔M分别进行跳跃式的FIR带通滤波。
3.根据权利要求2所述的数字中频信号快速基带化和降采样方法，其特征在于，S2具体包括以下步骤：将经过FIR带通滤波和同步选抽降采样的IQ两路数字中频信号合并成复数信号，再与经过M倍选抽降采样的本地中频复载波相乘，下变频至基带，得到数字基带信号。
4.根据权利要求2或3所述的数字中频信号快速基带化和降采样方法，其特征在于，所述数字中频复信号通过以下公式获得：
xIF(n)＝A(n)·exp[j·(ωIFn+θ)]+w(n),n≥0
或者所述等价于IQ两路的数字中频信号通过以下公式获得：
I路：xI(n)＝A(n)·cos(ωIFn+θ)+wI(n),n≥0
Q路：xQ(n)＝A(n)·sin(ωIFn+θ)+wQ(n),n≥0
式中，j是虚数单位；A(n)表示实包络，ωIF表示复载波频率，θ表示复载波初始相位；w(n)表示噪声，wI(n)、wQ(n)分别为噪声实部、虚部。
5.根据权利要求4所述的数字中频信号快速基带化和降采样方法，其特征在于，所述以等间隔M分别进行跳跃式的FIR带通滤波通过以下公式获得：
I路：
Figure FDA0003175112450000011
Q路：
Figure FDA0003175112450000012
式中，K表示FIR带通滤波器的脉冲响应的长度，也即hbp(n):0≤n≤K-1；M的最大取值不超过中频信号采样频率与信号带宽的比值。
6.根据权利要求5所述的数字中频信号快速基带化和降采样方法，其特征在于，所述FIR带通滤波和选抽降采样同步进行之后的输出近似为：
I路：
Figure FDA0003175112450000021
Q路：
Figure FDA0003175112450000022
式中，
Figure FDA0003175112450000023
表示实包络。
7.根据权利要求6所述的数字中频信号快速基带化和降采样方法，其特征在于，S2中，将经过FIR带通滤波和同步选抽降采样的IQ两路数字中频信号合并成复数信号通过以下公式获得：
Figure FDA0003175112450000024
式中，j是虚数单位；
将复数信号再与经过M倍选抽降采样的本地中频复载波相乘，下变频至基带，即：
Figure FDA0003175112450000025
式中，ωc为本地复载波的频率；
或等价于计算
Figure FDA0003175112450000026
的IQ两路：
I路：
Figure FDA0003175112450000027
Q路：
Figure FDA0003175112450000028
式中，Re{}、Im{}分别表示取实部、虚部。
8.根据权利要求7所述的数字中频信号快速基带化和降采样方法，其特征在于，
Figure FDA0003175112450000029
近似为：
Figure FDA00031751124500000210
Figure FDA00031751124500000211
的实部、虚部近似为：
I路：
Figure FDA00031751124500000212
Q路：
Figure FDA00031751124500000213
以上完成数字中频信号的快速基带化和选抽降采样。
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