CN117081596A - 一种基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法 - Google Patents

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周乃馨
陈世博
许慧雅
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Abstract

本发明公开了基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法，输入信号经过功分器同时进入M个通道，通过选择合适频率的正弦信号进行调制，使每个通道的输入信号产生不同程度的混叠，然后通过低通滤波器滤除掉混叠后的高频部分，以此来实现子带分解的过程；滤波后的信号经模数转换器采样后转变为数字信号，通过上采样和数字滤波提高采样率后，再通过傅里叶变换转换到频域进行数字处理；通过乘法、频谱镜像以及频谱相减等数字信号处理方法分离出每个子带的频谱，再将除基带外的高频子带通过数字上变频的方法搬移到其原始位置，再将所有子带相加，通过傅里叶反变换恢复出原始信号。

Description

一种基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法
技术领域
本发明属于数字信号处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，现代电子信号的传输速率已经迈入数十G甚至上百G的领域，为了捕获并对高速信号进行实时观测，高性能的数字化仪成为至关重要的测量设备。而组成数字化仪的核心器件模数转换器的采样速率和模拟输入带宽往往无法满足实际采集的需求，成为了阻碍高速数据采集系统发展的瓶颈。为此，诸多并行采集方案，如时间交织采样技术，频率交织采样技术被发明出来，用以提升采集系统的性能指标。而在上述并行采集方案中，时间交织采样技术虽然能够随着通道数的增加成倍的提高采集系统的采集速率，但是无法提高系统的模拟输入带宽的指标。频率交织采样技术则能够在提高系统采集速率的同时，接近成倍的提高系统的模拟输入带宽指标。
目前，基于频率交织采样技术发展出了许多采样架构，如数字带宽交替采样技术，频率转换混合架构，异步时间交织采样技术等，都是利用频率交织采样技术子带分解的特点，通过混频调制降低单个通道的输入信号带宽，来满足提升系统性能的需求，区别在于混频的方法和数字信号处理方法的不同。数字带宽交替采样技术采用一组模拟分析滤波器组来对输入信号进行子带分解，庞大且昂贵的模拟分析滤波器组成为限制其发展的瓶颈；频率转换混合架构采用一组正交信号对输入信号将进行子带分解，但这不可避免的引入了正交镜像误差；异步时间交织采样技术则是利用一组脉冲信号来对输入信号进行调制，这种结构对脉冲信号的要求极其严格，并且不易扩展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，降低模拟前端用于子带分解电路的复杂度，提供基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法，基于子带分解的原理，提高采集系统的采样速率和输入带宽。
为实现上述发明目的，本发明一种基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、正弦信号调制与子带混叠；
(1.1)、对于一个M通道的子带混叠采样架构，将模拟的输入信号通过功分器同时送入M个通道；其中，输入信号的带宽最大为M×B，M为通道数量，B为子带分解后每个子带的带宽；
(1.2)、在每个通道中，输入信号先输入至混频器，混频器以正弦信号作为本振信号对输入信号进行混频调制，得到每个通道的调制信号；每个通道的本振信号的频率为fk＝(k-1)×B，k为通道数编号，k＝1,2,…,M；
(2)、模拟低通滤波与信号采集；
每个通道的调制信号经过一个截至频率为B的模拟低通滤波器，将信号的高频部分滤除，只保留基带部分的信号频谱，其中，第一个通道的信号频谱仅为第一个子带的频谱，其余每个通道的信号频谱均为当前子带与前一个子带的混叠；滤波后的调制信号再送入ADC进行采样，得到每个通道的采样数字信号；
(3)、采样数字信号处理与信号重构
(3.1)、每个通道的采样数字信号先进行上采样，再过数字低通滤波器消除上采样引入的镜像谱，随后经过傅里叶变换得到M个通道的信号频谱；
(3.2)、记第一个通道的信号频谱为X1(f)＝U1(f)，其余每个通道的信号频谱为Xk(f)＝U(k-1)N(f)+UkP(f)，其中，UkP(f)表示第k个子带的频谱，U(k-1)N(f)表示第k-1个子带频谱的镜像；
将第二个通道的频谱减去第一个通道的频谱，得到第二个子带的信号频谱，以此类推，遍历每个子带，用第k个通道的频谱减去第k-1个子带的频谱，得到所有子带的信号频谱；
(3.3)、除第一个子带的信号频谱外，将其余子带的信号频谱分别进行数字上变频处理，然后再将每个子带的信号频谱进行数字滤波处理，滤除镜像频谱；
(3.4)、将所有子带频谱相加，得到重构输入信号的频谱，然后对频谱进行离散傅里叶反变换，恢复出原始输入信号。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法，输入信号经过功分器同时进入M个通道，通过选择合适频率的正弦信号进行调制，使每个通道的输入信号产生不同程度的混叠，然后通过低通滤波器滤除掉混叠后的高频部分，以此来实现子带分解的过程；滤波后的信号经模数转换器采样后转变为数字信号，通过上采样和数字滤波提高采样率后，再通过傅里叶变换转换到频域进行数字处理；通过乘法、频谱镜像以及频谱相减等数字信号处理方法分离出每个子带的频谱，再将除基带外的高频子带通过数字上变频的方法搬移到其原始位置，再将所有子带相加，通过傅里叶反变换恢复出原始信号。
同时，本发明基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法还具有以下
有益效果：
(1)、基于频率交织采样技术的子带分解特性，提出了一种子带混叠采样重构方法，该方法在成倍提高高速采集系统采样率的同时，成倍提高高速采集系统的输入带宽指标。
(2)、根据正弦信号调制的特性，使用不同频率的正弦信号对不同通道的信号进行调制混叠，再通过相同的低通滤波器实现子带分解的过程，而不需要额外的模拟分析滤波器组。在实现高性能指标的同时，降低了模拟前端硬件电路设计的复杂度。
(3)、分析了每个通道采样后的数字信号在频域上的关系，通过上采样、乘法、镜像、减法和上变频等数字处理方法即可恢复出原始信号的频谱，无需进行复杂的处理，降低数字端信号处理的复杂度。
附图说明
图1是本发明基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构原理图；
图2是子带混叠采样架构中各个通道的频谱分析示意图；
图3是子带混叠采样架构中各个通道的数字信号处理原理图；
图4是基于子带混叠采样架构的信号重构结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法，包括以下步骤：
S1、正弦信号调制与子带混叠；
S1.1、对于一个M通道的子带混叠采样架构，将模拟的输入信号通过功分器同时送入M个通道；其中，输入信号的带宽最大为M×B，M为通道数量，B为子带分解后每个子带的带宽；
S1.2、在每个通道中，输入信号先输入至混频器，如图2所示，在混频器中，以合适频率的正弦信号作为本振信号对输入信号进行混频调制，得到每个通道的调制信号；每个通道的本振信号的频率为fk＝(k-1)×B，k为通道数编号，k＝1,2,…,M；
在本实施例中，根据正弦信号的调制特性，将模拟输入信号的频谱向两侧搬移，搬移步进为载波频率的大小，过频谱搬移后，每个通道的信号频谱均为原始输入信号频谱的交错混叠，可在后续计算中恢复出每个子带的频谱。特别注意，第一个通道的输入信号无需调制，因此第一通道的模拟信号频谱不存在搬移及混叠。
S2、模拟低通滤波与信号采集；
每个通道的调制信号经过一个截至频率为B的模拟低通滤波器，将信号的高频部分滤除，只保留基带部分的信号频谱，如图2右边所示，其中，第一个通道的信号频谱仅为第一个子带的频谱，第k(k≥2)个通道的信号频谱为第k个子带与第k-1个子带的频谱镜像的混叠；滤波后的调制信号再送入ADC进行采样，得到每个通道的采样数字信号；
在本实施例中，设输入信号的频谱为那么经过模拟低通滤波器的滤波处理后每个通道的频谱表示为：
其中，Ω表示模拟角频率，Ωk表示每个通道经过调制后频域上搬移的步进，X(jΩ)表示原始信号频谱，H(jΩ)表示低通滤波器的频响。
在本实施例中，子带混叠采样架构中每个通道的低通滤波器性能指标均相同，因此，极大的降低了模拟通道的设计难度。此时，每个通道的信号频谱均为当前子带与前一个子带的混叠。其中，第一个通道的信号频谱仅为第一个子带的频谱部分，没有产生混叠。滤波后的信号送入ADC进行采样，理想条件下，每个通道的ADC的采集速率为模拟低通滤波器截至频率大小的两倍。
S3、采样数字信号处理与信号重构
S3.1、如图3所示，每个通道的采样数字信号先进行上采样，以满足系统的采样率需求；上采样在提高每个通道采样信号的采样率同时，还会引入镜像谱，此外数字信号经过上采样后会将子带频谱扩展至整个信号带宽内，在后续计算中不可避免的会产生混叠分量，因此我们采用数字低通滤波器消除上采样引入的镜像谱，随后经过傅里叶变换得到M个通道的信号频谱；
S3.2、由于第一个通道的信号频谱仅为第一个子带的频谱，没有产生混叠，记为X1(f)＝U1(f)，其余每个通道的信号频谱为Xk(f)＝U(k-1)N(f)+UkP(f)，其中，UkP(f)表示第k个子带的频谱，U(k-1)N(f)表示第k-1个子带频谱的镜像；
需要注意的是，由于正弦信号的调制特性，信号频谱处理向两侧搬移外，幅度还会变成原来的一半，因此在计算之前需要将除了第一通道频谱外的所有通道频谱乘以2，恢复原始幅度。
第一通道的频谱即为第一子带的频谱，将第二个通道的频谱减去第一通道频谱的镜像，即可得到第二子带的信号频谱；以此类推，遍历每个子带，用第k(k≥2)通道的频谱减去第k-1个子带频谱的镜像，即可得到第k个子带的频谱，由此可以得到所有子带的信号频谱；
其中，fliplr表示镜像计算，ω为数字角频率。
S3.3、除第一个子带的信号频谱外，将其余子带的信号频谱分别进行数字上变频处理，将信号频谱搬回其所属高频部分，由于上变频同时也会引入镜像谱，因此我们再次将每个子带的信号频谱进行数字滤波处理，滤除镜像频谱，最终得到每个通道的频谱为：
其中，ωk表示表示第k个通道上变频时频谱搬移的步进，Yk(ejω)表示每个通道数字处理后的频谱，Gk(ejω)表示数字滤波器的频响。
S3.4、将所有子带频谱相加，得到重构输入信号的频谱Y(ejω)，然后对频谱进行离散傅里叶反变换，恢复出原始输入信号；
实例仿真
在本实施例中，对一个四通道的子带混叠采集系统进行仿真，模拟输入信号的总带宽为200MHz，输入信号被分为4个子带，每个子带的带宽为50MHz。分别选择多音信号以及一个宽带信号作为测试信号。如图4右边所示，多音信号的频率分别位于每个子带内，分别为45、90、135、180MHz，频率幅度分别为1、0.7、0.5、0.3，图4右边上方为输入信号原始频谱，下方为本发明恢复出的频谱，根据比较可以看出该发明能够不失真的恢复出多音信号的原始频谱；如图4左边所示，宽带的信号的频段分别位于每两个子带的交叠处，宽带大小为10MHz。第二至第四通道的调制信号载波频率分别为50、100、150MHz；模拟低通滤波器的截止频率为50MHz，ADC的采集速率为100MSPS，图4左边上方为输入信号原始频谱，下方为本发明恢复出的频谱，根据比较可以看出该发明能够不失真的恢复出宽带信号的原始频谱；最终，系统的总采样率为400MSPS，对比单个ADC，信号输入带宽以及采样速率均提升了4倍。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、正弦信号调制与子带混叠；
(1.1)、对于一个M通道的子带混叠采样架构，将模拟的输入信号通过功分器同时送入M个通道；其中，输入信号的带宽最大为M×B，M为通道数量，B为子带分解后每个子带的带宽；
(1.2)、在每个通道中，输入信号先输入至混频器，混频器以正弦信号作为本振信号对输入信号进行混频调制，得到每个通道的调制信号；每个通道的本振信号的频率为fk＝(k-1)×B，k为通道数编号，k＝1,2,…,M；
(2)、模拟低通滤波与信号采集；
每个通道的调制信号经过一个截至频率为B的模拟低通滤波器，将信号的高频部分滤除，只保留基带部分的信号频谱，其中，第一个通道的信号频谱仅为第一个子带的频谱，其余每个通道的信号频谱均为当前子带与前一个子带的混叠；滤波后的调制信号再送入ADC进行采样，得到每个通道的采样数字信号；
(3)、采样数字信号处理与信号重构
(3.1)、每个通道的采样数字信号先进行上采样，再过数字低通滤波器消除上采样引入的镜像谱，随后经过傅里叶变换得到M个通道的信号频谱；
(3.2)、记第一个通道的信号频谱为X1(f)＝U1(f)，其余每个通道的信号频谱为Xk(f)＝U(k-1)N(f)+UkP(f)，其中，UkP(f)表示第k个子带的频谱，U(k-1)N(f)表示第k-1个子带频谱的镜像；
将第二个通道的频谱减去第一个通道的频谱，得到第二个子带的信号频谱，以此类推，遍历每个子带，用第k个通道的频谱减去第k-1个子带的频谱，得到所有子带的信号频谱；
(3.3)、除第一个子带的信号频谱外，将其余子带的信号频谱分别进行数字上变频处理，然后再将每个子带的信号频谱进行数字滤波处理，滤除镜像频谱；
(3.4)、将所有子带频谱相加，得到重构输入信号的频谱，然后对频谱进行离散傅里叶反变换，恢复出原始输入信号。
2.根据权利要求1所述的基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法，其特征在于，所述子带混叠采样架构中每个通道的模拟低通滤波器性能指标均相同。
3.根据权利要求1所述的基于频率交织采样技术的子带混叠采样重构方法，其特征在于，所述子带混叠采样架构中每个通道的ADC的采集速率为模拟低通滤波器的截至频率大小的两倍。
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