導(dǎo)語(yǔ)：中短波通信中多抽樣率信號(hào)處理分析論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1．中短波電臺(tái)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

1.1中短波電臺(tái)的現(xiàn)狀

中短波電臺(tái)在歷史上為保證航行安全做出了重要貢獻(xiàn)，至今仍承擔(dān)海上通信安全、遇險(xiǎn)、救助等任務(wù)。目前在我國(guó)沿海有上海、廣州、天津、大連等電臺(tái)，它們的工作方式基本上是VHF，SSB，NBDP，Morse，覆蓋的頻段為400KHz到30MHz。由于各種通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，中短波通信受到越來(lái)越大的沖擊。不但它的應(yīng)用范圍上有很大的局限性，而且更是由于中短波電臺(tái)系統(tǒng)大多采用模擬方式，它的抗干擾性差，不穩(wěn)定性而產(chǎn)生的噪聲使它的通信質(zhì)量難以得到保證。目前，通信數(shù)字化技術(shù)已相當(dāng)成熟，基于這個(gè)技術(shù)本論文提出了中短波通信數(shù)字化的觀點(diǎn)。數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)不同，它的特性不易隨使用條件的變化而變化，數(shù)字信號(hào)可以存儲(chǔ)，可以按照理論算法運(yùn)算，可以獲得較高的指標(biāo)。這些特點(diǎn)決定了中短波通信的噪聲可以通過(guò)數(shù)字化來(lái)解決。

1.2中短波電臺(tái)的發(fā)展方向

在我國(guó)不同區(qū)域、不同級(jí)別、不同用途、不同波段的無(wú)線電臺(tái)很多，無(wú)線電臺(tái)的這些特點(diǎn)，不但使相互間的聯(lián)合通信很困難，也給電臺(tái)的功能擴(kuò)展增加了難度，同時(shí)更為重要的是，它使電臺(tái)無(wú)法適應(yīng)新技術(shù)的飛速發(fā)展而及時(shí)更新?lián)Q代。因此采用數(shù)字化技術(shù)，對(duì)來(lái)自天線射頻的信號(hào)直接進(jìn)行采樣，以通用的數(shù)字信號(hào)處理器為硬件平臺(tái)，用軟件來(lái)完成無(wú)線電臺(tái)的所有功能，是無(wú)線電臺(tái)的發(fā)展方向。

根據(jù)我國(guó)的目前的情況，改造現(xiàn)有的模擬電臺(tái)具有非常重要的意義，因?yàn)樗鞘雇ㄐ旁O(shè)備向小型化、模塊化、數(shù)字化和軟件化過(guò)度的一種切實(shí)可行的方法。對(duì)于短波無(wú)線電臺(tái)而言，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字器件越來(lái)越多的應(yīng)用到HF收發(fā)信機(jī)設(shè)備中，現(xiàn)有的HF收發(fā)信設(shè)備普遍采用微處理器作為電臺(tái)控制，有的采用了數(shù)字式頻率合成器，采用了數(shù)字式天線匹配器，有的還采用了數(shù)字信號(hào)處理器以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)鏈路建立和抗干擾通信。

進(jìn)入九十年代，國(guó)外的通信廠家推出的新型HF收發(fā)信設(shè)備，出現(xiàn)了數(shù)字化接收機(jī)，數(shù)字化發(fā)射激勵(lì)器、數(shù)字化電臺(tái)等設(shè)備。這類設(shè)備同以往設(shè)備的最大區(qū)別是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)代替了以往設(shè)備中與各種工作方式有關(guān)的模擬器件，這樣可以利用數(shù)字信號(hào)處理方面的許多優(yōu)點(diǎn)，例如在模擬設(shè)備中的邊帶濾波器的群遲延特性在通帶范圍內(nèi)是U型的，不是常數(shù)，而在數(shù)字信號(hào)處理中用FIR濾波器很容易實(shí)現(xiàn)群遲延特性為常數(shù)。

HF收發(fā)信設(shè)備數(shù)字化的實(shí)質(zhì)是收發(fā)信設(shè)備中信道部分的數(shù)字化，它采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)音頻與中頻之間的頻潛變換，涉及的內(nèi)容主要有音頻處理，各種工作方式的調(diào)制/解調(diào)，中頻及射頻的自動(dòng)增益控制/自動(dòng)電平控制。

HF收發(fā)信設(shè)備信道數(shù)字化后，由于采用了大規(guī)模集成電路取代分立元件，用軟件實(shí)現(xiàn)濾波器等功能，簡(jiǎn)化了硬件電路，同時(shí)提高了性能指標(biāo)和可*性，也增加了電臺(tái)靈活性，為軟件無(wú)線電打下了基礎(chǔ)。

現(xiàn)有的模擬式HF收發(fā)信機(jī)設(shè)備均采用2至3個(gè)中頻，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)高的性能指標(biāo)。理想的數(shù)字化方案應(yīng)是*近天線的數(shù)字化，考慮到HF波段的特點(diǎn)和現(xiàn)有的技術(shù)，現(xiàn)在取消中頻直接在射頻上數(shù)字化在技術(shù)上是非常困難的，在目前是難以實(shí)現(xiàn)的，較好的數(shù)字化方案是應(yīng)該在較適中的頻率上數(shù)字化。

收發(fā)信機(jī)普遍采用高中頻的方案：第一中頻在40MHz到100MHz之間，受到硬件技術(shù)發(fā)展水平的限制，在一中頻實(shí)現(xiàn)數(shù)字化是非常困難的，因此HF收發(fā)信機(jī)的數(shù)字化主要集中在9MHz、2.5MHz、500KHz、200KHz。

高于200KHz中頻的數(shù)字化通常只采用兩個(gè)中頻，而低于200KMz中頻的數(shù)字化往往要采用三個(gè)中頻。采用三個(gè)中頻的HF收發(fā)信設(shè)備較采用兩個(gè)中頻的HF收發(fā)信設(shè)備的硬件電路要復(fù)雜。在較低的中頻上數(shù)字化是采用三個(gè)中頻的主要原因，目前的技術(shù)在二中頻上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化己經(jīng)成熟，且在三中頻上數(shù)字化也沒(méi)有明顯的好處，所以新的數(shù)字化方案中避免在較低的中頻上數(shù)字化。

綜上所述，目前的HF收發(fā)信設(shè)備的數(shù)字化方案應(yīng)采用雙中頻方案，在二中頻上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，二中頻的頻率應(yīng)高于200KHz。在較高的中頻上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化可以獲得較高的處理增益，達(dá)到較高的性能指標(biāo)。

2．多級(jí)抽取數(shù)據(jù)處理原理

對(duì)于數(shù)字電視廣播信號(hào)反射回波的頻譜分布，我們只對(duì)其中心頻率附近可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的一段頻譜感興趣，例如：由傳輸速率決定的數(shù)字電視廣播信號(hào)的頻譜寬度為432MHz，而實(shí)際目標(biāo)可能覆蓋的頻段不會(huì)超過(guò)20kHz。如果對(duì)所有采樣點(diǎn)計(jì)算FFT，計(jì)算量非常大，且這樣的計(jì)算效率很低。如果采用信號(hào)抽取方法就可以做局部的譜分析，提高計(jì)算效率。實(shí)現(xiàn)局部頻譜分析的工作原理，如圖1所示。信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)調(diào)制，把要進(jìn)行分析的一段頻譜（例如X0附近）搬移到零頻附近，然后進(jìn)行MB1的抽取，這樣在較少的點(diǎn)數(shù)下做信號(hào)頻譜分析，達(dá)到細(xì)化頻譜的目的。

但是當(dāng)抽取因子M很大時(shí)，一次抽取對(duì)濾波器的特性要求很高，為濾波器的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。如果采用多級(jí)采樣率變換來(lái)實(shí)現(xiàn)抽取，不但可以簡(jiǎn)化濾波器的設(shè)計(jì)，而且可以進(jìn)一步減少計(jì)算量和系統(tǒng)的存儲(chǔ)量。

3．多抽樣率數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

在一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)中有時(shí)需要不同的抽樣率。這樣做的目的有時(shí)是為了系統(tǒng)中各處需要不同的抽樣率，以利于信號(hào)的處理、編碼、傳輸和存儲(chǔ)，有時(shí)是為了節(jié)省計(jì)算工作量。使抽樣率降低的抽樣率轉(zhuǎn)換稱為抽取；使抽樣率升高的抽樣率轉(zhuǎn)換稱為內(nèi)插，抽取和內(nèi)插是多抽樣率信號(hào)處理的基木環(huán)節(jié)。

3.1多抽樣率數(shù)字信號(hào)處理

實(shí)現(xiàn)多抽樣率變換的基本方法包括：整數(shù)抽取、整數(shù)內(nèi)插、抽樣速率的有理數(shù)變換等。

（1）整數(shù)抽取

如圖2所示為整數(shù)抽取器的結(jié)構(gòu)，其中為抗混疊低通濾波器，其理想頻域響應(yīng)為：

（1）

設(shè)輸入信號(hào)的頻域響應(yīng)為，通過(guò)計(jì)算可得輸出信號(hào)的頻域響應(yīng)為

（2）

若滿足（1）式，則有。即整數(shù)抽取序列的數(shù)字譜是M個(gè)輸入序列經(jīng)頻譜擴(kuò)展（M倍）和周期移位后的迭加譜，提高了信號(hào)的頻域分辨率。

圖2整數(shù)抽取器的結(jié)構(gòu)

（2）整數(shù)內(nèi)插

如圖3所示為整數(shù)內(nèi)插器的結(jié)構(gòu)，其中為平滑低通濾波器，其理想頻域響應(yīng)為：

（3）

圖3整數(shù)內(nèi)插器的結(jié)構(gòu)

設(shè)輸入信號(hào)的頻域響應(yīng)為，通過(guò)計(jì)算可得輸出信號(hào)的頻域響應(yīng)為

（4）

即整數(shù)內(nèi)插序列的數(shù)字譜是輸入序列經(jīng)L倍壓縮后的譜提高了信號(hào)的時(shí)域分辨率。

（3）抽樣速率的有理數(shù)變換

以上介紹的整數(shù)內(nèi)插與抽取都屬于采樣速率的整數(shù)變換，將其推廣可得抽樣速率的有理數(shù)變換。有理數(shù)（L/M）倍的速率變換可以這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先通過(guò)L倍內(nèi)插然后進(jìn)行M倍抽取。其中為內(nèi)插低通濾波器與抽取低通濾波器合二為一，滿足下式，式中

（5）

3.2濾波器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

在多抽樣率系統(tǒng)中我們總是設(shè)法把乘法運(yùn)算安排在低抽樣率的一側(cè)以使每秒鐘內(nèi)的乘法次數(shù)（MPS）最少。但在抽取器和內(nèi)插器中濾波的卷積運(yùn)算都是在抽樣率較高的一側(cè)，例如實(shí)現(xiàn)抽取器的運(yùn)算，如果先做抗混迭濾波的卷積計(jì)算然后抽取，則必然有很多計(jì)算工作是徒勞的，而且一個(gè)卷積運(yùn)算又必須再在輸入信號(hào)的抽樣時(shí)間間隔內(nèi)完成，這樣就使得每秒鐘的乘法次數(shù)很高。在實(shí)現(xiàn)多抽樣率系統(tǒng)時(shí)，F(xiàn)IR結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)越性。一方面它絕對(duì)穩(wěn)定的，并具有很容易做成線性相位的優(yōu)點(diǎn)，另一方面也容易實(shí)現(xiàn)高效結(jié)構(gòu)。

多抽樣率系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)一般有3種結(jié)構(gòu)：直接實(shí)現(xiàn)、多相結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)、時(shí)變網(wǎng)絡(luò)的高效實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際中應(yīng)用廣泛的是多相結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在HSP50215、HSP50214中也主要使用這種方式。多抽樣率系統(tǒng)中的多相表示和整數(shù)倍內(nèi)插器表示兩種方式。其中多相表示又稱為多相分解，是指將數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)H（z）分解成若干個(gè)相位不同的組。通常，對(duì)于簡(jiǎn)單整系數(shù)濾波器，在抽取系統(tǒng)中，當(dāng)抽取因子D不恰好是2的冪，但包含多個(gè)二倍抽取器的級(jí)連，我們常常在抽取系統(tǒng)的第一級(jí)（或內(nèi)插系統(tǒng)的最后一級(jí)）采用運(yùn)算極為簡(jiǎn)單的整系數(shù)濾波器，因?yàn)檫@種簡(jiǎn)單的整系數(shù)濾波器的的低通濾波性能并不很好，所以它只用于抽取系統(tǒng)的第一級(jí)或內(nèi)插系統(tǒng)的最后一級(jí)，其余各級(jí)則仍使用半帶濾波器。這是HSP502I4中CIC濾波器和半帶濾波器級(jí)連這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

（1）數(shù)字高通濾波器的設(shè)計(jì)

設(shè)采樣頻率為F=250Hz，為了減少孔徑誤差，其頻率穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率穩(wěn)定度（由需要的處理精度確定）。其中對(duì)于孔徑誤差，它指因采樣頻率不穩(wěn)定造成采樣脈沖未在預(yù)定時(shí)刻t0出現(xiàn)，而是在t0之前或之后出現(xiàn)，所采樣的值與實(shí)際t0時(shí)刻的值之差。其頻率穩(wěn)定度為max[|f－f0|]/f0，式中f0為標(biāo)準(zhǔn)頻率，f為實(shí)際出現(xiàn)或允許出現(xiàn)的頻率，且N=125，其中：

|Gd（k）|=[0，a1，a2，1，…，1，a2，a1]（6）

Gd（k）=exp（－jkpi（N－1）/N）k=0，1，2，…，N－1（7）

式中N為Gd（k）的長(zhǎng)度，在計(jì)算機(jī)上調(diào)整a1和a2，可改變高通濾波器的頻率特性。由傅里葉反變換可求得其N點(diǎn)單位抽樣響應(yīng)g（n）=IDFT（Gd（k）），且g（n）對(duì)稱。

（2）由數(shù)字高通濾波器到多帶阻帶通濾波器

根據(jù)多抽樣率思想，對(duì)g（n）進(jìn)行插值，每一個(gè)g（n）后面插入K－1個(gè)0，令h（n）=g（n/K），n=0，K，2K，3K，…，（N－1）K；h（n）=0，n=其他。并取h（n）的長(zhǎng)度為KN，K=F/50=5。

由多抽樣率理論很容易推導(dǎo)出h（n）的頻譜將是g（n）的頻譜的K倍壓縮。在matlab上仿真，由h（n）的頻譜圖可以看出，其阻帶中心頻率在0Hz，50Hz，100Hz，150Hz，200Hz處。

調(diào)整a1和a2的值，可達(dá)到阻帶寬度為0.36Hz時(shí)，衰減超過(guò)60dB；阻帶寬度為0.4Hz時(shí)，衰減超過(guò)52dB；通帶下限頻率（或上限頻率）與阻帶中心頻率的差為2（F/N）/（F/50）=2×50/N=0.8Hz，通帶減不超過(guò)3dB。在直流附近，低于0.18Hz的信號(hào)將被濾掉，衰減大于60dB，大于0.8Hz的信號(hào)將得到保留，其衰減不超過(guò)3dB，在通帶內(nèi)的紋波系數(shù)小于1.2%。

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4．周浩敏，《信號(hào)處理技術(shù)基礎(chǔ)》，北京航空航天出版社，2001

摘要：本文在闡述中短波電臺(tái)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向的基礎(chǔ)上，總結(jié)了多級(jí)抽取數(shù)據(jù)處理的原理，并從不同角度對(duì)多抽樣率數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行了有意義的探討。

關(guān)鍵詞：中短波；多抽樣率；處理