一种应用于带通采样的三路信号混叠处理方法
阅读说明：本技术 一种应用于带通采样的三路信号混叠处理方法 (Three-path signal aliasing processing method applied to band-pass sampling ) 是由 王洪梅 王法广 李世银 樊佳恒 姚冲 于 2019-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种应用于带通采样的三路信号混叠处理方法,用于对多频段射频带通信号进行采样、分离处理,对待处理的多频段射频带通信号通过采样流进行三阶带通采样,设置采样频率,使得采样后在同一频域内允许三个信号发生混叠；在采样流间引入延时差,形成具有相位差的采样后信号,根据相位差设计抗混叠滤波器,从而有效消除由其他两种信号引起的混叠现象。通过采用该方法,使用固定的采样频率就可以实现任意位信号的无混叠接收,在接收过程中不需要针对不同位置信号频繁的变更采样频率,简化了模拟前端。(The invention provides a three-path signal aliasing processing method applied to band-pass sampling, which is used for sampling and separating multi-band radio frequency band signals, carrying out three-order band-pass sampling on the multi-band radio frequency band signals to be processed through a sampling stream, and setting sampling frequency, so that three signals are allowed to be aliased in the same frequency domain after sampling; delay difference is introduced between sampling streams to form sampled signals with phase difference, and an anti-aliasing filter is designed according to the phase difference, so that aliasing caused by other two signals is effectively eliminated. By adopting the method, the non-aliasing reception of any bit signal can be realized by using the fixed sampling frequency, the sampling frequency does not need to be changed frequently aiming at signals at different positions in the receiving process, and the analog front end is simplified.)
技术领域
本发明涉及软件无线电信号接收领域，尤其是一种应用于带通采样的三路信号混叠处理方法。
背景技术
软件无线电作为一种无线通信的实现方法与手段，已被广泛应用于无线通信特别是4G通信中。软件无线电的核心思想是使尽可能多的功能应用软件实现，尽可能简化模拟部分，因此软件无线电对射频信号的处理要求具有较高的采样速率和精度，带通采样定理的应用可以大大降低所需的射频采样速率，为后面的实时处理奠定了基础。带通采样理论最早由R.G.Vaughan在1991年提出的，近年来由于AD采样技术的发展，采样速率和精度不断提高，带通采样成为实现软件无线电的有力理论支撑。但是现有软件无线电平台应用带通采样理论的并不多，以现在常用的软件无线电通用外设(USRP)为例，采用的是零中频采样方式，采样器的硬件设计部分较为复杂。并且在数字信号处理部分只是做了传统的数字下变频等工作，并没有进行抗混叠滤波器的设计，无法对带有混叠的多带通信号进行接收，限制了软件无线电的通用性。
软件无线电最早被提出是为了解决三军联合作战时军事通信的互通互联问题，目前已从军事领域发展到电子战、雷达、卫星以及现代移动等各个领域。在军事和商业应用中，往往需要同时处理不同频带上的多个射频信号，选择合适的采样频率是接收多频带信号的一个难点。大多数学者在处理多频段信号时，主要考虑在频谱不发生混叠的前提下，选择尽可能低的采样频率以减轻后端数字处理的负担。很多学者也致力于寻找新的算法来简化频率选择过程，但是，这些方法为避免产生混叠必然会限制采样频率的选择，同时繁琐的计算过程也增加了实现的难度，而且采样频率越低采样精度对前置模拟RF带通滤波器的要求也越高，所以一味的追求低的采样频率并不是最优的方法。随着ADC等硬件的发展以及计算机处理能力的增强，能够容许更高的采样频率。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种应用于带通采样的三路信号混叠处理方法，实现了软件无线电对多带通信号无混叠接收的要求。具体的，用具有可调时间延迟的三阶带通采样来实现三路混叠信号的接收。
技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：一种应用于带通采样的三路信号混叠处理方法，该方法同时接收不同频带上的多个射频带通信号，对多频段带通信号进行先采样、后分离处理，允许采样后在同一频段内有三个带通信号的频谱发生重叠；
该方法包括步骤：
(1)对待处理的多频段射频带通信号通过采样流进行三阶带通采样，设置采样频率，使得采样后在同一频域内允许三路信号发生混叠；
(2)若采样后的信号没有发生混叠，则对采样后的信号进行下变频转化为基带信号，并将多频段带通信号中的每个信号逐一分离；若采样后在同一频域内有三路信号发生混叠，进入步骤(3)；
(3)针对在同一频域内发生混叠的三个信号设计抗混叠滤波器：
定义三路射频信号S1，S2和S3，通过三阶带通采样后发生混叠分别有频谱R1(f)，R2(f)和R3(f)，三个采样信道表示为信道A，信道B和信道C，三个信号经过第一采样流采样后的频谱为RA(f)，经过第二采样流采样后的频谱为RB(f)，经过第三采样流采样后的频谱为RC(f)。RA(f)，RB(f)和RC(f)满足关系：
式中，n1，n2和n3分别为S1，S2和S3在频率区域中的位置索引值；
在三个通道中分别设计抗混叠滤波器SA(f)，SB(f)和SC(f)，恢复信号的频谱为：
为了消除信号S2和S3，抗混叠滤波器应该满足：
并且
负频谱和正频谱是对称的，这里我们只讨论正频谱。根据(2)(3)，式(5)(6)可以简化为：
(4)将三路混叠信号经过SA(f)，SB(f)和SC(f)滤波处理，结合时域数据作为FIR滤波器的系数，实现信号的分离；
(5)在步骤(4)对三个信号进行抗混叠处理后，对分离后的三个信号分别进行下变频处理，转化为基带信号。
具体的，所述多频段带通信号为：在采样前频谱互不重叠的多个带通信号。
进一步的，假设主带通信号R(f)的带宽限制为B，并且采样率为fs＝2B。由n表示的索引n的频率区中的任何信号被混叠到第一奈奎斯特区中，其中第一奈奎斯特区是索引为零的频率区|f|＜B。注意，带宽B意味着处理带宽，所述步骤(1)中三阶带通采样的采样频率满足以下条件：
(n-1/2)fs＜|f|＜(n+1/2)fs (8)
即，在该频带中可以存在多于一个的信号。
进一步的，所述步骤(3)中SA(f)、SB(f)和SC(f)的表达式为：
这里，
有益效果：与现有软件无线电信号接收技术相比，本发明具有以下优势：由于采用了三阶带通采样技术，实现了软件无线电中对多带通信号的无混叠接收。使用固定的采样频率就可以实现任意位信号的无混叠接收，在接收过程中不需要针对不同位置信号频繁的变更采样频率，简化了模拟前端。针对不同位置信号只要实时调整抗混叠滤波器的参数就可以实现信号分离，不需要更改硬件，提高了软件无线电的通用性和灵活性。
附图说明
图1为本发明的实施例的内部原理图；
图2为本发明实施例中软件无线电信号接收装置的功能模块结构图；
图3为本发明实施例中三阶带通采样信道A中的信号频谱图；
图4为本发明实施例中三阶带通采样信道B中的信号频谱图；
图5为本发明实施例中三阶带通采样信道C中的信号频谱图；
具体实施方式
假设待采样的射频带通信号为R(f)，其带宽为B。采用采样频率fs为fs＝2B。所有在以下频率区域内的信号都定义为索引为n的信号，我们定义n为位置索引：
(n-1/2)fs＜|f|＜(n+1/2)fs
经过带通采样，所有索引为n的信号会映射到频率范围-B＜f＜B内。根据带通采样原理，任意位置的带通信号都可以恢复在0＜f＜B内。但是，对于位于不同索引位置的多带通信号，经过带通采样后在0＜f＜B内可能会产生重叠。现有技术在处理多频段信号时，主要考虑在频谱不发生混叠的前提下，选择尽可能低的采样频率以减轻后端数字处理的负担。很多学者也致力于寻找新的算法来简化频率选择过程，但是，这些方法以避免产生混叠为前提，必然会限制采样频率的选择，同时繁琐的计算过程也增加了实现的难度，而且采样频率越低采样精度对前置模拟RF带通滤波器的要求也越高。
为解决上述技术问题，本发明提出一种软件无线电多带通信号接收方法，同时接收不同频带上的多个射频带通信号，对多频段带通信号进行先采样、后分离处理，允许采样后在同一频段内有三个带通信号的频谱发生重叠，能够减轻模拟前端的负担，该方法包括步骤：
(1)对待处理的多频段射频带通信号通过采样流进行三阶带通采样，设置采样频率，使得采样后在同一频域内允许三个信号发生混叠；
(2)若采样后的信号没有发生混叠，则对采样后的信号进行下变频转化为基带信号，并将多频段带通信号中的每个信号逐一分离；若采样后在同一频域内有两个信号发生混叠，则进入步骤(3)；
(3)针对在同一频域内发生混叠的三路信号设计抗混叠滤波器：
定义三路射频信号S1，S2和S3，通过三阶带通采样后发生混叠分别有频谱R1(f)，R2(f)和R3(f)，三个采样信道表示为信道A，信道B和信道C，三个信号经过第一采样流采样后的频谱为RA(f)，经过第二采样流采样后的频谱为RB(f)，经过第三采样流采样后的频谱为RC(f)。RA(f)，RB(f)和RC(f)满足关系：
式中，n1，n2和n3分别为S1，S2和S3在频率区域中的位置索引值；
在三个通道中分别设计抗混叠滤波器SA(f)，SB(f)和SC(f)，恢复信号的频谱为：
为了消除信号S2和S3，抗混叠滤波器应该满足：
并且
负频谱和正频谱是对称的，这里我们只讨论正频谱。可得：
(4)将三路混叠信号经过SA(f)，SB(f)和SC(f)滤波处理，结合时域数据作为FIR滤波器的系数，实现信号的分离；
(5)在步骤(4)对三个信号进行抗混叠处理后，对分离后的三个信号分别进行下变频处理，转化为基带信号。
为了充分、清楚的说明本发明的技术方案，下面结合具体实施例和附图对本发明作更进一步的说明。
实施例：为实现上述技术方案，本实施例设计一个用于实现该方案的软件无线电多带通信号接收装置，该装置的结构框图如图2所示，包括：射频前端模块，带通采样模块、抗混叠滤波器、基带处理模块和时钟发生器；该装置实施上述技术方案的内部原理图如图1所示。射频前端模块接收外部设备发出的多频段射频带通信号，并将多频段射频带通信号发送给带通采样模块进行采样。应用三个ADC(ADCA，ADCB和ADCC)和时钟发生器组成带通采样系统，时钟发生器为ADCB和ADCC提供时间延时，采样后信号送入FPGA进行中频处理，本实施例中通过FPGA实现抗混叠滤波器、数字下变频以及下变频后信号的并串转换。
带通采样模块得到的三路数字信号经过在FPGA内设计的抗混叠滤波器实现消除混叠处理。抗混叠滤波器设计原理如下：
定义三路射频信号S1，S2和S3，通过三阶带通采样后发生混叠分别有频谱R1(f)，R2(f)和R3(f)，三个采样信道表示为信道A，信道B和信道C，三个信号经过第一采样流采样后的频谱为RA(f)，经过第二采样流采样后的频谱为RB(f)，经过第三采样流采样后的频谱为RC(f)。RA(f)，RB(f)和RC(f)满足关系：
式中，n1，n2和n3分别为S1，S2和S3在频率区域中的位置索引值；
在三个通道中分别设计抗混叠滤波器SA(f)，SB(f)和SC(f)，恢复信号的频谱为：
为了消除信号S2和S3，抗混叠滤波器应该满足：
并且
负频谱和正频谱是对称的，这里我们只讨论正频谱。根据(2)(3)，式(5)(6)可以简化为：
进一步的，求得SA(f)、SB(f)和SC(f)的表达式为：
在设计抗混叠滤波器时，通过加入群延时补偿，选取较大的时间延时使抗混叠效果更优。同时本发明采用幅值补偿的办法对处于不同位置的信号输出幅值进行补偿，以使输出增益保持在1左右。解决了因输入信号位置差值的不同对抗混叠性能产生的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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