中短波通信中多抽樣率信號處理分析論文

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1．中短波電臺的現狀及發展方向

1.1中短波電臺的現狀

中短波電臺在歷史上為保證航行安全做出了重要貢獻，至今仍承擔海上通信安全、遇險、救助等任務。目前在我國沿海有上海、廣州、天津、大連等電臺，它們的工作方式基本上是VHF，SSB，NBDP，Morse，覆蓋的頻段為400KHz到30MHz。由于各種通信技術的發展和應用，中短波通信受到越來越大的沖擊。不但它的應用范圍上有很大的局限性，而且更是由于中短波電臺系統大多采用模擬方式，它的抗干擾性差，不穩定性而產生的噪聲使它的通信質量難以得到保證。目前，通信數字化技術已相當成熟，基于這個技術本論文提出了中短波通信數字化的觀點。數字系統與模擬系統不同，它的特性不易隨使用條件的變化而變化，數字信號可以存儲，可以按照理論算法運算，可以獲得較高的指標。這些特點決定了中短波通信的噪聲可以通過數字化來解決。

1.2中短波電臺的發展方向

在我國不同區域、不同級別、不同用途、不同波段的無線電臺很多，無線電臺的這些特點，不但使相互間的聯合通信很困難，也給電臺的功能擴展增加了難度，同時更為重要的是，它使電臺無法適應新技術的飛速發展而及時更新換代。因此采用數字化技術，對來自天線射頻的信號直接進行采樣，以通用的數字信號處理器為硬件平臺，用軟件來完成無線電臺的所有功能，是無線電臺的發展方向。

根據我國的目前的情況，改造現有的模擬電臺具有非常重要的意義，因為它是使通信設備向小型化、模塊化、數字化和軟件化過度的一種切實可行的方法。對于短波無線電臺而言，隨著數字信號處理技術的發展和數字器件越來越多的應用到HF收發信機設備中，現有的HF收發信設備普遍采用微處理器作為電臺控制，有的采用了數字式頻率合成器，采用了數字式天線匹配器，有的還采用了數字信號處理器以實現自適應鏈路建立和抗干擾通信。

進入九十年代，國外的通信廠家推出的新型HF收發信設備，出現了數字化接收機，數字化發射激勵器、數字化電臺等設備。這類設備同以往設備的最大區別是采用數字信號處理技術代替了以往設備中與各種工作方式有關的模擬器件，這樣可以利用數字信號處理方面的許多優點，例如在模擬設備中的邊帶濾波器的群遲延特性在通帶范圍內是U型的，不是常數，而在數字信號處理中用FIR濾波器很容易實現群遲延特性為常數。

HF收發信設備數字化的實質是收發信設備中信道部分的數字化，它采用數字信號處理技術實現音頻與中頻之間的頻潛變換，涉及的內容主要有音頻處理，各種工作方式的調制/解調，中頻及射頻的自動增益控制/自動電平控制。

HF收發信設備信道數字化后，由于采用了大規模集成電路取代分立元件，用軟件實現濾波器等功能，簡化了硬件電路，同時提高了性能指標和可*性，也增加了電臺靈活性，為軟件無線電打下了基礎。

現有的模擬式HF收發信機設備均采用2至3個中頻，否則無法實現高的性能指標。理想的數字化方案應是*近天線的數字化，考慮到HF波段的特點和現有的技術，現在取消中頻直接在射頻上數字化在技術上是非常困難的，在目前是難以實現的，較好的數字化方案是應該在較適中的頻率上數字化。

收發信機普遍采用高中頻的方案：第一中頻在40MHz到100MHz之間，受到硬件技術發展水平的限制，在一中頻實現數字化是非常困難的，因此HF收發信機的數字化主要集中在9MHz、2.5MHz、500KHz、200KHz。

高于200KHz中頻的數字化通常只采用兩個中頻，而低于200KMz中頻的數字化往往要采用三個中頻。采用三個中頻的HF收發信設備較采用兩個中頻的HF收發信設備的硬件電路要復雜。在較低的中頻上數字化是采用三個中頻的主要原因，目前的技術在二中頻上實現數字化己經成熟，且在三中頻上數字化也沒有明顯的好處，所以新的數字化方案中避免在較低的中頻上數字化。

綜上所述，目前的HF收發信設備的數字化方案應采用雙中頻方案，在二中頻上實現數字化，二中頻的頻率應高于200KHz。在較高的中頻上實現數字化可以獲得較高的處理增益，達到較高的性能指標。

2．多級抽取數據處理原理

對于數字電視廣播信號反射回波的頻譜分布，我們只對其中心頻率附近可能出現的運動目標的一段頻譜感興趣，例如：由傳輸速率決定的數字電視廣播信號的頻譜寬度為432MHz，而實際目標可能覆蓋的頻段不會超過20kHz。如果對所有采樣點計算FFT，計算量非常大，且這樣的計算效率很低。如果采用信號抽取方法就可以做局部的譜分析，提高計算效率。實現局部頻譜分析的工作原理，如圖1所示。信號經過復調制，把要進行分析的一段頻譜（例如X0附近）搬移到零頻附近，然后進行MB1的抽取，這樣在較少的點數下做信號頻譜分析，達到細化頻譜的目的。

但是當抽取因子M很大時，一次抽取對濾波器的特性要求很高，為濾波器的設計帶來困難。如果采用多級采樣率變換來實現抽取，不但可以簡化濾波器的設計，而且可以進一步減少計算量和系統的存儲量。

3．多抽樣率數字信號處理技術

在一個信號處理系統中有時需要不同的抽樣率。這樣做的目的有時是為了系統中各處需要不同的抽樣率，以利于信號的處理、編碼、傳輸和存儲，有時是為了節省計算工作量。使抽樣率降低的抽樣率轉換稱為抽??；使抽樣率升高的抽樣率轉換稱為內插，抽取和內插是多抽樣率信號處理的基木環節。

3.1多抽樣率數字信號處理

實現多抽樣率變換的基本方法包括：整數抽取、整數內插、抽樣速率的有理數變換等。

（1）整數抽取

如圖2所示為整數抽取器的結構，其中為抗混疊低通濾波器，其理想頻域響應為：

（1）

設輸入信號的頻域響應為，通過計算可得輸出信號的頻域響應為

（2）

若滿足（1）式，則有。即整數抽取序列的數字譜是M個輸入序列經頻譜擴展（M倍）和周期移位后的迭加譜，提高了信號的頻域分辨率。

圖2整數抽取器的結構

（2）整數內插

如圖3所示為整數內插器的結構，其中為平滑低通濾波器，其理想頻域響應為：

（3）

圖3整數內插器的結構

設輸入信號的頻域響應為，通過計算可得輸出信號的頻域響應為

（4）

即整數內插序列的數字譜是輸入序列經L倍壓縮后的譜提高了信號的時域分辨率。

（3）抽樣速率的有理數變換

以上介紹的整數內插與抽取都屬于采樣速率的整數變換，將其推廣可得抽樣速率的有理數變換。有理數（L/M）倍的速率變換可以這樣來實現：首先通過L倍內插然后進行M倍抽取。其中為內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濾波器設計及實現

在多抽樣率系統中我們總是設法把乘法運算安排在低抽樣率的一側以使每秒鐘內的乘法次數（MPS）最少。但在抽取器和內插器中濾波的卷積運算都是在抽樣率較高的一側，例如實現抽取器的運算，如果先做抗混迭濾波的卷積計算然后抽取，則必然有很多計算工作是徒勞的，而且一個卷積運算又必須再在輸入信號的抽樣時間間隔內完成，這樣就使得每秒鐘的乘法次數很高。在實現多抽樣率系統時，FIR結構具有很大的優越性。一方面它絕對穩定的，并具有很容易做成線性相位的優點，另一方面也容易實現高效結構。

多抽樣率系統的實現一般有3種結構：直接實現、多相結構的實現、時變網絡的高效實現。在實際中應用廣泛的是多相結構的實現，同時在HSP50215、HSP50214中也主要使用這種方式。多抽樣率系統中的多相表示和整數倍內插器表示兩種方式。其中多相表示又稱為多相分解，是指將數字濾波器的轉移函數H（z）分解成若干個相位不同的組。通常，對于簡單整系數濾波器，在抽取系統中，當抽取因子D不恰好是2的冪，但包含多個二倍抽取器的級連，我們常常在抽取系統的第一級（或內插系統的最后一級）采用運算極為簡單的整系數濾波器，因為這種簡單的整系數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的第一級或內插系統的最后一級，其余各級則仍使用半帶濾波器。這是HSP502I4中CIC濾波器和半帶濾波器級連這種結構設計的依據。

（1）數字高通濾波器的設計

設采樣頻率為F=250Hz，為了減少孔徑誤差，其頻率穩定度遠遠高于電網頻率穩定度（由需要的處理精度確定）。其中對于孔徑誤差，它指因采樣頻率不穩定造成采樣脈沖未在預定時刻t0出現，而是在t0之前或之后出現，所采樣的值與實際t0時刻的值之差。其頻率穩定度為max[|f－f0|]/f0，式中f0為標準頻率，f為實際出現或允許出現的頻率，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）的長度，在計算機上調整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點單位抽樣響應g（n）=IDFT（Gd（k）），且g（n）對稱。

（2）由數字高通濾波器到多帶阻帶通濾波器

根據多抽樣率思想，對g（n）進行插值，每一個g（n）后面插入K－1個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）的長度為KN，K=F/50=5。

由多抽樣率理論很容易推導出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。

調整a1和a2的值，可達到阻帶寬度為0.36Hz時，衰減超過60dB；阻帶寬度為0.4Hz時，衰減超過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3dB。在直流附近，低于0.18Hz的信號將被濾掉，衰減大于60dB，大于0.8Hz的信號將得到保留，其衰減不超過3dB，在通帶內的紋波系數小于1.2%。

參考文獻：

1．宗孔德，《多抽樣信號處理》，清華大學出版社，2004

2．玉美、高西全、彭學愚，《數字信號處理》，西安電子科技大學出版社，2006

3．姚天任、孫洪，《現代數字信號處理》，華中科技大學出版社，2005

4．周浩敏，《信號處理技術基礎》，北京航空航天出版社，2001

摘要：本文在闡述中短波電臺的現狀及發展方向的基礎上，總結了多級抽取數據處理的原理，并從不同角度對多抽樣率數字信號處理技術進行了有意義的探討。

關鍵詞：中短波；多抽樣率；處理