文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190467
中文引用格式： 王洪梅，姚沖，王法廣，等. 三路帶通混疊信號數(shù)字接收機設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(8)：95-98，103.
英文引用格式： Wang Hongmei，Yao Chong，Wang Faguang，et al. Digital frontend design for three-bands aliasing RF signals[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(8)：95-98，103.
0 引言
如何對射頻(RF)信號進行數(shù)字化是軟件無線電(SDR)面臨的首要問題，即如何對感興趣的信號進行采樣[1]。帶通采樣可以使用比RF信號最高頻率低得多的采樣率，因此被廣泛用于SDR接收機中。隨著無線通信的發(fā)展，多頻段接收機[2-4]應(yīng)用更加廣泛。但是當接收到多頻信號時，多頻信號之間容易發(fā)生混疊。大多數(shù)研究人員通過選擇采樣頻率來避免混疊問題，這限制了采樣頻率的選擇[5-7]。二階帶通采樣(BPS)可以用來降低采樣率和處理混疊。對于二階BPS系統(tǒng)，大部分研究都基于正交信號處理來進行抗混疊。例如文獻[8]采樣后采用希爾伯特變換，而文獻[9]采用90°混合交叉信號進行采樣。在文獻[10]中，兩個采樣裝置產(chǎn)生90°的相位差。這些研究允許采樣系統(tǒng)使用較小的采樣頻率，但只能消除信號自身圖像的混疊，并不能處理兩個信號之間的混疊。改進的帶通采樣方法也可以實現(xiàn)對混疊信號的處理，但相應(yīng)的重構(gòu)算法較為復(fù)雜[11-13]。
在以前的工作中，二階BPS可調(diào)用延時來實現(xiàn)兩個重疊信號的接收[14]。本文提出延時可調(diào)的三階帶通采樣結(jié)構(gòu)用于處理3路帶通信號混疊問題。通過對三階帶通采樣信號頻譜的分析，根據(jù)3路采樣信號間相位差設(shè)計抗混疊濾波器，消除混疊信號，并通過仿真驗證系統(tǒng)性能。
1 三階BPS的結(jié)構(gòu)
假設(shè)帶通信號R(f)的帶寬限制為B，采樣率為fs=2B。定義信號位置索引n由式(1)表示，在索引位置n處的任意信號經(jīng)帶通采樣后都可以恢復(fù)到第一奈奎斯特區(qū)中，其中第一奈奎斯區(qū)域|f|<B是索引為零的頻率區(qū)。帶寬B意味著處理帶寬，即在該頻帶中可以存在多個的信號。
對于射頻信號經(jīng)帶通采樣后在同一頻域內(nèi)會引起三信號的混疊現(xiàn)象，設(shè)置三階抗混疊濾波器來處理。
三階BPS采樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
如圖2所示，具有頻譜R1(f)、R2(f)和R3(f)的3個RF信號S1、S2和S3，使用圖1的結(jié)構(gòu)進行三階BPS采樣。3個采樣通道分別表示為通道A、通道B和通道C，將通道A中的頻譜定義為：
在采樣通道B中，頻譜為：
在采樣通道C中，頻譜為：
其中，
頻譜如圖5所示。
2 抗混疊濾波器設(shè)計
在3個通道中分別定義抗混疊濾波器SA(f)、SB(f)和SC(f)，恢復(fù)信號的頻譜為：
負頻譜和正頻譜是對稱的，這里只討論正頻譜。使用式(3)和式(4)，式(6)和式(7)可以簡化為：
將式(8)更改為矩陣形式：
基于式(10)～式(12)，可以通過對其時域數(shù)據(jù)進行采樣作為FIR濾波器的系數(shù)來設(shè)計抗混疊濾波器。
由式(10)～式(12)可以看出，如果固定采樣頻率和三階帶通采樣間采樣延時，抗混疊濾波器只與信號位置索引n有關(guān)，因此對于不同位置的射頻信號，只需要調(diào)整濾波器中系數(shù)就可以實現(xiàn)抗混疊效果。
3 仿真結(jié)果
基于抗混疊算法的分析，在MATLAB中使用FDA工具設(shè)計了抗混疊濾波器。測試輸入3個信號S1、S2和S3，中心頻率分別為fc1=1.320 GHz、fc2=2.025 GHz和fc3=1.630 GHz。采樣頻率選取fs=100 MHz。通過信號位置索引的定義可以得到n1=13，n2=20，n3=16。3個信號的帶寬都為10 MHz。
在三階BPS之后，3個信號同時被接收，頻譜如圖6所示。在BPS之后，3個信號的中心頻率分別為20 MHz、25 MHz和30 MHz。從圖6可以看出，這3個帶通信號在采樣后相互重疊。
根據(jù)式(10)～式(12)，應(yīng)用三階BPS在采樣通道B和采樣通道C中添加時間延遲TΔ1=0.4×10-9 s、TΔ2=1.2×10-9 s來設(shè)計抗混疊濾波器，信號S1的頻譜恢復(fù)如圖7所示。即由信號S2和信號S3引起的混疊被抑制。
使用相同的方法設(shè)計抗混疊濾波器來恢復(fù)S2和S3，結(jié)果如圖8和圖9所示。從圖7～圖9可以看出，混疊均被抑制超過40 dBW。
4 重構(gòu)性能
對抗混疊處理后的信號進行下變頻及解調(diào)，圖10為中心頻率為1.32 GHz 時重構(gòu)信號的星座圖，可算出信噪比為34.399 dB。
為了進一步驗證其他頻率范圍內(nèi)的重構(gòu)性能，對頻率偏置位于0～50 MHz（0～fs/2）范圍內(nèi)的信號進行測試，以n=20為例，根據(jù)一系列實驗仿真結(jié)果得到相應(yīng)的抗混疊性能分析如圖11所示。結(jié)果表明接收信號信噪比在28 dB以上。
5 結(jié)論
本文基于BPS，給出了三階BPS的結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計抗混疊濾波器，可以分離出3個重疊的信號。仿真結(jié)果表明，設(shè)計的抗混疊濾波器可以有效消除其他兩種信號引起的混疊現(xiàn)象。從信號重建分析出其抗混疊性能很好。
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作者信息:
王洪梅，姚 沖，王法廣，李世銀，宋金玲
(中國礦業(yè)大學 信息與控制學院，江蘇 徐州221200)