《电子技术应用》
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三路带通混叠信号数字接收机设计
2019年电子技术应用第8期
王洪梅,姚 冲,王法广,李世银,宋金玲
中国矿业大学 信息与控制学院,江苏 徐州221200
摘要: 为解决三路带通信号混叠问题,提出了一种延时可调的三阶带通采样结构,通过设计数字抗混叠滤波器,可实现对三路带通信号的无混叠接收。给出了仿真实现结果,并对信号进行重构,分析了抗混叠性能,三路带通信号经过抗混叠滤波器后,信号输出信噪比可在28 dB以上。该方法解决了带通采样中多信号混叠问题,增加了采样频率选择范围,可以减少硬件负担,提高了软件无线电的灵活性。
中图分类号: TN911.72
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190467
中文引用格式: 王洪梅,姚冲,王法广,等. 三路带通混叠信号数字接收机设计[J].电子技术应用,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.
Digital frontend design for three-bands aliasing RF signals
Wang Hongmei,Yao Chong,Wang Faguang,Li Shiyin,Song Jinling
School of Information and Control Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221200,China
Abstract: In order to solve the problem of three-band bandpass signal aliasing, a delay-adjustable third-order bandpass sampling structure is proposed. By designing a digital anti-aliasing filter, the alias-free reception of three-band bandpass signals can be realized. The simulation results are given, the signal is reconstructed and the anti-aliasing performance is analyzed. After the three-passband signal passes through the anti-aliasing filter, the signal output signal-to-noise ratio can be above 28 dB. This method solves the bandpass. The multi-signal aliasing problem in sampling increases the sampling frequency selection range, which reduces the hardware burden and improves the flexibility of the software radio.
Key words : bandpass sampling;multi-bandpass signal;digital receiver;anti-aliasing

0 引言

    如何对射频(RF)信号进行数字化是软件无线电(SDR)面临的首要问题,即如何对感兴趣的信号进行采样[1]带通采样可以使用比RF信号最高频率低得多的采样率,因此被广泛用于SDR接收机中。随着无线通信的发展,多频段接收机[2-4]应用更加广泛。但是当接收到多频信号时,多频信号之间容易发生混叠。大多数研究人员通过选择采样频率来避免混叠问题,这限制了采样频率的选择[5-7]。二阶带通采样(BPS)可以用来降低采样率和处理混叠。对于二阶BPS系统,大部分研究都基于正交信号处理来进行抗混叠。例如文献[8]采样后采用希尔伯特变换,而文献[9]采用90°混合交叉信号进行采样。在文献[10]中,两个采样装置产生90°的相位差。这些研究允许采样系统使用较小的采样频率,但只能消除信号自身图像的混叠,并不能处理两个信号之间的混叠。改进的带通采样方法也可以实现对混叠信号的处理,但相应的重构算法较为复杂[11-13]。 

    在以前的工作中,二阶BPS可调用延时来实现两个重叠信号的接收[14]。本文提出延时可调的三阶带通采样结构用于处理3路带通信号混叠问题。通过对三阶带通采样信号频谱的分析,根据3路采样信号间相位差设计抗混叠滤波器,消除混叠信号,并通过仿真验证系统性能。

1 三阶BPS的结构

    假设带通信号R(f)的带宽限制为B,采样率为fs=2B。定义信号位置索引n由式(1)表示,在索引位置n处的任意信号经带通采样后都可以恢复到第一奈奎斯特区中,其中第一奈奎斯区域|f|<B是索引为零的频率区。带宽B意味着处理带宽,即在该频带中可以存在多个的信号。

    tx1-gs1.gif

    对于射频信号经带通采样后在同一频域内会引起三信号的混叠现象,设置三阶抗混叠滤波器来处理。

    三阶BPS采样系统的结构如图1所示。

tx1-t1.gif

    如图2所示,具有频谱R1(f)、R2(f)和R3(f)的3个RF信号S1、S2和S3,使用图1的结构进行三阶BPS采样。3个采样通道分别表示为通道A、通道B和通道C,将通道A中的频谱定义为:

tx1-gs2.gif

tx1-t2.gif

tx1-t3.gif

    在采样通道B中,频谱为:

tx1-gs3.gif

tx1-t4.gif

    在采样通道C中,频谱为:

     tx1-gs4.gif

其中,tx1-gs4-x1.gif频谱如图5所示。

tx1-t5.gif

2 抗混叠滤波器设计

    在3个通道中分别定义抗混叠滤波器SA(f)、SB(f)和SC(f),恢复信号的频谱为:

     tx1-gs5-7.gif

    负频谱和正频谱是对称的,这里只讨论正频谱。使用式(3)和式(4),式(6)和式(7)可以简化为:

     tx1-gs8.gif

    将式(8)更改为矩阵形式:

tx1-gs9-13.gif

    基于式(10)~式(12),可以通过对其时域数据进行采样作为FIR滤波器的系数来设计抗混叠滤波器。

    由式(10)~式(12)可以看出,如果固定采样频率和三阶带通采样间采样延时,抗混叠滤波器只与信号位置索引n有关,因此对于不同位置的射频信号,只需要调整滤波器中系数就可以实现抗混叠效果。

3 仿真结果

    基于抗混叠算法的分析,在MATLAB中使用FDA工具设计了抗混叠滤波器。测试输入3个信号S1、S2和S3,中心频率分别为fc1=1.320 GHz、fc2=2.025 GHz和fc3=1.630 GHz。采样频率选取fs=100 MHz。通过信号位置索引的定义可以得到n1=13,n2=20,n3=16。3个信号的带宽都为10 MHz。

    在三阶BPS之后,3个信号同时被接收,频谱如图6所示。在BPS之后,3个信号的中心频率分别为20 MHz、25 MHz和30 MHz。从图6可以看出,这3个带通信号在采样后相互重叠。

tx1-t6.gif

    根据式(10)~式(12),应用三阶BPS在采样通道B和采样通道C中添加时间延迟TΔ1=0.4×10-9 s、TΔ2=1.2×10-9 s来设计抗混叠滤波器,信号S1的频谱恢复如图7所示。即由信号S2和信号S3引起的混叠被抑制。

tx1-t7.gif

    使用相同的方法设计抗混叠滤波器来恢复S2和S3,结果如图8和图9所示。从图7~图9可以看出,混叠均被抑制超过40 dBW。

tx1-t8.gif

tx1-t9.gif

4 重构性能

    对抗混叠处理后的信号进行下变频及解调,图10为中心频率为1。32 GHz 时重构信号的星座图,可算出信噪比为34。399 dB。

tx1-t10.gif

    为了进一步验证其他频率范围内的重构性能,对频率偏置位于0~50 MHz(0~fs/2)范围内的信号进行测试,以n=20为例,根据一系列实验仿真结果得到相应的抗混叠性能分析如图11所示。结果表明接收信号信噪比在28 dB以上。

tx1-t11.gif

5 结论

    本文基于BPS,给出了三阶BPS的结构。通过设计抗混叠滤波器,可以分离出3个重叠的信号。仿真结果表明,设计的抗混叠滤波器可以有效消除其他两种信号引起的混叠现象。从信号重建分析出其抗混叠性能很好。

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[14] Wang Hongmei,Yao Chong,Wang Faguang,et al.Multistandard receiver design for telemedicine monitoring system[J].Journal of Sensors,2018(4):1-8.



作者信息:

王洪梅,姚  冲,王法广,李世银,宋金玲

(中国矿业大学 信息与控制学院,江苏 徐州221200)

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