內(nèi)插和數(shù)字上變頻技術(shù)(07-100)

　　重復(fù)采樣也會(huì)引起在較高頻率處的失真。采用此方法，預(yù)濾波的信號(hào)包含集中在原取樣率倍數(shù)的圖像。在10MHz內(nèi)插一個(gè)正弦信號(hào)時(shí)，則這些圖像發(fā)生在90MHz，110MHz，190MHz等頻率。同樣，這些圖像用數(shù)字FIR(截止于0.5×原采樣率)可以濾除。

　　雖然零階保持法的計(jì)算類似于零內(nèi)插法，但零階保持法沒有明顯的缺點(diǎn)。零階保持內(nèi)插所引起的原采樣倍數(shù)的失真分量較小。因此，濾波要求的嚴(yán)格性就稍微小點(diǎn)。不同的零階保持法，也在感興趣的頻帶引起小的失真分量。因?yàn)檫@種失真分量用低通濾波器不能去除，所以，一般在通信系統(tǒng)中喜歡零內(nèi)插法。

　　FFT擴(kuò)展法

　　信號(hào)內(nèi)插法的另一種方法是FFT擴(kuò)展法。采用這種技術(shù)，喜歡用頻域替代時(shí)域執(zhí)行內(nèi)插。為了執(zhí)行FFT擴(kuò)展，信號(hào)的快速傅里葉變換(FFT)首先計(jì)算返回到信號(hào)的頻域表示。然后，借助加零功率取樣表示較高頻率的功率來擴(kuò)展頻域。為了以N量級(jí)內(nèi)插信號(hào)，必須在FFT結(jié)果前端預(yù)先考慮(N-1)×FFT size/2采樣和必須把(N-1)×FFT size/2采樣添加到FFT結(jié)果的末端。圖3說明信號(hào)FFT在頻域內(nèi)插零的情況。用此方法，執(zhí)行擴(kuò)展頻域的反FFT，可以恢復(fù)內(nèi)插的信號(hào)。

　　FFT擴(kuò)展法降低內(nèi)插量級(jí)基頻信號(hào)功率。當(dāng)插入N量級(jí)時(shí)，功率降低1/N。因此，也必須加數(shù)字增益來恢復(fù)信號(hào)到它的原功率。雖然FFT擴(kuò)展法通常不需要低通濾波器來恢復(fù)原信號(hào)形狀，但其計(jì)算量是相當(dāng)大的。因此，此方法通常不用在通信系統(tǒng)中。

　　多級(jí)濾波器的好處

　　選擇一種內(nèi)插技術(shù)的一個(gè)重要考慮是脈沖整形或多級(jí)內(nèi)插方法的考慮。通常，內(nèi)插與脈沖整形結(jié)合或在多時(shí)序級(jí)執(zhí)行內(nèi)插可以降低總處理負(fù)載。

　　脈沖整形濾波器的工作本質(zhì)上類似于低通濾波器，都是限制信號(hào)帶寬。因此，通過零內(nèi)插或零階保持技術(shù)的內(nèi)插法，可以用內(nèi)插低通濾波器級(jí)的脈沖整形有限脈沖響應(yīng)濾波器(PFIR)來實(shí)現(xiàn)。這節(jié)省了大量計(jì)算，因?yàn)闉V波不需要加兩次。

　　使性能最佳化的第二種通常作法是用時(shí)序內(nèi)插單元在信號(hào)級(jí)中內(nèi)插信號(hào)。因?yàn)閮?nèi)插計(jì)算成本增加明顯，所以，級(jí)中內(nèi)插信號(hào)可以降低總的處理時(shí)間。例如，N為4的3個(gè)連續(xù)內(nèi)插單元相當(dāng)于一個(gè)N為64的內(nèi)插單元。然而，第二種方法需要更多的計(jì)算費(fèi)用。在實(shí)際應(yīng)用中，多級(jí)設(shè)計(jì)中通常也采用多濾波技術(shù)。例如，PFIR可用于接連續(xù)聯(lián)集成梳狀(CIC)濾波器。此技術(shù)在精度和效率之間提供一個(gè)最佳折衷方案，因?yàn)橛?jì)算效率技術(shù)(如CIC)可以與低失真技術(shù)(如FIR零內(nèi)插)結(jié)合起來。

　　系統(tǒng)性能改進(jìn)

　　在軟件無線電中，必須增加數(shù)字基帶波形的采樣率，原因如下：第一，可以改善模擬性能和減少模擬濾波要求。第二，內(nèi)插采用多通信標(biāo)準(zhǔn)的器件能采樣率變化。第三，往往需要內(nèi)插法使能數(shù)字上變頻。

　　加強(qiáng)基帶波形采樣率是重要的，因?yàn)楫?dāng)今數(shù)/模變換器采用采樣—保持方法產(chǎn)生模擬信號(hào)。雖然采樣—保持技術(shù)能夠產(chǎn)生真正模擬信號(hào)的很近似表示，但DAC的采樣—保持特性也會(huì)在更新速率時(shí)引起特殊的圖像。內(nèi)插法針對(duì)此問題，把圖像遠(yuǎn)離感興趣的帶寬。這可以減輕對(duì)模擬濾波的要求。因?yàn)?，可以采用具有更好通帶平頂性的更高頻率截止。另一個(gè)好處是內(nèi)插法改變了所產(chǎn)生信號(hào)的線性度。因?yàn)椴蓸?mdash;保持DAC跟隨(SinX)/X幅度響應(yīng)，所以，DAC帶寬邊緣的信號(hào)稍微有點(diǎn)失真。相對(duì)于信號(hào)帶寬增加采樣率，會(huì)降低(SinX)/X滾降影響。

　　其次，內(nèi)插可以結(jié)合連續(xù)抽取或內(nèi)插級(jí)使能采樣就緒變換。當(dāng)今無線裝置必須支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)，也必須能以不同的符號(hào)率產(chǎn)生基帶信號(hào)。因?yàn)榛鶐盘?hào)必須在符號(hào)率的整數(shù)倍采樣，所以，采樣率必須采用DAC的恒定更新率。

　　最后，增加基帶波形采樣率使能窄帶信號(hào)數(shù)字上變頻到中頻。數(shù)字上變頻是混頻基帶I和Q信號(hào)到數(shù)字載波的過程。做為數(shù)字上變頻部分，同一個(gè)數(shù)字同相和正交相載波混頻I和Q信號(hào)。此外，需要在可以用來表示數(shù)字載波的采樣率上采樣基帶波形。

　　如圖4所示，基帶I和Q信號(hào)在與數(shù)字控制振蕩器NCO(數(shù)字IF載波)混頻前，必須經(jīng)脈沖整形和內(nèi)插級(jí)。

　　注意，DSP技術(shù)的應(yīng)用(如數(shù)字上變頻和數(shù)字下變頻)不僅局限在無線裝置中。事實(shí)上，在測試儀器中，RF向量信號(hào)發(fā)生器和向量信號(hào)分析儀，都采用DSP技術(shù)做為數(shù)據(jù)縮減機(jī)構(gòu)。