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    FPGA多速率信號處理(一)
    發布人:    發布時間:2021-06-13
    多速率信號處理,是指對同時存在兩個以上數據速率的系統進行信號處理。在軟件無線電(SDR)中,多速率技術得到普遍應用。在實際系統中,需要處理的數據量越來越大,并且對處理速度的要求越來越高,經常是Gb/s級別。多速率技術已廣泛應用于數字音頻處理、語音處理、頻譜分析、無線通信、雷達等領域。


    一般情況下,多速率系統能夠比單速率系統更為有效地處理信號,在多速率系統內部各節點,根據設計需要,進行內插和抽取,從而滿足AD/DA和基帶速率需求。


    在工程中,中頻采樣技術使用廣泛,在中頻對模擬信號進行數字化,依據的是帶通采樣定理。我們知道,對于低通模擬信號進行抽樣,遵循奈奎斯特抽樣定理,也就是抽樣頻率fs需要大于等于模擬信號最高頻率fH的2倍,才能對數字化后的信號無失真恢復出原始信號。



    學習過通信原理的同學都知道,通過調制解調技術,我們可以實現頻譜搬移,并實現遠距離通信。從基帶信號到射頻信號,從理論上講,我們可以一步到位,直接將低頻的基帶信號調制到射頻,這樣的技術叫零中頻。零中頻結構簡單,有利于集成和降低成本,在終端獲得廣泛應用。當然零中頻存在兩個弱點:直流偏置和閃爍噪聲。直流偏置因本振泄露導致,閃爍噪聲則與頻率有關,頻率越高,閃爍噪聲越小,反之越大。


    在早期的實際系統中,基帶信號經過兩步走達到射頻:先將基帶調制到中頻,達到幾百MHz,然后再次調制,達到射頻,GHz級別。接收機則采用兩次降頻到基帶。這樣的結構叫超外差結構,應用廣泛。


    再回到帶通采樣。對于帶通信號,其頻譜位于某一頻率區間,其帶寬B=fH-fL,則此時的采樣率fs需滿足:



    由于此時的采樣率已超過了奈奎斯特定義的最低采樣率,進而被稱為過采樣。過采樣的好處是,可以將采樣過程中固有的量化噪聲均勻地分散在更大的帶寬上,從而降低有效信號帶寬上的噪聲功率。再通過數字濾波器對帶外噪聲進行衰減,從而得到比臨界采樣信號更優的信噪比。


    ADC的采樣率過高,會給FPGA進行數據處理帶來壓力。我們一方面希望利用過采樣的優點,另一方面,我們不希望FPGA處理過于復雜,于是通過降低數字信號采樣率來滿足基帶處理需求,這就是抽取。


    實際上,抽取并不難理解,我們可以與生活中的抽樣調查聯系起來。樣本(數據)過大,統計(處理)起來就復雜。比如,讓你去調查一下,成都的FPGAer的平均薪資。你可能會從招聘網站、朋友、同事等了解到相關信息,從而大概知道成都的FPGA平均薪資水平,當然不可能去把每一個FPGAer都問一遍,再做統計,于是有了抽樣調查。


    在利用FPGA進行信號處理時,抽取后的信號,數據率相對較低,因而能夠有效降低系統對FPGA資源的占用。這就好比吃飯,你不能吃太快,送到嘴里先嚼幾下再咽下去,降低吞的頻率。


    在一些系統中,則需要提高采樣率,即為內插。將數字基帶信號搬移到目標載頻后,通過內插的方式得到更高的采樣率,從而驅動高速DAC。為什么需要采樣率高的DAC呢?這是因為DAC采樣率越高,其輸出端頻譜圖像之間的頻域分離度越高,這樣可以簡化DAC后的模擬濾波器工作,提升信噪比。
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