過(guò)采樣技術(shù)在通信信號(hào)處理中的應(yīng)用探討

胡秋陽(yáng)

【摘 ?要】在通信信號(hào)處理中，循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)相對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)更易于處理，也更容易實(shí)現(xiàn)，而要想實(shí)現(xiàn)信號(hào)的循環(huán)性和平穩(wěn)性，就要利用過(guò)采樣技術(shù)對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行處理。因此，過(guò)采樣技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)性的關(guān)鍵所在，引起越來(lái)越多相關(guān)人士的重視與研究。論文介紹了過(guò)采樣技術(shù)定義、過(guò)采樣技術(shù)原理及過(guò)采樣技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)過(guò)采樣技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，得到了其應(yīng)用方法和場(chǎng)合。

【Abstract】In communication signal processing， cyclostationary signal is easier to process and realize than non-stationary signal. In order to achieve the cyclicity and stability of signal， we need to use oversampling technology to process communication signal. Therefore， oversampling technology， as the key to realize the cyclostationarity of signal， has attracted more and more attention and research from relevant people. This paper introduces the definition of oversampling technology， the principle of oversampling technology and the advantages of oversampling technology， studies the current situation of oversampling technology， and obtains its application methods and occasions.

【關(guān)鍵詞】過(guò)采樣技術(shù);通信;信號(hào)處理

【Keywords】oversampling technology; communication; signal processing

【中圖分類號(hào)】TN911.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2021）07-0175-02

1 引言

目前人們正處在信息時(shí)代，通信行業(yè)飛速發(fā)展，通信量在急劇擴(kuò)大的同時(shí)，通信質(zhì)量也在不斷提高。而在大多數(shù)情況下，由于通信設(shè)備工作條件以及工作環(huán)境限制，通信過(guò)程中通信信號(hào)難免會(huì)混雜噪聲，會(huì)導(dǎo)致通信信號(hào)失真，進(jìn)而影響通信質(zhì)量。因此，要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行通信信號(hào)處理，來(lái)減小噪聲影響，提高通信質(zhì)量。過(guò)采樣技術(shù)作為常用的通信信號(hào)處理技術(shù)手段，以其在提高信噪比方面的卓越表現(xiàn)，引起人們的關(guān)注與研究。而在促進(jìn)過(guò)采樣技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)生活中時(shí)，過(guò)采樣技術(shù)的應(yīng)用方法不容忽視。本文對(duì)過(guò)采樣技術(shù)現(xiàn)階段應(yīng)用情況進(jìn)行分析，以得到其應(yīng)用方法和場(chǎng)合。

2 過(guò)采樣技術(shù)的定義和原理

2.1 過(guò)采樣技術(shù)的定義

在通信信號(hào)處理中，過(guò)采樣技術(shù)是指以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)帶寬兩倍對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行采樣的技術(shù)。以控制量化噪聲的方式，提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比與分辨率。

2.2 過(guò)采樣技術(shù)的原理

由奈奎斯特采樣定理可知，為防止通信信號(hào)發(fā)生混疊失真，應(yīng)以高于通信信號(hào)帶寬兩倍的頻率進(jìn)行采樣。根據(jù)采樣與量化相關(guān)理論可知，通信信號(hào)采用不同的采樣率進(jìn)行采樣，由于量化比特?cái)?shù)沒(méi)有改變，所以總的量化噪聲功率也不會(huì)改變。設(shè)原采樣頻率為fs，如果將采樣頻率提高到R×fs，R稱為過(guò)采樣比率，并且R>1。這時(shí)量化噪聲的頻譜分布發(fā)生了改變，也就是噪聲會(huì)由原本均勻分布在0～fs/2頻帶內(nèi)的量化噪聲分散到了0～Rfs/2的頻帶上。若R≥1，那么Rfs/2也就會(huì)遠(yuǎn)大于通信信號(hào)最高頻率fm，這使得量化噪聲大部分分布在低通濾波器的通帶以外的高頻區(qū)域，而分布在低通濾波器通帶以內(nèi)的量化噪聲就會(huì)相應(yīng)地減少，因而，模擬抗混頻濾波器濾掉fm以上的噪聲分量，便可以提高系統(tǒng)的信噪比。

3 過(guò)采樣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

過(guò)采樣A/D轉(zhuǎn)換器具有較高的分辨率，位數(shù)高達(dá)24位。過(guò)采樣A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率高，高于積分型和壓頻變換型A/D轉(zhuǎn)換器。過(guò)采樣A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格低。過(guò)采樣A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部利用高倍頻過(guò)采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字濾波，降低了對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波的要求。

4 過(guò)采樣技術(shù)的應(yīng)用

4.1 調(diào)制信號(hào)的分類識(shí)別

調(diào)制信號(hào)的分類識(shí)別是指根據(jù)接收信號(hào)來(lái)分辨通信信號(hào)的調(diào)制方式和相應(yīng)的調(diào)制參數(shù)，以此對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行更深入的分析和研究。調(diào)制信號(hào)的調(diào)制分類識(shí)別在信號(hào)分析領(lǐng)域起到關(guān)鍵性作用。政府有關(guān)部門(mén)對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行識(shí)別來(lái)防止公民非法利用無(wú)線頻譜和公民使用無(wú)線頻譜時(shí)對(duì)政府相關(guān)通信信號(hào)的干擾。同時(shí)，在軍事領(lǐng)域，戰(zhàn)爭(zhēng)雙方會(huì)不斷監(jiān)視戰(zhàn)場(chǎng)的電磁信號(hào)，用以獲取敵對(duì)方的機(jī)密情報(bào)，或識(shí)別威脅，幫助選擇電子干擾策略?，F(xiàn)在，采取過(guò)采樣技術(shù)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別，根據(jù)二階和四階循環(huán)累積進(jìn)行分類和識(shí)別是主要的手段。使用不同調(diào)制方式會(huì)導(dǎo)致通信信號(hào)不同的循環(huán)累積量，由此人們應(yīng)該首先對(duì)接收的通信信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣處理，然后分析接收的通信信號(hào)的功率譜，進(jìn)而確定通信信號(hào)的循環(huán)頻率、載波頻率，更進(jìn)一步辨別通信信號(hào)的調(diào)制方式和相關(guān)調(diào)制參數(shù)。

4.2 盲源分離

盲源分離就是在接收的通信信號(hào)的源信號(hào)和理論模型無(wú)法精確獲知的情況下，從傳感器中將獲取到的通信信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)以及提取的方式能夠獲取未知信號(hào)源。這種技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)有效處理起到關(guān)鍵性作用，引起了相關(guān)領(lǐng)域人士的關(guān)注與研究，并且在陣列信號(hào)處理、無(wú)線通信、圖像處理、生物醫(yī)學(xué)、地震勘測(cè)、語(yǔ)音信號(hào)分離、聲吶雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)典的盲源分離方法是以循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)為假設(shè)前提的，特別是在通信、生物醫(yī)學(xué)、雷達(dá)領(lǐng)域，大多數(shù)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征都是周期的循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)。但在實(shí)際生產(chǎn)生活中應(yīng)用時(shí)，我們要處理的信號(hào)通常是非平穩(wěn)信號(hào)，因此，可以通過(guò)采取過(guò)采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)非平穩(wěn)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)盲源分離的目的。這種方法與傳統(tǒng)的信號(hào)特征重構(gòu)實(shí)現(xiàn)盲源分離相區(qū)別，采用更多樣的計(jì)算基礎(chǔ)，同時(shí)，使得盲源分離的效果更加有效。傳統(tǒng)的盲源分離是依照信號(hào)不同的統(tǒng)計(jì)特征和空間特性來(lái)重新構(gòu)造陣列輸出信號(hào)。而利用過(guò)采樣實(shí)現(xiàn)的盲源分離，是使用過(guò)采樣后信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)性作為信號(hào)盲源分離的關(guān)鍵性步驟。基于二階和三階循環(huán)平穩(wěn)度的盲源分離算法、基于二階循環(huán)累積量的盲源分離算法和基于時(shí)頻分布的循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)盲源分離算法是目前利用過(guò)采樣技術(shù)進(jìn)行盲源分離的幾種主要方法。

4.3 盲辨識(shí)與盲均衡

在數(shù)字和無(wú)線通信系統(tǒng)領(lǐng)域，以克服碼間干擾為目的，傳統(tǒng)上經(jīng)常采用的方法是根據(jù)信道的先驗(yàn)知識(shí)或發(fā)送訓(xùn)練序列來(lái)實(shí)現(xiàn)信道辨識(shí)與均衡。但是遇到訓(xùn)練序列獲取成本太高或者不太實(shí)際的情況，就通常使用盲辨識(shí)和盲均衡的方法。盲辨識(shí)與盲均衡是信號(hào)處理領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分，吸引了相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注，在語(yǔ)音分離與識(shí)別、通信、地震勘探、圖像重構(gòu)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在研究人員主要在利用二階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行盲辨識(shí)和盲均衡的算法上作深入研究，這是由于循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)處理方法抑制干擾和噪聲的能力非常強(qiáng)，并且可以對(duì)信號(hào)的相位信息進(jìn)行保留。相位信息就保留在循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)的二階循環(huán)累積量中。循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)的二階循環(huán)累積量能夠識(shí)別非最小相位系統(tǒng)。這個(gè)算法不但可以加快收斂速度，而且可以減少計(jì)算量，但是該算法會(huì)使系統(tǒng)的信噪比不可避免地降低，進(jìn)而使信道容量下降。而利用過(guò)采樣技術(shù)的盲均衡和盲辨識(shí)，總體是把過(guò)采樣過(guò)程加在傳統(tǒng)的盲均衡算法上，從而接收更詳細(xì)的傳輸信道信息，使信道利用率得到了提高，進(jìn)而使收斂速度得到了加快，達(dá)到減小穩(wěn)態(tài)誤差的目的。

4.4 雷達(dá)信號(hào)處理

雷達(dá)信號(hào)處理指的是以完成雷達(dá)數(shù)字信號(hào)檢測(cè)和信息提取功能為導(dǎo)向所采取的實(shí)施手段，通過(guò)采樣、保持和分層，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。探測(cè)物體的反射回波是微弱的高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻、放大和濾波等處理后轉(zhuǎn)變成某一任意的模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理要使用A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)行各種運(yùn)算和處理。雷達(dá)系統(tǒng)在空中、海上相關(guān)目標(biāo)的探測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用。為精確化檢測(cè)相應(yīng)對(duì)象目標(biāo)，在雷達(dá)接收機(jī)中，最為關(guān)鍵的是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的大范圍處理?，F(xiàn)代的雷達(dá)接收機(jī)需要輸入帶寬足夠?qū)?、?dòng)態(tài)范圍足夠大、分辨度和靈敏度足夠高、采用數(shù)字化處理和能夠進(jìn)行多信號(hào)處理，從而完成接收雷達(dá)信號(hào)的工作。

4.5 信號(hào)檢測(cè)

在通信領(lǐng)域，信號(hào)檢測(cè)指的是提取接收到的含干擾噪聲的通信信號(hào)，主要與數(shù)學(xué)理論和軟件算法有關(guān)。當(dāng)前，通信環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，一般情況下信號(hào)檢測(cè)是在低信噪比下進(jìn)行的對(duì)強(qiáng)背景噪聲的微弱信號(hào)進(jìn)行的檢測(cè)。這種情況下，傳統(tǒng)的能量檢測(cè)方法并不能達(dá)到信號(hào)檢測(cè)的相應(yīng)指標(biāo)，甚至某些情況下信號(hào)的頻譜被掩蓋在背景噪聲中，信號(hào)檢測(cè)工作很難進(jìn)行。而此時(shí)可以利用過(guò)采樣的信號(hào)檢測(cè)方法，利用信號(hào)唯一性特征對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，依照有用通信信號(hào)特有的特性用以與噪聲信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)進(jìn)行信息處理，這是因?yàn)檫^(guò)采樣后的有用通信信號(hào)具有循環(huán)平穩(wěn)性，而噪聲的三階及以上的循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)量為零，所以這時(shí)依據(jù)高階循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)時(shí)，噪聲的影響微乎其微，因此，在低信噪比的情況下進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)也能具有較好的性能指標(biāo)。采用過(guò)采樣的信號(hào)系統(tǒng)檢測(cè)算法能有效地使計(jì)算效率得到提升，使運(yùn)算時(shí)間得到減少，使算法的精度得到提高。目前，該技術(shù)在工廠機(jī)器的故障檢測(cè)、微弱陣列感應(yīng)信號(hào)檢測(cè)和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

在通信領(lǐng)域，通信信號(hào)處理起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)代通信信號(hào)處理技術(shù)飛速發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域研究人員開(kāi)始意識(shí)到循環(huán)平穩(wěn)性這一通信信號(hào)所固有的特性，并隨之發(fā)現(xiàn)利用信號(hào)平穩(wěn)循環(huán)性對(duì)噪聲控制功效的提高、算法的簡(jiǎn)化具有不可替代的重要作用，而過(guò)采樣技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)信號(hào)平穩(wěn)性的重要一環(huán)，更值得相關(guān)領(lǐng)域研究人員的重視。廣泛應(yīng)用過(guò)采樣技術(shù)對(duì)通信信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步起到重要的促進(jìn)作用。本文分析了過(guò)采樣技術(shù)在調(diào)制信號(hào)的分類識(shí)別、盲源分離、盲均衡與盲辨識(shí)、雷達(dá)信號(hào)處理和信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用，得到了過(guò)采樣技術(shù)的應(yīng)用方法和場(chǎng)合。這些研究在過(guò)采樣技術(shù)的應(yīng)用和通信信號(hào)處理領(lǐng)域會(huì)起到一定的作用。

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