什么是多速率信号处理

引言

多速率威廉希尔官方网站 已广泛应用于数字音频处理、语音处理、频谱分析、无线通信、雷达等领域。作为一项常用信号处理威廉希尔官方网站 ，FPGA攻城狮有必要了解如何应用该威廉希尔官方网站 ，解决实际系统中的多速率信号处理问题。

01什么是多速率信号处理

多速率信号处理，是指对同时存在两个以上数据速率的系统进行信号处理。在软件无线电（SDR）中，多速率威廉希尔官方网站 得到普遍应用。在实际系统中，需要处理的数据量越来越大，并且对处理速度的要求越来越高，经常是Gb/s级别。多速率威廉希尔官方网站 已广泛应用于数字音频处理、语音处理、频谱分析、无线通信、雷达等领域。

一般情况下，多速率系统能够比单速率系统更为有效地处理信号，在多速率系统内部各节点，根据设计需要，进行内插和抽取，从而满足AD/DA和基带速率需求。

在工程中，中频采样威廉希尔官方网站 使用广泛，在中频对interwetten与威廉的赔率体系 信号进行数字化，依据的是带通采样定理。我们知道，对于低通模拟信号进行抽样，遵循奈奎斯特抽样定理，也就是抽样频率fs需要大于等于模拟信号最高频率fH的2倍，才能对数字化后的信号无失真恢复出原始信号。

学习过通信原理的同学都知道，通过调制解调威廉希尔官方网站 ，我们可以实现频谱搬移，并实现远距离通信。从基带信号到射频信号，从理论上讲，我们可以一步到位，直接将低频的基带信号调制到射频，这样的威廉希尔官方网站 叫零中频。零中频结构简单，有利于集成和降低成本，在终端获得广泛应用。当然零中频存在两个弱点：直流偏置和闪烁噪声。直流偏置因本振泄露导致，闪烁噪声则与频率有关，频率越高，闪烁噪声越小，反之越大。

在早期的实际系统中，基带信号经过两步走达到射频：先将基带调制到中频，达到几百MHz，然后再次调制，达到射频，GHz级别。接收机则采用两次降频到基带。这样的结构叫超外差结构，应用广泛。

再回到带通采样。对于带通信号，其频谱位于某一频率区间，其带宽B=fH-fL，则此时的采样率fs需满足：

由于此时的采样率已超过了奈奎斯特定义的最低采样率，进而被称为过采样。过采样的好处是，可以将采样过程中固有的量化噪声均匀地分散在更大的带宽上，从而降低有效信号带宽上的噪声功率。再通过数字滤波器对带外噪声进行衰减，从而得到比临界采样信号更优的信噪比。

ADC的采样率过高，会给FPGA进行数据处理带来压力。我们一方面希望利用过采样的优点，另一方面，我们不希望FPGA处理过于复杂，于是通过降低数字信号采样率来满足基带处理需求，这就是抽取。

实际上，抽取并不难理解，我们可以与生活中的抽样调查联系起来。样本（数据）过大，统计（处理）起来就复杂。比如，让你去调查一下，成都的FPGAer的平均薪资。你可能会从招聘网站、朋友、同事等了解到相关信息，从而大概知道成都的FPGA平均薪资水平，当然不可能去把每一个FPGAer都问一遍，再做统计，于是有了抽样调查。

在利用FPGA进行信号处理时，抽取后的信号，数据率相对较低，因而能够有效降低系统对FPGA资源的占用。这就好比吃饭，你不能吃太快，送到嘴里先嚼几下再咽下去，降低吞的频率。

在一些系统中，则需要提高采样率，即为内插。将数字基带信号搬移到目标载频后，通过内插的方式得到更高的采样率，从而驱动高速DAC。为什么需要采样率高的DAC呢？这是因为DAC采样率越高，其输出端频谱图像之间的频域分离度越高，这样可以简化DAC后的模拟滤波器工作，提升信噪比。

以抽取和内插为代表的多速率信号处理威廉希尔官方网站 的典型应用即为数字下变频DDC(Digital Down Conversion)和数字上变频DUC（Digital Up Conversion），这对于从事无线通信的同学来说，耳熟能详。

02

多速率信号处理的核心

总结起来，多速率信号处理，其目的在于改变原有数字信号的频率，通过抽取实现降低采样速率，通过内插来实现提高采样速率，但抽取或内插的前提是，需要保证有用信号频带内没有频谱混叠，继而需要各种新式的滤波器来实现。

多速率信号处理的核心：抽取、内插、低通滤波。实质上不难看出，设计的难点在于滤波器。多速率滤波器实质上是具有线性相位的FIR滤波器，通常滤波器需要工作在很高的速率上，因而需要考虑如何减少运算量和运算复杂度。

常用的多速率滤波器主要有：多速率FIR滤波器、积分梳状（CIC）滤波器和半带滤波器。

多速率FIR滤波器由于信号速率高，需要工作在很高的频率上，大量的乘法器参与运算会导致资源消耗多、功耗大等问题，这对于FPGA片内有限的资源来说，实际操作不太可取，因此实际使用较少。CIC滤波器和半带滤波器结构简单，实现方便，性能良好，在软件无线电中得到广泛使用。

特别是在DDC和DUC中，将不同的滤波器进行组合实现需求。例如，在接收机中，采用CIC滤波器作为第一级滤波器，完成抽取和低通滤波；在第二级采用FIR实现的半带滤波器，此时的工作频率较低，滤波器参数得到优化，可以用较低的阶数实现，节省资源和降低功耗。

对于无线通信，收、发两端都存在多速率处理，这里我们将发射机的多速率处理叫做多速率发送处理器，相应地，在接收端，叫做多速率接收处理器。

需要注意的是，如果我们只做基带信号处理，可能你是不会去接触如何设计滤波器，完成DDC或者DUC。同样，在基带处理中，因分工问题，你可能无法一个人完成整个链路的设计，但对于处于边工作边学习阶段的我们，谁甘愿一直做一个模块，到时候只会一个功能部件设计，其余的不会，这会对职业生涯发展构成威胁。

回到对多速率发送和接收处理器的讨论中，看看其一般设计过程。

03多速率发送处理器设计

对于发射端来讲，基带信号需要经过多速率发送处理器处理后，再进行数/模转换（DAC）。多速率发送处理器的一般结构，主要由四部分组装成：可编程插值FIR滤波器（RCF）、两个固定系数的FIR滤波器（FFIR）、高速的CIC插值滤波器以及数控频率振荡器（NCO）。

RCF完成对输入信号的采样，采样倍数1~16，由于需要工作在高速时钟下，其阶数一般不会太高。FFIR对输入信号进行2倍采样，如果FFIR的带宽达到输入采样率的一半，则能够有效抑制带外信号的噪声。CIC滤波器一般采用2~5阶，完成对输入信号1~32倍的采样，其有效的线性相位冲激响应是由其插值率决定。NCO主要完成两件事：一是产生载波频率，二是完成数据调制的复数乘法。NCO需要高比特数的频率调谐精度，并需要抑制幅度和相位抖动来无杂散动态范围。

04多速率接收处理器设计

在无线通信中，多速率接收处理器在ADC之后工作，主要包含五部分：数控频率振荡器（NCO）、高速的CIC抽取滤波器、可编程抽取FIR半带滤波器（FIR HB）、两个固定系数的FIR滤波器（FFIR）、以及自动增益控制模块（AGC），其结构如图所示。

其中，NCO、CIC、FIR HB、FFIR的功能和实现与发送端类似。AGC模块主要自适应地调整信号通道增益，确保不超出模拟信号的线性范围，或保证数字信号不超出有效字长的限制，从而保证信号在一个动态范围都能工作。

在工程中，我们需要关注以下设计要点：

设计要点

抽取：下采样器+抗混叠滤波器设计

插值：抗镜像滤波器+上采样器设计

CIC滤波器设计

FIR半带滤波器设计

多相分解威廉希尔官方网站

能写下这篇文章，是因为今天有好好吃饭。作为90后的我，小时候一天吃一顿或者两顿的日子，忍饥挨饿的日子，一去不复返了！

小时候，放学和周末，以及寒暑假，上坡割牛草、猪草，拾捡枯枝木柴，插秧打谷，种玉米，栽红薯，种洋芋，洗衣，做饭，甚至学得编竹背篓的手艺。跋山涉水，从乡下到县城读高中，再到外地读大学，读研，在省城工作。这一切，都要感谢家人，感谢袁隆平爷爷，感谢所有遇见或未曾遇见的人。

审核编辑 ：李倩