多带模拟信号的采样与重构
2020-10-03
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201 1年第3O卷第5期 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)83 多带模拟信号的采样与重构 周 超 (中国民用航空飞行学院航空工程学院,四川广汉618307) 摘要:为了实现多带模拟信号的有效采样,根据多带模拟信号的特点,建立了一个在平移不变空间上的 多通道采样模型;利用插值函数实现信号的完整重构。以多带正弦信号为例,验证了该系统可以实现多带 模拟信号的采样与重构。 关键词:多带模拟信号;多通道采样;平移不变空问;插值重构 中图分类号:TP 274 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2011)05-0083-03 Sampling and r amp an r econstruCtlOn oi“ -mulU alti b d analog signals1 Dan ZH0U Chao (Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China) Abstract:According to the analog signals’feature,a model of multi—channel sampling in shift—invariant space is built up.In order to effectively sample multi—band analog signals,interpolating function is used to achieved reconstruction of signals.Take muhi—band sinusoidal signal for example,simulation and experiment demonstrate that the model can effectively realize sampling and reconstruction of multi—band analog signals. Key words:multi—band analog signals;multi—channel sampling;shift・invariant space;interpolating reconstuc—r tion 0;l 言 径” 。本文在使用混频器对信号进行带通采样的基础上, 传统上对模拟信号的采样通常采用的是Shannon采样 定理。随着无线电技术的发展,模拟信号的载波频率越来 越高,Shannon定理已经不再适合对这类型信号进行采 样…。为了能够更好地实现对多带信号的接收,带通采样 则可以达到这一要求 。通常在使用带通采样对信号进 行采样时,需要把带通滤波器设置在载波的中心频率处,这 就要求需要得知信号准确的中心频率和高Q值的带通滤 波器 J,制约了这种传统的带通采样方式运用于对模拟盲 多带信号的采样。同时,为了能够完整重构出采样信号,这 种带通采样方式要求ADC可以追踪信号,即ADC的最高 将平移不变空间理论运用于采样系统,把采样与重构转换 为矩阵运算,通过插值函数实现信号的完整重构,最后,通 过实例验证了该方法可以实现模拟多带信号的采样与重 构。 1采样系统建立 设 (t) 为Ⅳ个频带组成的实多带信号,对信号 (t)的平移不变空间采样与重构结构模型如图1所示。 —— — : ‘ ) 一—I!! ]竺 ; 芝 一 采样率必须大于信号的最高截止频率。这就增加了系统的 复杂性、硬件噪声和功率消耗。本文在采样之前,先对信号 进行了混频处理,则有效克服上述的缺点。 近年来兴起了将传统的采样理论推广到了平移不变空 半—明 T明,-一 : “ 囫(西 ●‘一一 明…: 图1 多带模拟信号采样与重构模型 Fig 1 Sampling and reconstruction model of multi・band analog signals 间 J、HIBERT空间。Unser M在样条函数空间上逼近信 号, 肖除了传统带通采样中非理想抗混跌滤波器所引起的 误差 J。Eldar Y C等人把采样空间推广到了更为普遍的 平移不变空间 j。这种把信号建立在平移不变空间中进 行分析的方法,为复杂信号的采集提供了更为有效的途 收稿日期:2010-09-01 图中,P (t)为周期为 混频函数,如图2所示,h( )为 截止频率为[- ̄v/T,耵/ ]的理想低通滤波器。P (t)实际 上是一个随机符号发生器,即在相同的周期内,每一个通道 的P (t)的±l交替变换的次数是不相等的。 传感器与微系统 第3O卷 +l —l 图2混频函数P (t) Fig 2 Mixing functionPf(t) 混频函数P (t)的傅里叶展开式为 Pi(t)=∑Jj} e rp, (1) 式中 一。 对式(1)作傅里叶变换,则有 Pi( )=∑klr6(W一2 ̄r/r,). (2) 经过低通滤波器h(t)后得到采样序列Y[n]的傅里叶 变换 (∞)为 yl(∞)=∑ ( -2 ̄/L). (3) 为了能完整重构出 (t),设 (£)位于 子空间 。 令O(t)=[ 。(t), (t),…, 一 (t)] 为m阶生成函数, 定义空间 , —l ={∑∑cl=0 n∈ [n (t—nr):c }, (4) 式中 为采样周期, (t)为空间生成函数,对于任意 (t)∈ ( )一∑∑cl=0“E 一nr). (5) 对式(5)做傅里叶变换得 m—l ( )=∑ClU ( ) ( ). (6) 令 = ,把式(6)代入式(3)有 + m一1 ( )=∑∑Cl(∞一2 ̄r/L) ( 一2 ̄r/L)k c (川( 一2 ̄,r/L)k… (7) , 其中,C ( )是以2 / 为周期的函数。 将式(7)写成矩阵形式 Y(∞)= (∞)C(∞). (8) 其中,y( )=[y (∞),Y1(∞),…Ym一 ((EJ)] , C( )=[ ( ),C。(∞),…C 一 ( )] , f 00,0 Ⅱ0.1 … 00. —l T( )=I : ; ; ; 。 。 ̄mI,t…。 aij( )=∑ ( --2 ̄rr/T)k =专,一P~∞. -。f 。rp pi(f)e嘶 这样,就把重构问题转换为求解方程(8)的唯一解上 来。分析方程(8)可知,只要系统的感知矩阵T( )可逆, 则可以通过平移不变空间采样重构出原信号 C( )= 一( )y( ). 2实验与分析 参照图l所示的采样模型,构建一个四通道的采样系 统,采样周期l/ =200MHz,混频器P (t)为周期是 的 伪随机发生器。平移不变空间生成函数妒(t)分别为 1(t) ̄sine(t/L)e , 2(t) ̄sinc(t/r,)eJ2 ̄/rp, 他(£)=sine(∥ )e一 , 4(t)=sine(∥ )e . 由sinc函数的性质可以得知,方程(8)的感知矩阵可逆。 根据以上分析,采样信号选择 (t)选取为 (t)=sin(8×10。1T£)+sin(9.6 xl0。订t)+sin(2.8× 1O 订 ). 定义 , ,屯, 分别为第1通道、第2通道、第3通 道和第4通道的信号。图3所示为经过插值函数 (t)后 之 髓 馨 时间/10-Ts (a) 。时域波形图 (a)waveform ofxI time-domain 2 一重构信号时域波形 …之 1 重构信号镜像部分时域波形 譬 。 67 c l 一2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 5 0.6 0 7 0 8 0.9 1.0 时间/10 s Co) 时域波形图 (b)wavef0m1 ofx2 time—domain 2 之 1 警 。 1 —2 0 0.1 0 2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 l 0 时间/10 s (c) 时域波形图 (c)waveform ofx3 time-domain 2 之 1 釜 。 一l 一2 0 0.1 0.2 0 3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 时间/10 s (d) 时域波形图 (d)waveform ofx4 time—domain 图3时域波形圈 Fig 3 Time-domain wavefom . 第5期 周 超:多带模拟信号的采样与重构 的时域波形图。根据图l的采样结构,信号 lO8~1l6. 85 。, 。, 。, (t)首先经过混频器下变频,然后,经过低通滤波器处理后 [2]Akos D M,Stockmaster M.Direct bandpass sampling of multiple distinct RF sinagls[J].IEEE Trans Commun,1999,47(6):983— 988. 再由4片ADC采样。如果采用传统的Shannon定理直接对 信号采样,采样率太大。现采用本文提出的平移不变空间 中的多通道采样模型对信号进行采样与重构。图4为重构 信号的时域波形图,从图中可以看出:镜像信号被成功抑 [3]Vaughan R G,White S N L,Rod D.The theory of bandpass sam— pling[J].IEEE Trans Sinalg Processing,1991,39(4):1973— 1984. 制。图5为原始信号时域图,比较图4与图5可知,本文提 出的采样方法重构出的信号基本上与原始信号等效。因 此,该方法有效地提高了采样效率。 4 [4]Unser M.Sampling-.50 years after Shannon[C]∥IEEE Proc, 2000:569--587. [5] Unser M,Aldroubi A.A general sampling theory for non—ideal ac— 3quisition devices[J].IEEE Trans Sinalg Process,1994,42(11): 2915--2925. 之 藿0 [6]Eldar Y C,Unser M.Non—ideal sampling and interpolation from 2 noisy observation in shitf—invariant spaces[J].IEEE Trans Signal Process,2006,20(7):2636--2651. : 0 0.1 0 2 0.3 0.4 0 5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 时间/10 7s [7]Lu Y M.A theory for sampling from a union of subspace[J]. IEEE Transactions on Signal Processing,2008,56(6):2334— 2345. 图4重构后信号时域波形图 Fig 4 Waveform of reconstructed ̄gnai’s time・domain [8]Djokovic l_Generalized sampling theorems in multiresolution sub— ; 之 space[J].IEEE Trnsa Signal Process,1997,3(45):583—599. [9] Vaidyanathan P P.Generalizations of the sampling theorem:Se— 釜0 一vendecades after nyquist[J].IEEE Trans Circuits Syst I,2001, 48(9):1094--1109. 2 : 0 0.1 0.2 0 3 0 4 0.5 O.6 0.7 O 8 0 9 1.0 [1O]Walter G G.A sampling theorem for wavelet subspaces[J],IEEE 时间/10- ̄s Trans Inf Theory,1992,38(3):881--884. 图5原始信号时域波形图 Fig 5 Waveform of original signal’s time-domain [11]Bae Junghwa,Park Jinweo.An eficifent algorithm for band-pass sampling of multiple RF sinalgs[J].IEEE Signal Processing Let— ters,2006,13(4):193--196. 3结论 本文提出了一种基于平移不变空间的多通道采样系 [12]Mahajan A,Agarwal M.A novel method for down-conversion of multiple bandpass signals[J].IEEE Trans Wireless communica- tion,2006,2(5):427--435. 统,并给出了该系统的结构原理图。最后使用多带正弦信 号对该系统进行了测试,实验结果表明:该方法在远低于 Shannon采样速率的条件下,有效地实现了多带信号的采 样与重构。 参考文献: [1] Berezdivin R,Breing R.Next—generation wireless communication concepts and technologies[Jj.IEEE Commun Mag,2002,39(3): ≯t p ≯ ) ≯ ≯ ≯\ \p ≯ 作者简介: 周超(1980一),男,安徽濉溪人,博士研究生,讲师,主要从 事民用航空器电子电气设备故障诊断和故障预测、嵌入式系统设 计研究。 注:本文为中国民用航空飞行学院自然基金资助项目(J2007-23) ≯ ≯ , ≯ (上接第82页) [5] Saab S S.Automatic alignment and calibration of an inetrial navi— 究[j].计算机仿真,2009,26(9):32--36. [9]Hu Hongcan,Guo Li,Zhu Junzhu.The application of Kalman fil- ter in initial alinmentg method of platform inertial navigation sys- gation system[C]//IEEE PLANS,1994:845—852. [6] Seong Y C,Chan G P.Calibration of a redundant IMU[C]∥ AIAA Guidance,Aviation and Control Conference and Exhibit, 2004 tem[J].Microelectonircs&Computer,2006,23(2):163--165. [10]Juliet S J,Uhlmann J K.Unscented filtering and nonlinear estima— tion[C]∥Proc of the IEEE Aerospce and Electronic Systems, 2004:401--422. [7] 吴平,雷虎民,邵雷,等.一种车载筒弹惯导装置不开箱 作者简介: 李东亮(1986一),男,河南卫辉人,硕士研究生,研究方向为控 制科学与工程。 标定方法[J].中国惯性技术学报,2010,18(1):28--31. [8]韩璐,景占荣,段哲民.SINS/GPS组合导航系统仿真研