內(nèi)插和數(shù)字上變頻技術(shù)(07-100)

　　在軟件無線電和測(cè)試儀器中，設(shè)計(jì)人員采用多種數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)來改善系統(tǒng)性能。內(nèi)插法是一種DSP技術(shù)，可以用內(nèi)插法提高數(shù)字信號(hào)采樣率。在采用零差式上變頻的收發(fā)器中，內(nèi)插法可以改善模擬性能。此外，在外差(用中頻)上變頻中，需要使能帶數(shù)字載波的混頻基帶信號(hào)。此稱之為數(shù)字上變頻。因此，內(nèi)插法在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中有一定的實(shí)用性。

　　本文將描述各種內(nèi)插技術(shù)，選擇內(nèi)插法時(shí)的特殊考慮以及使用內(nèi)插法的一些共同原因。特殊的內(nèi)插法包括：線性內(nèi)插法，零插入法，零階保持法和頻域插入。

　　線性內(nèi)插法

　　線性內(nèi)插法是提高信號(hào)采樣率的最簡(jiǎn)單方法。采用此方法，在每對(duì)已有采樣之間加一個(gè)線性擬合。然后，根據(jù)線性擬合得到新采樣，插入在每對(duì)原采樣之間。為了內(nèi)插一個(gè)N倍信號(hào)，必須在每對(duì)原采樣之間插入N-1個(gè)新采樣。線性插入法的算法實(shí)現(xiàn)是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。然而，在每個(gè)采樣間加一個(gè)線性擬合，所需的計(jì)算量比其他方法要多。因此，線性內(nèi)插法不總是最好的方法。

　　零插入法

　　內(nèi)插信號(hào)的第二種方法是“零內(nèi)插”技術(shù)，是在每個(gè)原采樣間內(nèi)插零，增加波形的取樣率。零內(nèi)插處理增加了原信號(hào)的采樣率(相對(duì)于它的基頻分量)。為了增加‘N’量級(jí)波形采樣率，必須在每個(gè)原取樣間內(nèi)插‘N-1’量級(jí)波形零采樣。圖1說明了信號(hào)零內(nèi)插，示出零內(nèi)插后的信號(hào)時(shí)域和頻域。

　　在頻域，零內(nèi)插過程會(huì)產(chǎn)生失真分量，失真分量集中在原采樣率的倍數(shù)處。因此，對(duì)于10MHz原正弦信號(hào)，將看到在90MHz，110MH，190MHz等圖像(注意，在此特例中，加一個(gè)小的噪聲到信號(hào)中來仿真更實(shí)際的現(xiàn)實(shí)環(huán)境)。

　　雖然零內(nèi)插在較高頻率引起失真，但在感興趣的頻率不引起失真。因此，可以用低通濾波器去除失真分量，使得在原信號(hào)帶寬不產(chǎn)生失真。通常采用在0.5×原采樣率處截止的數(shù)字有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器去除失真分量(見圖2)。

　　如圖2所示，低通濾波器衰減失真分量，并恢復(fù)原信號(hào)形狀。此仿真所用濾波器是200抽頭FIR(48MHz低通帶，50MHz低阻帶)。在時(shí)域，能夠觀察內(nèi)插信號(hào)，看到原正弦信號(hào)形狀已恢復(fù)。注意，因?yàn)?，零?nèi)插恢復(fù)基音調(diào)功率增加1/N，所以，必須加數(shù)字增益來恢復(fù)信號(hào)幅度。

　　零階保持法

　　內(nèi)插的零階保持技術(shù)很類似于上述介紹的內(nèi)插法。零內(nèi)插法工作是在每個(gè)原數(shù)據(jù)點(diǎn)之間加零，而零階保持法簡(jiǎn)單地重復(fù)每個(gè)采樣。類似于零內(nèi)插，必須內(nèi)插N-1個(gè)原采樣拷貝來增加N倍采樣率。