內插和數字上變頻技術(07-100)

　　重復采樣也會引起在較高頻率處的失真。采用此方法，預濾波的信號包含集中在原取樣率倍數的圖像。在10MHz內插一個正弦信號時，則這些圖像發生在90MHz，110MHz，190MHz等頻率。同樣，這些圖像用數字FIR(截止于0.5×原采樣率)可以濾除。

　　雖然零階保持法的計算類似于零內插法，但零階保持法沒有明顯的缺點。零階保持內插所引起的原采樣倍數的失真分量較小。因此，濾波要求的嚴格性就稍微小點。不同的零階保持法，也在感興趣的頻帶引起小的失真分量。因為這種失真分量用低通濾波器不能去除，所以，一般在通信系統中喜歡零內插法。

　　FFT擴展法

　　信號內插法的另一種方法是FFT擴展法。采用這種技術，喜歡用頻域替代時域執行內插。為了執行FFT擴展，信號的快速傅里葉變換(FFT)首先計算返回到信號的頻域表示。然后，借助加零功率取樣表示較高頻率的功率來擴展頻域。為了以N量級內插信號，必須在FFT結果前端預先考慮(N-1)×FFT size/2采樣和必須把(N-1)×FFT size/2采樣添加到FFT結果的末端。圖3說明信號FFT在頻域內插零的情況。用此方法，執行擴展頻域的反FFT，可以恢復內插的信號。

　　FFT擴展法降低內插量級基頻信號功率。當插入N量級時，功率降低1/N。因此，也必須加數字增益來恢復信號到它的原功率。雖然FFT擴展法通常不需要低通濾波器來恢復原信號形狀，但其計算量是相當大的。因此，此方法通常不用在通信系統中。

　　多級濾波器的好處

　　選擇一種內插技術的一個重要考慮是脈沖整形或多級內插方法的考慮。通常，內插與脈沖整形結合或在多時序級執行內插可以降低總處理負載。

　　脈沖整形濾波器的工作本質上類似于低通濾波器，都是限制信號帶寬。因此，通過零內插或零階保持技術的內插法，可以用內插低通濾波器級的脈沖整形有限脈沖響應濾波器(PFIR)來實現。這節省了大量計算，因為濾波不需要加兩次。

　　使性能最佳化的第二種通常作法是用時序內插單元在信號級中內插信號。因為內插計算成本增加明顯，所以，級中內插信號可以降低總的處理時間。例如，N為4的3個連續內插單元相當于一個N為64的內插單元。然而，第二種方法需要更多的計算費用。在實際應用中，多級設計中通常也采用多濾波技術。例如，PFIR可用于接連續聯集成梳狀(CIC)濾波器。此技術在精度和效率之間提供一個最佳折衷方案，因為計算效率技術(如CIC)可以與低失真技術(如FIR零內插)結合起來。

　　系統性能改進

　　在軟件無線電中，必須增加數字基帶波形的采樣率，原因如下：第一，可以改善模擬性能和減少模擬濾波要求。第二，內插采用多通信標準的器件能采樣率變化。第三，往往需要內插法使能數字上變頻。

　　加強基帶波形采樣率是重要的，因為當今數/模變換器采用采樣—保持方法產生模擬信號。雖然采樣—保持技術能夠產生真正模擬信號的很近似表示，但DAC的采樣—保持特性也會在更新速率時引起特殊的圖像。內插法針對此問題，把圖像遠離感興趣的帶寬。這可以減輕對模擬濾波的要求。因為，可以采用具有更好通帶平頂性的更高頻率截止。另一個好處是內插法改變了所產生信號的線性度。因為采樣—保持DAC跟隨(SinX)/X幅度響應，所以，DAC帶寬邊緣的信號稍微有點失真。相對于信號帶寬增加采樣率，會降低(SinX)/X滾降影響。

　　其次，內插可以結合連續抽取或內插級使能采樣就緒變換。當今無線裝置必須支持多種通信標準，也必須能以不同的符號率產生基帶信號。因為基帶信號必須在符號率的整數倍采樣，所以，采樣率必須采用DAC的恒定更新率。

　　最后，增加基帶波形采樣率使能窄帶信號數字上變頻到中頻。數字上變頻是混頻基帶I和Q信號到數字載波的過程。做為數字上變頻部分，同一個數字同相和正交相載波混頻I和Q信號。此外，需要在可以用來表示數字載波的采樣率上采樣基帶波形。

　　如圖4所示，基帶I和Q信號在與數字控制振蕩器NCO(數字IF載波)混頻前，必須經脈沖整形和內插級。

　　注意，DSP技術的應用(如數字上變頻和數字下變頻)不僅局限在無線裝置中。事實上，在測試儀器中，RF向量信號發生器和向量信號分析儀，都采用DSP技術做為數據縮減機構。