内插和数字上变频技术(07-100)

　　重复采样也会引起在较高频率处的失真。采用此方法，预滤波的信号包含集中在原取样率倍数的图像。在10MHz内插一个正弦信号时，则这些图像发生在90MHz，110MHz，190MHz等频率。同样，这些图像用数字FIR(截止于0.5×原采样率)可以滤除。

　　虽然零阶保持法的计算类似于零内插法，但零阶保持法没有明显的缺点。零阶保持内插所引起的原采样倍数的失真分量较小。因此，滤波要求的严格性就稍微小点。不同的零阶保持法，也在感兴趣的频带引起小的失真分量。因为这种失真分量用低通滤波器不能去除，所以，一般在通信系统中喜欢零内插法。

　　FFT扩展法

　　信号内插法的另一种方法是FFT扩展法。采用这种技术，喜欢用频域替代时域执行内插。为了执行FFT扩展，信号的快速傅里叶变换(FFT)首先计算返回到信号的频域表示。然后，借助加零功率取样表示较高频率的功率来扩展频域。为了以N量级内插信号，必须在FFT结果前端预先考虑(N-1)×FFT size/2采样和必须把(N-1)×FFT size/2采样添加到FFT结果的末端。图3说明信号FFT在频域内插零的情况。用此方法，执行扩展频域的反FFT，可以恢复内插的信号。

　　FFT扩展法降低内插量级基频信号功率。当插入N量级时，功率降低1/N。因此，也必须加数字增益来恢复信号到它的原功率。虽然FFT扩展法通常不需要低通滤波器来恢复原信号形状，但其计算量是相当大的。因此，此方法通常不用在通信系统中。

　　多级滤波器的好处

　　选择一种内插技术的一个重要考虑是脉冲整形或多级内插方法的考虑。通常，内插与脉冲整形结合或在多时序级执行内插可以降低总处理负载。

　　脉冲整形滤波器的工作本质上类似于低通滤波器，都是限制信号带宽。因此，通过零内插或零阶保持技术的内插法，可以用内插低通滤波器级的脉冲整形有限脉冲响应滤波器(PFIR)来实现。这节省了大量计算，因为滤波不需要加两次。

　　使性能最佳化的第二种通常作法是用时序内插单元在信号级中内插信号。因为内插计算成本增加明显，所以，级中内插信号可以降低总的处理时间。例如，N为4的3个连续内插单元相当于一个N为64的内插单元。然而，第二种方法需要更多的计算费用。在实际应用中，多级设计中通常也采用多滤波技术。例如，PFIR可用于接连续联集成梳状(CIC)滤波器。此技术在精度和效率之间提供一个最佳折衷方案，因为计算效率技术(如CIC)可以与低失真技术(如FIR零内插)结合起来。

　　系统性能改进

　　在软件无线电中，必须增加数字基带波形的采样率，原因如下：第一，可以改善模拟性能和减少模拟滤波要求。第二，内插采用多通信标准的器件能采样率变化。第三，往往需要内插法使能数字上变频。

　　加强基带波形采样率是重要的，因为当今数/模变换器采用采样—保持方法产生模拟信号。虽然采样—保持技术能够产生真正模拟信号的很近似表示，但DAC的采样—保持特性也会在更新速率时引起特殊的图像。内插法针对此问题，把图像远离感兴趣的带宽。这可以减轻对模拟滤波的要求。因为，可以采用具有更好通带平顶性的更高频率截止。另一个好处是内插法改变了所产生信号的线性度。因为采样—保持DAC跟随(SinX)/X幅度响应，所以，DAC带宽边缘的信号稍微有点失真。相对于信号带宽增加采样率，会降低(SinX)/X滚降影响。

　　其次，内插可以结合连续抽取或内插级使能采样就绪变换。当今无线装置必须支持多种通信标准，也必须能以不同的符号率产生基带信号。因为基带信号必须在符号率的整数倍采样，所以，采样率必须采用DAC的恒定更新率。

　　最后，增加基带波形采样率使能窄带信号数字上变频到中频。数字上变频是混频基带I和Q信号到数字载波的过程。做为数字上变频部分，同一个数字同相和正交相载波混频I和Q信号。此外，需要在可以用来表示数字载波的采样率上采样基带波形。

　　如图4所示，基带I和Q信号在与数字控制振荡器NCO(数字IF载波)混频前，必须经脉冲整形和内插级。

　　注意，DSP技术的应用(如数字上变频和数字下变频)不仅局限在无线装置中。事实上，在测试仪器中，RF向量信号发生器和向量信号分析仪，都采用DSP技术做为数据缩减机构。