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多数据速率变换中的插值和抽取

2019-07-13 15:44发布

    一般多速率变换传输系统结构如图1:   多速率变换信号处理概述(插值,抽取)
图1 多速率传输系统结构图     这种结构在传输时进行抽取,可以减少传输的数据量,接收端进行恢复时进行插值,将信号恢复成原始抽样率的信号。但是如果是在数字信号处理中只需要改变数字采样率,一般是先进行插值在进行抽取,以免造成频率混叠。     进行抽取时,原始信号的频谱被周期拓展,如果原始信号最高频率大于抽取之后采样率的一半就会发生混叠(如果是复信号,则信号最高频率大于抽取之后采样率就会发生混叠)。插值也会让频谱周期拓展,但由于输出信号点数增多,所以频率分量只是周期存在,不会发生混叠。     假设某数字序列的采样率是f1,是其最高频率fc的8倍,则抽取前频谱为   多速率变换信号处理概述(插值,抽取) 图2 原始数字数列频谱     进行三倍抽取后有   多速率变换信号处理概述(插值,抽取) 图3 原始信号三倍抽取后的频谱     注意到此时2π变为f1/3,即采样率变为f1/3,不是之前的f1。由频谱结果可以看出没有发生混叠。     但如果进行五倍抽取,则采样率变为f1/5,信号最高频率大于该采样率的一半,会发生混叠。   多速率变换信号处理概述(插值,抽取) 图4 原始信号五倍抽取后的频谱     以上都是对信号进行抽取,插值也会让信号频谱周期拓展,但由于输出信号点数增加,采样率增加,所以频率分量只会周期存在但不会发生混叠。以之前进行三倍抽取之后的频谱(图3)为例,其0到2π周期内的频谱如图5:   多速率变换信号处理概述(插值,抽取) 图5 原始信号三倍抽取之后频谱(0到2π周期内)     对该信号进行三倍插值,得到的信号频谱如图6。可以发现信号的频谱周期性的排列起来,采样率变为之前的三倍。插值不会导致频率混叠。对于该信号只需一个通带截止频率Wp=π/4,阻带截止频率Wp=19π/12的低通滤波器即可得到原始信号,如图7。   多速率变换信号处理概述(插值,抽取) 图6 三倍插值之后的信号频谱   多速率变换信号处理概述(插值,抽取) 图7 经过LPF的信号频谱
    仿真结果如下:     设原始信号为采样率40KHz,时宽10ms,带宽5KHz,载频分别为5KHz和12KHz的LFM信号,对其进行4倍插值和4倍抽取,由理论分析可知插值后信号频谱会周期拓展,不会混叠,信号采样率增大为原来的四倍;抽取后,信号采样率降低为原来的四分之一,且在2.5KHz和4.5KHz之间发生混叠(见图8,9)。由仿真结果可以验证该理论的正确性。   多速率变换信号处理概述(插值,抽取)
图8 4倍抽取会发生混叠(理论结果)   多速率变换信号处理概述(插值,抽取) 图9 原始信号、插值和抽取后信号频谱