一种基于采样率转换的宽带信号合成方法及其系统

技术领域

本发明属于数字化信号合成领域，具体涉及一种基于采样率转换的宽带信号合成方法及其系统。

背景技术

数字化信号合成技术可灵活、方便地产生各类信号，在各个科技领域发展过程中发挥着至关重要的作用。受芯片制造工艺限制，单片数模转换器(Digital-to-AnalogConverter,DAC)结构的信号合成技术逐渐难以满足不断提升的信号带宽需求。采用多路并行的信号合成架构以突破单片DAC的性能限制，是目前提升信号合成系统输出带宽、实现更高带宽信号合成的有效途径。在现有的并行合成技术中，时间交织DAC技术受DAC零阶保持特性的限制，难以有效提升系统输出带宽。模拟多路复用DAC技术对系统时钟具有严苛的要求，难以实现。频率交织DAC技术(Frequency Interleaved DAC，FI-DAC)通过在频域对宽带信号进行分解，有效地避免了上述两种技术中存在的问题，更易于实现，是目前用于提升信号合成系统输出带宽的最佳选择。

然而在FI-DAC信号合成系统中，由于抗镜像模拟滤波器的固定带宽限制了系统采样率的灵活性。因为在每个子带通道中，抗镜像模拟滤波器的通带频率范围应与子信号有效分量的频率范围保持一致，这样才能保证有效分量顺利通过滤波器，镜像分量被抑制。但是，模拟滤波器一旦被设计完成，其通带频率范围将难以改变。若此时改变系统采样率将导致信号有效分量的频率范围发生变化，从而与滤波器通带频率范围不匹配，造成输出信号失真。因此，FI-DAC信号合成系统一旦完成设计，只能工作在固定的采样率下，无法满足实际应用中系统采样率实时高分辨率可变的需求。针对FI-DAC采样率不可变这一问题的研究，目前尚未有相关的报道，极大的限制了FI-DAC信号合成系统投入实际应用。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于采样率转换的宽带信号合成方法及其系统，以解决FI-DAC信号合成系统中采样率不可变的问题，实现任意采样率下的宽带信号合成。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于采样率转换的宽带信号合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采样率转换：将采样频率为f′

S2、数字域信号分解处理：

S2.1、将数字宽带信号x[n]的频率分量分解至M个子带，得到M个窄带信号x

S2.2、对M个窄带信号x

S2.3、对每路基带信号x

S3、模拟域信号恢复处理：

S3.1、M个降采样处理后的基带信号由M个采样频率为f

S3.2、通过模拟上变频将M个模拟基带信号恢复至其原始的频率位置，并利用模拟带通滤波器滤除模拟混频操作产生的镜像杂散分量，得到M路模拟子带信号y

S4、使用合路器将M个模拟子带信号y

进一步地，一种实施上述基于采样率转换的宽带信号合成方法的系统，其特征在于，包括：采样率转换模块、FI-DAC信号合成系统。

其中，所述采样率转换模块，用于将采样频率为f′

所述FI-DAC信号合成系统，用于将宽带信号在数字域分解为多个能被DAC模块合成的子信号，并在模拟域将子信号还原，从而提升系统的输出带宽。

进一步地，FI-DAC信号合成系统，包括频带分解模块、数字下变频模块、数字低通滤波模块、数字降采样模块、DAC模块、模拟低通滤波模块、模拟上变频模块、模拟带通滤波模块和信号合路器。

其中，所述频带分解模块，用于将数字宽带信号x[n]的频率分量分解为M个窄带信号。

所述数字下变频模块，用于对M个窄带信号进行数字下变频操作，得到M个基带信号。

所述数字低通滤波模块，包括M个数字低通滤波器，用于滤除数字下变频操作产生的镜像杂散分量。

所述数字降采样模块，用于对基带信号进行M倍的降采样处理，以匹配DAC模块的采样率。

所述DAC模块，包括M个并行的DAC单元，用于将数字基带信号转换为模拟基带信号。

所述模拟低通滤波模块，包括M个模拟低通滤波器，用于滤除DAC数模转换操作产生的镜像杂散分量。

所述模拟上变频模块，用于对模拟基带信号进行上变频操作，恢复至其原始的频率位置，得到M路模拟子带信号。

所述模拟带通滤波模块，包括M个模拟带通滤波器，用于滤除模拟混频操作产生的镜像杂散分量。

所述信号合路器，用于将M路模拟子带信号合成得到最终的输出信号。

若不添加采样率转换模块，FI-DAC信号合成系统的采样率随输入信号采样率变化而变化，将造成DAC输出信号分量在0～f′

本发明提供的一种基于采样率转换的宽带信号合成方法及其系统，解决了现有FI-DAC信号合成技术中由于模拟滤波器带宽固定导致信号合成系统采样率不可变的问题。本发明方法通过多路DAC并行的信号合成结构突破单一DAC的性能限制实现系统输出带宽的提升，同时利用采样率转换技术使得装置可实现任意采样率的数字宽带信号合成，满足不同的应用测试需求。

附图说明

图1为基于采样率转换的宽带信号合成系统示意图；

图2为实施例的双路DAC并行的信号合成系统；

图3为实施例中不进行采样率转换得到的信号合成结果；

图4为实施例中经过采样率转换后得到的信号合成结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图2为双路DAC并行的实施例系统，其中信号的采样率转换以及数字域操作在计算机(Personal Computer,PC)上使用Matlab完成；两个子信号的数模转换功能由任意波形发生器AWG5014B的两个通道的DAC完成，单个DAC的采样率为900MSPS，则系统采样率为1.8GSPS；低通滤波器的通带频率范围为0～450MHz；混频器的模拟本振由射频信号源N5173B提供，同时为了保证整个系统的时钟同源，任意波形发生器的参考时钟由射频信号源的参考时钟输出提供；带通滤波器的通带频率范围为450MHz～900MHz。在下面实施例中分别介绍进行采样率转换和不进行采样率转换两种情况下的输出信号情况。

S1、采样率转换：

设置输入信号的采样率为1.35GSPS，输入信号是由250MHz、300MHz、340MHz和380MHz正弦信号组成的宽带信号，输入波形长度为1350个波形样点。若利用采样率转换模块对输入信号进行采样率转换，则信号的采样率变为1.8GSPS，输入信号的频率分量仍为250MHz、300MHz、340MHz和380MHz，波形长度变为1800个波形样点。

S2、数字域信号分解处理；

S2.1、首先通过频带分解模块将宽带信号的频率分量分解至2个子带；若S1中不进行采样率转换，DAC的采样率随输入信号变化为675MSPS，则输入信号中250MHz和300MHz的信号分量分解至第1路子带，340MHz和380MHz的信号分量分解至第2路子带；若S1中进行采样率转换，DAC的采样率固定为900MSPS，则250MHz、300MHz、340MHz和380MHz信号分量全部分解至第2路子带，得到两个窄带信号。

S2.2、接着将窄带信号通过数字下变频操作将信号分量搬移至基带，并利用数字低通滤波器滤除数字变频操作产生的镜像杂散分量，得到两个数字基带信号；若S1中不进行采样率转换，第2路的数字本振信号频率为337.5MHz；若S1中进行采样率转换，第2路的数字本振信号频率为450MHz。

S2.3、因为采用2路DAC并行，因此需要对每个数字基带信号进行2倍的降采样率处理，以匹配DAC的采样率。

S3、模拟域信号恢复处理：

S3.1、将降采样处理后的的数字基带信号通过任意波形发生器的外部导入功能输入到AWG5014B中，完成数模转换输出模拟基带信号；然后利用模拟低通滤波器进行抗镜像滤波，得到滤除了镜像杂散分量的模拟基带信号。若S1中不进行采样率转换，通道1输出信号有效分量频率为250MHz和300MHz，镜像分量频率为375MHz和425MHz；通道2输出信号有效分量频率为340MHz和380MHz，镜像分量频率为335MHz和295MHz。若S1中进行采样率转换，通道1输出信号有效分量频率为250MHz、300MHz、340MHz和380MHz，镜像分量频率为520MHz、560MHz、600MHz和650MHz。

S3.2、通过模拟上变频将2路模拟基带信号恢复至其原始的频率位置，并利用模拟带通滤波器滤除模拟混频操作产生的镜像杂散分量，得到2路模拟子带信号。

S3.3、最后使用信号合路器将2个模拟子带信号合成，得到最终输出信号。

在模拟域中，S1中是否进行采样率转换仅影响模拟本振的频率，若不进行采样率转换，第2路的模拟本振信号频率为337.5MHz，若进行采样率转换模拟本振信号频率为450MHz。由于模拟滤波器设计完成后，无法改变其通带频率范围，因此低通滤波器的通带频率范围仍为0～450MHz，带通滤波器的通带频率范围仍为450MHz～900MHz。若S1中不进行采样率转换，通道1输出信号中375MHz和425MHz镜像分量在滤波器的通带范围内，得以保存，通道2输出信号中375MHz和425MHz的有效分量处于滤波器的阻带范围内，被抑制，造成最终合成的输出信号失真，如图3所示；若S1中进行采样率转换，所有信号分量均处于通道1的滤波器通带频率范围内，镜像分量均处于通道1的阻带频率范围内，实现了完美滤波，如图4所示。