過采樣技術在通信信號處理中的應用探討

胡秋陽

【摘 ?要】在通信信號處理中，循環平穩信號相對于非平穩信號更易于處理，也更容易實現，而要想實現信號的循環性和平穩性，就要利用過采樣技術對通信信號進行處理。因此，過采樣技術作為實現信號循環平穩性的關鍵所在，引起越來越多相關人士的重視與研究。論文介紹了過采樣技術定義、過采樣技術原理及過采樣技術優勢，并對過采樣技術現狀進行研究，得到了其應用方法和場合。

【Abstract】In communication signal processing， cyclostationary signal is easier to process and realize than non-stationary signal. In order to achieve the cyclicity and stability of signal， we need to use oversampling technology to process communication signal. Therefore， oversampling technology， as the key to realize the cyclostationarity of signal， has attracted more and more attention and research from relevant people. This paper introduces the definition of oversampling technology， the principle of oversampling technology and the advantages of oversampling technology， studies the current situation of oversampling technology， and obtains its application methods and occasions.

【關鍵詞】過采樣技術;通信;信號處理

【Keywords】oversampling technology; communication; signal processing

【中圖分類號】TN911.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）07-0175-02

1 引言

目前人們正處在信息時代，通信行業飛速發展，通信量在急劇擴大的同時，通信質量也在不斷提高。而在大多數情況下，由于通信設備工作條件以及工作環境限制，通信過程中通信信號難免會混雜噪聲，會導致通信信號失真，進而影響通信質量。因此，要對接收信號進行通信信號處理，來減小噪聲影響，提高通信質量。過采樣技術作為常用的通信信號處理技術手段，以其在提高信噪比方面的卓越表現，引起人們的關注與研究。而在促進過采樣技術應用于生產生活中時，過采樣技術的應用方法不容忽視。本文對過采樣技術現階段應用情況進行分析，以得到其應用方法和場合。

2 過采樣技術的定義和原理

2.1 過采樣技術的定義

在通信信號處理中，過采樣技術是指以遠遠高于信號帶寬兩倍對通信信號進行采樣的技術。以控制量化噪聲的方式，提高A/D轉換器信噪比與分辨率。

2.2 過采樣技術的原理

由奈奎斯特采樣定理可知，為防止通信信號發生混疊失真，應以高于通信信號帶寬兩倍的頻率進行采樣。根據采樣與量化相關理論可知，通信信號采用不同的采樣率進行采樣，由于量化比特數沒有改變，所以總的量化噪聲功率也不會改變。設原采樣頻率為fs，如果將采樣頻率提高到R×fs，R稱為過采樣比率，并且R>1。這時量化噪聲的頻譜分布發生了改變，也就是噪聲會由原本均勻分布在0～fs/2頻帶內的量化噪聲分散到了0～Rfs/2的頻帶上。若R≥1，那么Rfs/2也就會遠大于通信信號最高頻率fm，這使得量化噪聲大部分分布在低通濾波器的通帶以外的高頻區域，而分布在低通濾波器通帶以內的量化噪聲就會相應地減少，因而，模擬抗混頻濾波器濾掉fm以上的噪聲分量，便可以提高系統的信噪比。

3 過采樣技術的優勢

過采樣A/D轉換器具有較高的分辨率，位數高達24位。過采樣A/D轉換器轉換速率高，高于積分型和壓頻變換型A/D轉換器。過采樣A/D轉換器價格低。過采樣A/D轉換器內部利用高倍頻過采樣技術，實現了數字濾波，降低了對傳感器信號進行濾波的要求。

4 過采樣技術的應用

4.1 調制信號的分類識別

調制信號的分類識別是指根據接收信號來分辨通信信號的調制方式和相應的調制參數，以此對通信信號進行更深入的分析和研究。調制信號的調制分類識別在信號分析領域起到關鍵性作用。政府有關部門對通信信號進行識別來防止公民非法利用無線頻譜和公民使用無線頻譜時對政府相關通信信號的干擾。同時，在軍事領域，戰爭雙方會不斷監視戰場的電磁信號，用以獲取敵對方的機密情報，或識別威脅，幫助選擇電子干擾策略。現在，采取過采樣技術對調制信號進行分類識別，根據二階和四階循環累積進行分類和識別是主要的手段。使用不同調制方式會導致通信信號不同的循環累積量，由此人們應該首先對接收的通信信號進行過采樣處理，然后分析接收的通信信號的功率譜，進而確定通信信號的循環頻率、載波頻率，更進一步辨別通信信號的調制方式和相關調制參數。

4.2 盲源分離

盲源分離就是在接收的通信信號的源信號和理論模型無法精確獲知的情況下，從傳感器中將獲取到的通信信號進行恢復以及提取的方式能夠獲取未知信號源。這種技術對實現信號有效處理起到關鍵性作用，引起了相關領域人士的關注與研究，并且在陣列信號處理、無線通信、圖像處理、生物醫學、地震勘測、語音信號分離、聲吶雷達等領域得到了廣泛應用。經典的盲源分離方法是以循環平穩信號為假設前提的，特別是在通信、生物醫學、雷達領域，大多數信號的統計特征都是周期的循環平穩信號。但在實際生產生活中應用時，我們要處理的信號通常是非平穩信號，因此，可以通過采取過采樣技術，實現非平穩信號轉變為循環平穩信號進而實現盲源分離的目的。這種方法與傳統的信號特征重構實現盲源分離相區別，采用更多樣的計算基礎，同時，使得盲源分離的效果更加有效。傳統的盲源分離是依照信號不同的統計特征和空間特性來重新構造陣列輸出信號。而利用過采樣實現的盲源分離，是使用過采樣后信號的循環平穩性作為信號盲源分離的關鍵性步驟。基于二階和三階循環平穩度的盲源分離算法、基于二階循環累積量的盲源分離算法和基于時頻分布的循環平穩信號盲源分離算法是目前利用過采樣技術進行盲源分離的幾種主要方法。

4.3 盲辨識與盲均衡

在數字和無線通信系統領域，以克服碼間干擾為目的，傳統上經常采用的方法是根據信道的先驗知識或發送訓練序列來實現信道辨識與均衡。但是遇到訓練序列獲取成本太高或者不太實際的情況，就通常使用盲辨識和盲均衡的方法。盲辨識與盲均衡是信號處理領域中的一個重要組成部分，吸引了相關領域研究人員的關注，在語音分離與識別、通信、地震勘探、圖像重構等領域得到了廣泛應用。現在研究人員主要在利用二階循環統計量進行盲辨識和盲均衡的算法上作深入研究，這是由于循環平穩信號處理方法抑制干擾和噪聲的能力非常強，并且可以對信號的相位信息進行保留。相位信息就保留在循環平穩信號的二階循環累積量中。循環平穩信號的二階循環累積量能夠識別非最小相位系統。這個算法不但可以加快收斂速度，而且可以減少計算量，但是該算法會使系統的信噪比不可避免地降低，進而使信道容量下降。而利用過采樣技術的盲均衡和盲辨識，總體是把過采樣過程加在傳統的盲均衡算法上，從而接收更詳細的傳輸信道信息，使信道利用率得到了提高，進而使收斂速度得到了加快，達到減小穩態誤差的目的。

4.4 雷達信號處理

雷達信號處理指的是以完成雷達數字信號檢測和信息提取功能為導向所采取的實施手段，通過采樣、保持和分層，把模擬信號轉換成數字信號。探測物體的反射回波是微弱的高頻信號，經過變頻、放大和濾波等處理后轉變成某一任意的模擬信號。數字信號處理要使用A/D轉換器，把模擬信號轉換成為數字信號，然后進行各種運算和處理。雷達系統在空中、海上相關目標的探測方面得到了廣泛應用。為精確化檢測相應對象目標，在雷達接收機中，最為關鍵的是實現信號的大范圍處理。現代的雷達接收機需要輸入帶寬足夠寬、動態范圍足夠大、分辨度和靈敏度足夠高、采用數字化處理和能夠進行多信號處理，從而完成接收雷達信號的工作。

4.5 信號檢測

在通信領域，信號檢測指的是提取接收到的含干擾噪聲的通信信號，主要與數學理論和軟件算法有關。當前，通信環境越來越復雜，一般情況下信號檢測是在低信噪比下進行的對強背景噪聲的微弱信號進行的檢測。這種情況下，傳統的能量檢測方法并不能達到信號檢測的相應指標，甚至某些情況下信號的頻譜被掩蓋在背景噪聲中，信號檢測工作很難進行。而此時可以利用過采樣的信號檢測方法，利用信號唯一性特征對接收到的信號進行檢測，依照有用通信信號特有的特性用以與噪聲信號區分開來進行信息處理，這是因為過采樣后的有用通信信號具有循環平穩性，而噪聲的三階及以上的循環平穩統計量為零，所以這時依據高階循環平穩統計量進行信號檢測時，噪聲的影響微乎其微，因此，在低信噪比的情況下進行信號檢測也能具有較好的性能指標。采用過采樣的信號系統檢測算法能有效地使計算效率得到提升，使運算時間得到減少，使算法的精度得到提高。目前，該技術在工廠機器的故障檢測、微弱陣列感應信號檢測和生物醫學信號檢測中得到廣泛應用。

5 結語

在通信領域，通信信號處理起著至關重要的作用。現代通信信號處理技術飛速發展，相關領域研究人員開始意識到循環平穩性這一通信信號所固有的特性，并隨之發現利用信號平穩循環性對噪聲控制功效的提高、算法的簡化具有不可替代的重要作用，而過采樣技術作為實現信號平穩性的重要一環，更值得相關領域研究人員的重視。廣泛應用過采樣技術對通信信號處理技術的進步起到重要的促進作用。本文分析了過采樣技術在調制信號的分類識別、盲源分離、盲均衡與盲辨識、雷達信號處理和信號檢測中的應用，得到了過采樣技術的應用方法和場合。這些研究在過采樣技術的應用和通信信號處理領域會起到一定的作用。

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