过采样技术在通信信号处理中的应用探讨
胡秋阳
【摘 ?要】在通信信号处理中，循环平稳信号相对于非平稳信号更易于处理，也更容易实现，而要想实现信号的循环性和平稳性，就要利用过采样技术对通信信号进行处理。因此，过采样技术作为实现信号循环平稳性的关键所在，引起越来越多相关人士的重视与研究。论文介绍了过采样技术定义、过采样技术原理及过采样技术优势，并对过采样技术现状进行研究，得到了其应用方法和场合。
【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.
【關键词】过采样技术;通信;信号处理
【Keywords】oversampling technology; communication; signal processing
【中图分类号】TN911.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文献标志码】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章编号】1673-1069（2021）07-0175-02
1 引言
目前人们正处在信息时代，通信行业飞速发展，通信量在急剧扩大的同时，通信质量也在不断提高。而在大多数情况下，由于通信设备工作条件以及工作环境限制，通信过程中通信信号难免会混杂噪声，会导致通信信号失真，进而影响通信质量。因此，要对接收信号进行通信信号处理，来减小噪声影响，提高通信质量。过采样技术作为常用的通信信号处理技术手段，以其在提高信噪比方面的卓越表现，引起人们的关注与研究。而在促进过采样技术应用于生产生活中时，过采样技术的应用方法不容忽视。本文对过采样技术现阶段应用情况进行分析，以得到其应用方法和场合。
2 过采样技术的定义和原理
2.1 过采样技术的定义
在通信信号处理中，过采样技术是指以远远高于信号带宽两倍对通信信号进行采样的技术。以控制量化噪声的方式，提高A/D转换器信噪比与分辨率。
2.2 过采样技术的原理
由奈奎斯特采样定理可知，为防止通信信号发生混叠失真，应以高于通信信号带宽两倍的频率进行采样。根据采样与量化相关理论可知，通信信号采用不同的采样率进行采样，由于量化比特数没有改变，所以总的量化噪声功率也不会改变。设原采样频率为fs，如果将采样频率提高到R×fs，R称为过采样比率，并且R>1。这时量化噪声的频谱分布发生了改变，也就是噪声会由原本均匀分布在0～fs/2频带内的量化噪声分散到了0～Rfs/2的频带上。若R≥1，那么Rfs/2也就会远大于通信信号最高频率fm，这使得量化噪声大部分分布在低通滤波器的通带以外的高频区域，而分布在低通滤波器通带以内的量化噪声就会相应地减少，因而，模拟抗混频滤波器滤掉fm以上的噪声分量，便可以提高系统的信噪比。
3 过采样技术的优势
过采样A/D转换器具有较高的分辨率，位数高达24位。过采样A/D转换器转换速率高，高于积分型和压频变换型A/D转换器。过采样A/D转换器价格低。过采样A/D转换器内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，降低了对传感器信号进行滤波的要求。
4 过采样技术的应用
4.1 调制信号的分类识别
调制信号的分类识别是指根据接收信号来分辨通信信号的调制方式和相应的调制参数，以此对通信信号进行更深入的分析和研究。调制信号的调制分类识别在信号分析领域起到关键性作用。政府有关部门对通信信号进行识别来防止公民非法利用无线频谱和公民使用无线频谱时对政府相关通信信号的干扰。同时，在军事领域，战争双方会不断监视战场的电磁信号，用以获取敌对方的机密情报，或识别威胁，帮助选择电子干扰策略。现在，采取过采样技术对调制信号进行分类识别，根据二阶和四阶循环累积进行分类和识别是主要的手段。使用不同调制方式会导致通信信号不同的循环累积量，由此人们应该首先对接收的通信信号进行过采样处理，然后分析接收的通信信号的功率谱，进而确定通信信号的循环频率、载波频率，更进一步辨别通信信号的调制方式和相关调制参数。
4.2 盲源分离
盲源分离就是在接收的通信信号的源信号和理论模型无法精确获知的情况下，从传感器中将获取到的通信信号进行恢复以及提取的方式能够获取未知信号源。这种技术对实现信号有效处理起到关键性作用，引起了相关领域人士的关注与研究，并且在阵列信号处理、无线通信、图像处理、生物医学、地震勘测、语音信号分离、声呐雷达等领域得到了广泛应用。经典的盲源分离方法是以循环平稳信号为假设前提的，特别是在通信、生物医学、雷达领域，大多数信号的统计特征都是周期的循环平稳信号。但在实际生产生活中应用时，我们要处理的信号通常是非平稳信号，因此，可以通过采取过采样技术，实现非平稳信号转变为循环平稳信号进而实现盲源分离的目的。这种方法与传统的信号特征重构实现盲源分离相区别，采用更多样的计算基础，同时，使得盲源分离的效果更加有效。传统的盲源分离是依照信号不同的统计特征和空间特性来重新构造阵列输出信号。而利用过采样实现的盲源分离，是使用过采样后信号的循环平稳性作为信号盲源分离的关键性步骤。基于二阶和三阶循环平稳度的盲源分离算法、基于二阶循环累积量的盲源分离算法和基于时频分布的循环平稳信号盲源分离算法是目前利用过采样技术进行盲源分离的几种主要方法。
4.3 盲辨识与盲均衡
在数字和无线通信系统领域，以克服码间干扰为目的，传统上经常采用的方法是根据信道的先验知识或发送训练序列来实现信道辨识与均衡。但是遇到训练序列获取成本太高或者不太实际的情况，就通常使用盲辨识和盲均衡的方法。盲辨识与盲均衡是信号处理领域中的一个重要组成部分，吸引了相关领域研究人员的关注，在语音分离与识别、通信、地震勘探、图像重构等领域得到了广泛应用。现在研究人员主要在利用二阶循环统计量进行盲辨识和盲均衡的算法上作深入研究，这是由于循环平稳信号处理方法抑制干扰和噪声的能力非常强，并且可以对信号的相位信息进行保留。相位信息就保留在循环平稳信号的二阶循环累积量中。循环平稳信号的二阶循环累积量能够识别非最小相位系统。这个算法不但可以加快收敛速度，而且可以减少计算量，但是该算法会使系统的信噪比不可避免地降低，进而使信道容量下降。而利用过采样技术的盲均衡和盲辨识，总体是把过采样过程加在传统的盲均衡算法上，从而接收更详细的传输信道信息，使信道利用率得到了提高，进而使收敛速度得到了加快，达到减小稳态误差的目的。
4.4 雷达信号处理
雷达信号处理指的是以完成雷达数字信号检测和信息提取功能为导向所采取的实施手段，通过采样、保持和分层，把模拟信号转换成数字信号。探测物体的反射回波是微弱的高频信号，经过变频、放大和滤波等处理后转变成某一任意的模拟信号。数字信號处理要使用A/D转换器，把模拟信号转换成为数字信号，然后进行各种运算和处理。雷达系统在空中、海上相关目标的探测方面得到了广泛应用。为精确化检测相应对象目标，在雷达接收机中，最为关键的是实现信号的大范围处理。现代的雷达接收机需要输入带宽足够宽、动态范围足够大、分辨度和灵敏度足够高、采用数字化处理和能够进行多信号处理，从而完成接收雷达信号的工作。
4.5 信号检测
在通信领域，信号检测指的是提取接收到的含干扰噪声的通信信号，主要与数学理论和软件算法有关。当前，通信环境越来越复杂，一般情况下信号检测是在低信噪比下进行的对强背景噪声的微弱信号进行的检测。这种情况下，传统的能量检测方法并不能达到信号检测的相应指标，甚至某些情况下信号的频谱被掩盖在背景噪声中，信号检测工作很难进行。而此时可以利用过采样的信号检测方法，利用信号唯一性特征对接收到的信号进行检测，依照有用通信信号特有的特性用以与噪声信号区分开来进行信息处理，这是因为过采样后的有用通信信号具有循环平稳性，而噪声的三阶及以上的循环平稳统计量为零，所以这时依据高阶循环平稳统计量进行信号检测时，噪声的影响微乎其微，因此，在低信噪比的情况下进行信号检测也能具有较好的性能指标。采用过采样的信号系统检测算法能有效地使计算效率得到提升，使运算时间得到减少，使算法的精度得到提高。目前，该技术在工厂机器的故障检测、微弱阵列感应信号检测和生物医学信号检测中得到广泛应用。
5 结语
在通信领域，通信信号处理起着至关重要的作用。现代通信信号处理技术飞速发展，相关领域研究人员开始意识到循环平稳性这一通信信号所固有的特性，并随之发现利用信号平稳循环性对噪声控制功效的提高、算法的简化具有不可替代的重要作用，而过采样技术作为实现信号平稳性的重要一环，更值得相关领域研究人员的重视。广泛应用过采样技术对通信信号处理技术的进步起到重要的促进作用。本文分析了过采样技术在调制信号的分类识别、盲源分离、盲均衡与盲辨识、雷达信号处理和信号检测中的应用，得到了过采样技术的应用方法和场合。这些研究在过采样技术的应用和通信信号处理领域会起到一定的作用。
【参考文献】
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