一种基于采样率转换的宽带信号合成方法及其系统

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、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：

4、s1、采样率转换：将采样频率为f′s的输入数字宽带信号xinput[n]转换为采样率为mfdac的数字宽带信号x[n]；其中，m为dac模块的个数，fdac为dac模块的最高采样频率。

5、s2、数字域信号分解处理：

6、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x1[n]，x2[n]，…，xm[n]，且满足x[n]＝x1[n]+x2[n]+…+xm[n]；其中，(m-1)fdac/2～mfdac/2频率范围内的频率分量分解至第m路子带，m＝1，2，...，m。

7、s2.2、对m个窄带信号x1[n]，x2[n]，…，xm[n]进行数字下变频操作，并利用数字低通滤波器滤除数字下变频操作产生的镜像杂散分量，得到m个带宽为(m-1)fdac/2的基带信号xband_1[n]，xband_2[n]，…，xband_m[n]；其中，第m路窄带信号对应的数字本振信号频率为(m-1)fdac/2，而第1路窄带信号分量已经处于基带，无需进行数字下变频。

8、s2.3、对每路基带信号xband_1[n]，xband_2[n]，…，xband_m[n]进行m倍的降采样处理，以匹配dac模块的采样率。

9、s3、模拟域信号恢复处理：

10、s3.1、m个降采样处理后的基带信号由m个采样频率为fdac的dac单元转换为模拟基带信号yband_1(t)，yband_2(t)，…，yband_m(t)；dac数模转换操作将会产生镜像杂散分量，因此采用模拟低通滤波器进行抗镜像滤波，其中模拟低通滤波器的通带频率范围为0～fdac/2。

11、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y1(t)，y2(t)，…，ym(t)；其中，第m路模拟子带信号对应的模拟本振信号频率为(m-1)fdac/2，在模拟上变频后，第m路模拟子带信号分量在(m-1)fdac/2～mfdac/2频率范围内，其中第1路模拟基带信号无需进行模拟上变频。

12、s4、使用合路器将m个模拟子带信号y1(t)，y2(t)，…，ym(t)合成得到最终输出信号y(t)，y(t)＝y1(t)+y2(t)+…+ym(t)。

13、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。

14、其中，所述采样率转换模块，用于将采样频率为f′s的输入数字宽带信号转换为系统固定采样率的数字宽带信号。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、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。

21、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。

22、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。

23、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。

24、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。

25、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。

26、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′s/2范围内的，而模拟低通滤波器的通带频率范围无法改变仍为0～fdac/2，将导致f′s/2～fdac/2范围内的镜像分量无法被滤除；同理，模拟上变频后第m路输出信号的频率范围为(m-1)f′s/2～mf′s/2，模拟带通滤波器的通带频率范围无法改变仍为(m-1)fdac/2～mfdac/2，将导致(m-1)f′s/2～(m-1)fdac/2范围内信号的有效分量被滤除，mfs/2～mfdac/2频率范围内的镜像分量无法被滤除，最终导致输出信号严重失真。

27、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。