基于DSP和AD9857的数字上变频设计硕士学位论文.doc

分类号 密 级 U D C编 号 1 0 4 8 6武汉大学硕士学位论文基于DSP和AD9857的数字上变频设计 IThe Design of Digital Frequency Upconvert based Digital Signal Processor BYZhang Ying郑 重 声 明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者（签名）： 年 月 日毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要近三十年发展起来的高频地波雷达，是一种可以连续监测大面积海域的海洋遥感设备，能探测到海洋表面风、浪、流等基础要素的信息，以及海面上低速移动的舰船、低空飞行的飞机等硬目标，具有覆盖范围大，探测精度高，运行费用低廉，实时性好，不受天气及海洋气象条件影响等突出特点，在海洋开发和利用方面具有广阔的应用前景。目前所知的高频地波雷达系统，均是为特定的探测距离，按一定的分辨率而设计，这样的雷达系统缺乏灵活性，无法满足实际应用的需要。不论是遥感海洋表面状态参数，还是探测海上硬目标，迫切需要在不变更硬件系统的条件下，高频雷达技术指标和参数可灵活设置。基于软件无线电思想的高频雷达通用硬件平台，其开放性、数字化、标准化和可编程的特性，为未来高频地波雷达的发展提供了可能。数字信号处理技术和数字上/下变频技术是构建高频雷达通用硬件平台的关键技术。利用数字信号的可编程性，产生参数可以灵活设置的雷达基带信号，使雷达通用平台既能用于探测不同距离的海域，又能提供不同的分辨力，获得不同的目标探测精度。本文设计了DSP控制数字上变频器（DUC）进行数字上变频的方案。由于目前DSP器件规模和速度的限制，利用DSP芯片对基带信号直接进行数字上变频至中频信号还比较困难，因此采用了DSP和DUC两次上变频的方法完成。由DSP芯片TMS320VC5409产生低频基带信号，内插提高数据率，并控制正交数字上变频器AD9857在数字域完成二次内插、正交调制、D/A变换等，输出调制后的模拟信号，完成雷达发射通道的数字上变频和数模转换的功能。论文给出了硬件电路设计和软件仿真的结果证明。另外，本文对线性调频中断连续波（FMICW）的波形参数设计和性能做了一些研究，按照雷达系统指标要求给出了波形参数的设计过程和具体参数值。关键词：数字上变频，DSP， AD9857，高频地波雷达ABSTRACTThe High Frequency Surface Wave Radar (HFSWR) is a new tool developed within the past three decades in the field of remote sensing of ocean surface dynamics parameter，such as currents, wind and wave etc. It also can be used to detect the “hard targets”, such as slowly moving vessels, low flying aircrafts. Compared with other detecting methods, It providers broad detection coverage, real-time result output, the high detecting precision, and the cheap operating costs but not subjects to bad weather or sea state. As a result, it promises a bright future in exploring and developing the ocean.As we know, most HFSWR systems, which are dedicated to given detection range, or specific resolution are lack of flexibility and cannot satisfy the actual usage. Considering detecting both the ocean surface states parameters and low speed moving targets in different range of the ocean areas, it is urgent for us to build a kind of HFSWR which functions can be reconfigured neatly, without changing its hardware system. A hardware-platform on the frame of Software Defined Radio (SDR), with its open, digital, standardized and programmable features, makes it possible for the next generation HFSWR.The DSP, Digital Up Converter (DUC) and Digital Down Converter (DDC) are key technology of the hardware-platform. It produces flexible base band signal which can provide different diction range and resolution. In this paper, a method is designed based on the programmable digital up converter AD9857 under the command of DSP. Because of scale and speed restrictions of current DSP devices, it is difficult to directly conduct up frequency conversion at the intermediate frequency (IF) by DSP devices. Here, we adopt a way of digital up frequency conversion twice with DSP and orthogonal DUC AD9857. The DSP produces base band signal at relative low frequency, and make interpolation to improve data rate. After that, the data flows to AD9857, and AD9857 implements secondary interpolation, quadrature modulation, D/A transformation controlled by DSP. Finally the DUC system outputs analog IF signal. The scheme has simple structure with flexible control and can well satisfy the requirement of SDR.The paper also makes an investigation about FMICW on its parameter design and performance, and lays out the whole process and result.Key words: DUC，DSP，AD9857, HFSWR目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 高频地波雷达11.2 基于软件无线电的雷达通用平台21.2.1 软件无线电概述21.2.2 雷达通用硬件平台31.3 本文各章内容安排5第二章 数字上变频相关理论72.1 多速率信号处理理论82.1.1 整数倍内插82.1.2 整数倍抽取92.1.3 采样率分数倍变换112.2 高效数字滤波理论122.2.1 半带滤波器（HB）122.2.2积分梳状滤波器(CIC)132.3 数字混频正交变换理论15第三章 线性调频中断连续波体制分析173.1 调频中断连续波工作原理173.1.1 FMICW信号波形173.1.2 距离信息的提取193.1.3 速度信息的提取203.2 调频中断连续波体制性能分析223.3 雷达基本参数设计25第四章 硬件电路设计274.1 上变频系统总体规划274.2 芯片选型274.2.1 数字信号处理器TMS320VC5409284.2.2 数字上变频器AD9857324.2.3 片外RAM、ROM及接口电路334.3 硬件电路模块设计354.3.1 电源模块设计354.3.2 C5409片外存储器配置364.3.3 C5409与AD9857接口分析364.4 印制电路板（PCB）设计39第五章 系统软件设计435.1 DSP集成开发环境CCS435.2 AD9857参数设计445.3 软件设计与仿真455.3.1 系统软件设计455.3.2 算法有效性验证47第六章 总结与展望51参考文献52致 谢55第一章 绪论海洋是人类赖以生存和发展的重要环境，是地球表面尚未得到充分利用的巨大资源宝库，尤其是在人类社会面临人口膨胀、资源匮乏、环境污染等一系列重大难题的今天，海洋的充分开发利用是人类社会面临的重大任务和研究课题。海上的任何活动，无论是海洋开发与研究，还是海洋环境监测、灾害预报和保卫领海主权，都依赖于对风、浪、流、潮等海洋环境要素基础数据、变化规律的掌握和预测预报。因此迫切需要先进的海洋环境监测设备和技术，对海洋环境实现全方位、多手段的立体监测，及时准确地掌握海洋自身运动变化的规律。1.1 高频地波雷达国际上近三十年发展起来的高频地波雷达是一种可以连续监测大面积海域的遥感设备，可以探测到波浪的定向分布、流速流向、风速风向等海洋表面动力学基础要素的信息，以及海面上低速移动的舰船、低空飞行的飞机等硬目标。高频地波雷达用于海洋环境监测具有明显的优势：覆盖范围大，探测精度高，运行费用低廉，实时性好，不受天气及海洋气象条件影响，可全天候工作，并能探测到视距以外的海域，是现有海洋遥感设备不可替代的关键技术1,2,3。武汉大学于1986年开始用高频无线电波探测海洋表面状态参数的研究，并于1993年利用自行研制的海态监测分析雷达OSMAR(Ocean State Measuring and Analyzing Radar)在广西北海圆满完成现场实验1，随后于2000年成功研制了两部探测风、浪、流及海上低速移动目标的中远程高频地波雷达OSMAR2000。整体性能指标达到国外90年代中期先进水平4。20012003年，结合当前最新集成电路技术和新兴的软件无线电技术，对OSMAR2000的接收系统进行了升级，取名OSMAR2003，新的雷达系统集成度更高，灵活性更强，可操作性更好。设计雷达系统的传统方法是根据探测目标的性质，采用基于硬件、面向用途的设计方法，设计出的雷达系统往往功能比较单一、灵活性差，无法适应在不同的环境下对不同属性的目标进行智能化跟踪探测的需要，若探测任务变更，原有的设备就可能无法胜任，需要更换整套设备。不仅雷达研制单位需要付出许多重复性劳动，雷达用户也增加了额外的购买成本，给使用和维护雷达也带来极大的不便。若能研制出同时兼顾近程、中程和远程的高频地波雷达通用平台，利用软件重新配置雷达工作参数来完成不同海域的探测任务，就能实现一机多用，真正体现出高频地波雷达在海洋遥感、目标探测等方面廉价高效的优势。 1.2 基于软件无线电的雷达通用平台软件无线电是在20世纪90年代初期提出来的一种新的无线通信系统体系结构。它的基本思想是以开放的、可扩展的、结构简单的硬件为通用平台，把尽可能多的通信功能用可升级、可替换的软件来实现。如果能把软件无线电的设计思想应用于雷达的设计研制，也就是实现软件化雷达，那么就能比较圆满的解决目前雷达设计中所存在的问题。在无须更换硬件设备的情况下就可以探测不同的海域，或执行同一海域的不同探测任务。1.2.1 软件无线电概述众所周知，由于无线通信设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点，在现代通信中的起着举足轻重的作用，广泛的应用也使得无线通信系统的种类越来越多，越来越复杂。不同的无线通信系统由于自身的特点而应用于不同的场合：短波电台适合远距离传输，发射功率不大，其“中继系统”-电离层不会被摧毁；卫星通信能传播高质量的信息，提供很宽的频带；微波通信抗干扰能力强，适合大数据量传送，但只能用于点对点传输。然而工作频段、波形结构、调制方式、通信协议、数字信息的编码加密方式等的不同，极大的限制了不同通信系统之间的通信互联，给协同作战、跨国经商、海外旅游等活动带来极大的不便。为了解决兼容性问题，各国进行了积极探索，1992年5月，在美国电信系统会议（IEEE National Telesystems Conference）上，MITRE公司的Joe Mitola首次明确提出了软件无线电的概念，其核心思想是：构造一个具有开放化、标准化、模块化的通用硬件平台，使A/D和D/A尽量接近天线，并通过软件加载实现各种无线通信系统的不同功能5。软件无线电的主要特点可以归纳如下：1. 系统功能软件化：软件无线电将A/D和D/A变换尽量向射频端靠拢,将中频以下全部进行数字化处理，使通信功能由软件来控制，硬件系统的更新换代变成软件版本的升级，开发周期与费用大为降低。2. 系统结构实现模块化：采用模块化设计，模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准。同类模块通用性好，通过更换或升级某模块就可实现新的通信功能。3. 利于互换：不同的通信系统都基于相同标准的硬件平台,只要加载相应的软件就可完成不同的电台与不同系统之间的互联。4. 系统监控方便：由于软件无线电至少在中频以下进行数字化处理,通过软件就可很方便地完成宽带天线监控、系统频带调整、信道监测与自适应选择、信号波形在线编程、调制解调方式控制及信源编码与加密处理。1.2.2 雷达通用硬件平台数字信号处理、数据处理系统是整个雷达软件无线电技术的灵魂和核心，而接收和发射系统则为软件无线电技术的应用提供了舞台。我们可以这样理解：发射系统通过软件控制而任意变换各种波形；接收系统和信号处理系统可在一个通用的、开放式的硬件平台，尽可能用软件来接收各种形式的信号，完成各种算法的运算，输出各种数据格式的运算结果；数据处理系统则以嵌入式计算机作为通用的、开放式的硬件平台，尽可能用软件来实现各种目标数据处理功能、多雷达信号特征融合功能和外设通信功能。这样，应用软件无线电技术的雷达就具有很好的互通性、灵活性和兼容性，使系统互联和升级变得非常方便，因而也具有很好的可靠性；抗干扰性、抗摧毁性、保密性和安全性。因此软件无线电成为数字雷达系统的突破性技术。1. 硬件平台原理图1-1 雷达通用硬件平台原理图雷达通用硬件平台原理框图2,6如图1-1所示。雷达处理中频为，发射与接收中基带信号与中频信号之间的变换都在数字域中完成。混频器的本振频率为，射频信号频率为。发射信号的产生过程是：先由DSP产生两个正交的基带，经软件调制后送入数字上变频器（DUC）中进行内插处理、正交数字混频，以提高输出信号的数据率，输出的数据送入数/模转换器（DAC），由DAC变成模拟中频信号，然后经过滤波和功率放大后进入混频器混频得到射频信号，再经过射频端电路送到天线上发射出去。雷达接收信号的过程与发射信号相反，接收信号经过射频端滤波放大后，与本振信号混频，得到中频处理信号，再次滤波放大后，送入模/数转换器（ADC）转换为数字信号，再经过数字下变频器（DDC）降速处理得到低速基带数字信号，最后送给DSP处理。由图上可以看出，从基带信号的产生到雷达处理中频全部都在数字域中完成，这种设计思想带来的最大好处是灵活性强，便于修改。图中省略了DSP芯片的一些外设设备，如片外RAM和FLASH等(后文会详细介绍)，选择不同的芯片，平台结构也会稍有变化。如图中标识的，受限于目前DSP的处理能力，数字上/下变频由专用的芯片来完成，然而随着数字技术的进一步发展，DSP芯片的规模和速度的进一步提高，最终所有的数字信号处理将由DSP芯片完成，从而真正实现软件无线电。2. 硬件平台关键技术软件无线电有很多优势，但同时它也对相关技术提出了更高的要求。基于软件无线电的通用硬件平台的具体实现，需要以下关键技术6,7,8,9：l 开放式总线结构软件无线电的一个重要特点是其开放性，这主要体现在软件无线电所采用的开放式标准化的总线结构上，只有采用先进的标准化总线，才能发挥软件无线电适应性广，升级换代方便等特点。高频地波海洋监测雷达的系统总线的选择从VME到VXI再到如今的LXI，总线性能不断优化，可靠性和数据传输率也不断提高。l 高速数字信号处理技术DSP芯片是软件无线电的灵魂和核心所在，软件无线电的灵活性、开放性、兼容性等特点主要通过DSP芯片为中心的通用硬件平台及DSP软件来实现。从前端接收下来的信号，或从功放发射出去的信号都要经过DSP芯片的处理：或频谱分析、信号解调、信号类型识别，或进行信号的数字上下变频，或进行各种各样的数字调制、数字滤波、比特流的编码、译码、同步信号的获取等等。软件无线电中的DSP芯片除了能适应运算处理的高速度、高精度、大动态范围、大运算量外，还应具有高效率的结构和指令集、较大的内存容量、较低的功耗等特点。DSP芯片擅长实时数据处理，但在智能控制方面有所欠缺。上面提到，如果采样速率较高，DSP处理数据的压力将会非常大，即使是目前处理速度最快的单片DSP芯片-TI公司的C6X系列，这还不能完全满足软件无线电的要求。另外系统进行实时处理时，大量的数据要进出DSP，DSP吞吐数据能力的不足也是一个瓶颈。因此很难用DSP直接处理宽带射频或中频信号。由于实际通信往往是窄带的，其信号带宽为几十或几百，可以用多速率信号处理技术对信号预处理，再由DSP完成各种功能。目前采用的办法是用DUC，DDC或FPGA等专用芯片先完成数据处理的部分功能，再用DSP处理剩余的工作。另外，也可以利用多个DSP并行处理的方法来提高DSP的数据处理能力。在使用多个处理器时，必须采用合理有效的方法来连接和协调它们之间的工作，例如：共享中间结果、程序信息、协调工作内容等，这需要在多个处理器之间采用高速专用的数据链路。l 数字上/下变频技术传统的雷达发射通道采用模拟变频技术，用模拟基带信号和本振信号混频形成中频已调信号，精度很难做得很高，线性度也不高，还有多次谐波。而数字上变频技术可以实现高精度，高线性度，无谐波分量的频谱搬移，而且由于有内插过程，基带信号的速率可以较低，这也为DSP处理基带数字信号的调制编码减轻了负担。雷达对接收信号在中频进行数字化，ADC的采样速率较高，用DSP器件或软件对信号后处理的运算量将会非常大。解决的办法是， A/D变换之后先对采样数据进行下变频，把采样数据变换到基带，再利用抽取滤波器降低数据速率，将这些运算量大的任务交给专用芯片完成，既保持了软件无线电的优点，系统又具有可实现性。目前单片的DUC和DDC集成了频率变换、数据率变换、数字滤波、增益控制、重采样、数模转换等一系列功能。DSP产生的两路正交、同相数据通过DUC处理得到所需载频的模拟信号；而采样数据通过DDC处理后形成正交、同相两路输出，两个通路上所用的处理单元相同，保证了两路输出在幅度和相位上具有较好一致性。l 高速A/D、D/A变换技术在软件无线电通信体统中，要达到尽可能多的以数字信号形式处理无线信号，必须把ADC、DAC尽量靠近射频前端，为了减少模拟环节，在较高的中频，甚至射频段就开始对信号进行A/D或D/A。为达到此要求，ADC必须有很高的采样速率和工作带宽，为适应复杂的电磁环境，还要求ADC具有大的动态范围。而对于DAC来说，软件无线电要求DAC拥有高的转换速率和分辨率，但是同时这两个指标是不太容易实现的。目前常用的解决办法是使用多片高速低分辨率的DAC（电流输出型）并联工作，这样既利用了低分辨率DAC的转换速度，同时又提高了的分辨率。但多片并联的DAC使电路的连接更加复杂，灵活性差，还会影响整个系统的信噪比（SNR）、无杂散动态范围（SFDR）和互调失真（IMD）等性能。单片集成是DAC的主要发展方向。1.3 本文各章内容安排本文设计的基于DSP的数字上变频方案是软件无线电雷达通用平台的一部分，由于目前DSP器件规模和速度的限制，利用DSP芯片对中频信号直接进行数字上变频还比较困难，因此采用了DSP芯片和正交数字上变频器进行两次上变频完成。由DSP芯片产生低频基带信号，内插提高数据率，并控制数字上变频器AD9857在数字域完成二次内插、正交调制、D/A变换等，输出调制后的模拟信号，完成雷达发射通道的数字上变频和数模转换的功能。论文的基本结构如下：第一章 绪论。简单介绍了高频地波雷达的研究现状，和发展基于软件无线电雷达通用平台的必然性和重要意义，概括说明了本文所采用的基于DSP数字上变频的基本方案。第二章 数字上变频相关理论。重点介绍了实现本文数字上变频方案所涉及的软件无线电相关理论。主要包括：多速率信号处理理论、高效数字滤波理论、正交数字混频理论。第三章 线性调频中断连续波体制分析。针对脉冲压缩体制的雷达：调频连续中断波（FMICW）进行了性能分析，重点阐述了其工作流程和测速、测距原理并进行matlab仿真。按照雷达系统指标要求给出了波形参数的设计过程和具体参数值。第四章 硬件电路设计。从硬件电路的总体框架入手，参照第三章中设计的波形参数分析比较的同类芯片，确定本方案中选择的具体芯片类型；将电路系统模块化，逐一说明每一模块如何构建，以及电路印制板设计中需要注意的地方。第五章 系统软件设计。将雷达波形参数落实到芯片具体配置上，对整个软件流程进行说明，并给出仿真结果。第六章 对本文所设计的上变频方案进行总结分析，并对下一步的研究工作提出了几点展望。第二章 数字上变频相关理论传统的雷达发射技术，一般采用两种方法：一是将较低频率的数字基带信号经D/A转换后直接载频到发射频率上，另一种是采用锁相环将模拟基频信号倍频到系统所需的载频上。但这两种方法都是在模拟域进行变频，过多模拟器件的使用使得输出端的谐波、噪声及寄生频率等难以抑制，同时不利于整个雷达系统的集成、修改与更新。随着数字技术的发展，软件无线电应用于雷达系统已成必然趋势，数字变频技术因频率分辨率高，频率容易改变，相位线性变化，易于数字控制等优点得到了越来越广泛的应用。数字上变频可以通过两种方式实现。当基带信号进行时域内插后，信号频谱被压缩，并出现一系列的高频镜像，一种方式是直接利用带通或高通滤波器取出高频成分，如图2-1(a)所示，另一种方式则是用低通滤波器取出基频部分，采用数字正交混频的方式将基带信号频谱搬移至本振信号频率上，如图2-1(b)所示。两种方式各有优劣，前者结构简单，但高频镜像只会出现在原采样频率的整数倍位置上；而后者结构上更加复杂，但可以搬移至频谱任意位置。当然也可以将两种方式结合起来，用带通或高频滤波器取出高频镜像，然后由数字正交混频的方式做较小范围的频移调整。 图2-1 数字上变频原理图数字上变频理论是以现代通信中的软件无线电理论为基础，它所依据的基本理论主要包括多速率信号处理理论、高效数字滤波理论，以及数字域正交混频理论。下面将分章节一一说明。2.1 多速率信号处理理论根据带通采样理论，对带限信号进行采样，采样所得的信号速率至少为原信号的带宽的两倍。然而矩形系数为1的抗混叠滤波器实际上是做不到的，这样整个频谱上就会形成一些采样“盲区”。为了减少“盲区”数量，可以提高采样频率，使得瞬时采样带宽尽可能的宽。但是随着采样频率的提高，采样后的数据流速率相应地提高，从而导致后续的信号处理速度跟不上；同样的道理，在处理窄带信号的时候，过低的采样率又与后续的数字信号处理的速率不一致。多速率信号处理为解决这些问题提供了理论依据，其中最重要的也是最基本的就是内插（Interpolation）和抽取（Decimation）理论10,11,12,13,14。2.1.1 整数倍内插要提高数据率，理论上可以对已知的抽样序列进行D/A转换的到原来的连续时间函数，然后再对进行较高抽样-率的抽样的到新的抽样序列。显然这种做法是不经济的，实际中都是采样内插的方法。所谓整数倍内插是指在两个连续原始抽样点之间等距插入个零值，若设原始采样序列为，则内插后的序列, (2-1)式中为内插因子，对内插后的信号进行离散傅立叶变换得到的频谱为 . (2-2)图2-2 给出了内插前后信号的频谱结构，内插后的信号频谱是原始序列谱经倍压缩后得到的，其中图2-2（b）为内插后未滤波的频谱图，这时中不仅含有的基频分量（图中阴影部分所示），还含有频率大于的高频成分（的高频镜像）。若要中恢复原始谱，必须对内插后的信号进行低通滤波（滤波器的带宽为），滤波后原来插入的零值点被平滑成为的准确内插值。通过内插输出数据率提高了倍，即提高了时域分辨率，而频谱结构并没有改变,如图2-2(c)所示。图2-2 内插前后信号频谱结构变化示意图（）若要进一步提高信号的输出频率，则只需用一个带通滤波器取出中的高频成分即可，如图2-1(a)所示，带通滤波器的频率特性为：, (2-3)式2-3中对应于原始基带谱，对应于基带谱的各次倍频分量，这时的内插器实际上起到了上变频的作用，使得输出频率提高了倍，而保持频谱结构不变。式中的幅度增益是因为滤波后只保留个频谱样本中的一个，信号能量平均减少为原来的，由内插的滤波器来弥补这个能量损失。2.1.2 整数倍抽取抽取是内插的反过程，即对采样数据进行降速处理。所谓整数倍抽取就是对原始采样序列每隔个取一个，形成新序列，即：, (2-4)其相应的频谱为： , (2