试析过采样技术在通信信号处理中的意义

试析过采样技术在通信信号处理中的意义

摘要：过采样技术具有将通信信号平稳循环化，使之更易于处理的技术特性，因此许多需要使用通信信号的技术在处理信号之前都会利用过采样技术对待处理信号进行过滤，以达到提高信号处理精度的目的。这种应用模式令过采样技术获得了极其广泛的应用，包括盲均衡与盲辨识、调制信号、盲源分离、信号检测、雷达信号在内的多个领域都利用了过采样技术来处理通信信号。本文将从过采样技术的机理和其在实际领域中的多重应用特征分析其具体的应用意义，解析其在通信信号处理中的价值和必要性。

关键词：过采样技术；通信信号处理；应用意义

信号统计量具有时变性，这是因为发送的通信信号在发送前基本都被调制成了周期信号，会不停产生周期性变化。但普通的信号处理技术很难反映出这一特性，导致了处理精度的下降。因此我们需要一种具有非平稳信号和平稳信号之间特征，且能反映周期性统计量的特殊信号——循环平稳信号，利用这种信号我们不仅可以提高信号处理的精度，更能提高信号处理的效率，而获得这种信号的关键技术就是能将通信信号循环平稳化的过采样技术。

一、过采样技术概述

过采样技术是针对接收信号的一种采样处理方法，其技术特征是采样速率比波特率高。由于过采样的采样速率一定比Nyquist速率下的采样速率要高，所以只要总功率保持不变，通过信号采样的量化理论能够得出如下结论：如果输入信号在变化幅度上呈现随机分布，但最小幅度仍超过量化阶梯，则量化后的噪声总功率必然是常数，和采样频率不发生关系。过采样技术降低了信号噪声，显著提高了信噪比，并且规避了频谱混叠的干扰现象，能够令经过处理的信号呈现出循环平稳的特征，为后续的信号处理提供方便。

二、过采样技术应用于通信信号处理的现实意义

（一）过采样技术在盲均衡与盲辨识方面的应用意义

数字通信与无线通信系统均存在码间干扰，对通信的影响很大，因此在传统的通信信号处理中，需要令信道实现均衡与辨识，采用的方法有两种，一种是将训练序列发送出去，另一种是将信道相关的先验知识作为依据。这种处理方式虽然有效，但有时会存在无法获取训练序列、成本过高导致无法采用等问题，在这

种情况下，通常以盲均衡与盲辨识的方法来处理信号。

盲均衡与盲辨识的常用计算方法是对二阶循环统计量的一种应用，这种计算方法的应用与循环平稳信号的特征有关。应用了循环平稳信号的处理方法不仅对干扰与噪声有很明显的抑制作用，而且能将信号具有的相位信息保留下来，这样一来由这些保有相位信息特征的循环平稳信号而来的二阶循环累积量就能够辨识出非最小相位系统。这种应用模式的优点和缺点并存，优点在在于计算量不大，而且收敛速度相当快，对处理效率有正面意义；缺点在于几乎没有考虑到系统信噪比的问题，信道容量不得不被压缩。

值得一提的是，如果将过采样技术本身当作盲均衡与盲辨识的计算基础（以与盲均衡算法的结合为主），接收信号中的信道信息就能更加详细化，这相当于令信道利用率获得了提高，一定程度上弥补了信道容量的缺点。另外，这种应用在稳态误差的减小和收敛速度的提高方面也都有很好的效果。

（二）过采样技术在调制信号方面的应用意义

在进行信号分析时，对调制信号进行识别与分类是相当重要的一项工作，尤其是部分政府部门和军方，对该技术有相当迫切的需求。对部分政府部门来说，某些人干扰或者非法利用无线频谱的行为是要予以坚决制止的，为此需要先找出干扰或非法利用的通信信号，因此必须对调制信号进行识别；对军方来说，情报永远是第一位的，不只要尝试对敌方情报加以截获，从中识别出威胁因素，还要以此对电子干扰的策略制定提供参考，这就需要对战场上的各种电磁频谱活动加以监视，从中识别出各种调制信号。

对调制信号加以识别、分类的目的是确定出该信号的调制参数、调制方式等处理特征，这些处理特征会成为之后分析处理中的理论依据。引入过采样技术以后，可以通过二阶循环累积量与四阶循环累积量来做这项工作。调制信号视自身调制方式的不同，循环累积量也会有所区别，因此只要先以过采样技术处理接收信号，接着再以功率谱分析的方式将信号的载波频率、循环频率两项参数确定出来，信号的调制参数、调制方式就都可以得到确定。

（三）过采样技术在盲源分离方面的应用意义

虽然严格来说在通信信号的处理中只属于一项分支，但盲源分离技术的应用在近些年呈现增长趋势，因此在这里也将其作为一个单独的领域加以讨论。通信

信号处理的一大特点就是需要信号和干扰信号的混杂，所接受的信号往往由多个信号交杂而成，其中只有一个或几个是我们需要的信号，其他都是干扰信号，因此有以盲源分离技术将这些信号分离开来的必要。这项技术的技术特征在于源信号、信道参数等都完全没必要获取，只需要利用观测信号的相关知识就能够将具有相互独立特征的未知源信号提取或恢复。

在传统技术中，盲源分离技术的依据是信号各异的空间特征与统计特征，按照这些特征重构整列输出信号就能实现盲源分离。而应用了过采样技术后，盲源分离依据转变为循环平稳信号，以此发展出以下三种盲源分离的计算方法：第一种是以二阶循环累积量为计算基础；第二种是以循环平稳信号的时频分布特性为计算基础；第三种是以二阶循环平稳度与三阶循环平稳度为计算基础。

（四）过采样技术在信号检测方面的应用意义

现实的通信环境往往相当复杂，这令信号检测的工作条件非常不利。过低的信噪比、过强的背景噪声、过于微弱的通信信号，这些不利条件都令旧式的能量检测法的应用能效大幅下降，有时甚至会有背景噪声完全淹没信号频谱，导致检测方法彻底失效的情况。针对这种情况，我们将受噪声影响相当小的过采样技术应用于信号检测，这种方式的信息处理依据是信号的独有特性，可以和噪声区别开来，具体来说，经过过采样处理的信号会转变为循环平稳信号，噪声则具有只要超过三阶，循环平稳统计量都会归零的特点，因此在信号检测时只要将高阶的循环平稳统计量作为依据就能最大限度地消除噪声影响，抵消信噪比低下的不利条件。

过采样技术在信号检测中的应用对信号的处理精度、计算效率、运算时间都有极大的优化作用，因此目前已经被尝试应用在多重领域，包括应用于生物医学检测实验信号；应用于工业检测机器故障；应用于通讯工程感应微弱阵列等。（五）过采样技术在雷达信号方面的应用意义

雷达系统在国防、气象、航空等方面都是必不可少的，其主要作用在于对空域、海域进行目标的探测与检测，因此现代化的雷达接受机对动态范围的要求越来越高。此外，雷达接收机在灵敏度、分辨率、输入带宽、多信号处理、数字化处理等方面也都有非常高的要求，过采样技术应用于雷达的信号接收系统能提高其检测小信号的能力，增强雷达信号接收机的工作能效。