《数字信号处理》第9章信号的抽取与插值—多抽样率数字信号处理基础

第八章多采样率信号处理 信号的抽取与插值 主要内容 引言信号的抽取信号的插值抽取与插值相结合的抽样率转换信号的多相表示几个重要的恒等关系抽取和插值的滤波器实现抽取与插值的编程实现 8 1引言 研究背景研究目的研究内容 8 1引言 8 1 1研究背景至今 我们讨论的数字系统中只有一个抽样率 但是 在实际应用中 各系统之间的采样率往往是不同的 8 1引言 8 1 2研究目的要求一个数字系统能工作在 多抽样率 multirate 状态 以适应不同抽样信号的需要 对一个数字信号 能在一个系统中以不同的抽样频率出现 8 1引言 8 1 2研究目的应用举例 既可传输一般的语音信号 也可传输播视频信号的数字传输系统 在音频世界 存在着多种抽样频率 当需要将数字信号在两个具有独立时钟的数字系统之间传递时 对信号 如语音 图象 作谱分析或编码时 对一个信号抽样时 若抽样率过高 必然会造成数据的冗余 8 1引言 8 1 3研究内容核心内容 信号抽样率的转换及滤波器组 信号的 抽取 decimatiom 减少抽样率以去掉过多数据信号的 插值 interpolation 增加抽样率以增加数据滤波器组 分析滤波器组和综合滤波器组 8 2信号的抽取 抽取对信号频谱的影响先滤波再抽取 设 将x n 中每M个点中抽取一个 依次组成一个新的序列y n 即 8 2 1抽取对信号频谱的影响 n 8 2 1抽取对信号频谱的影响 y n 和x n 的DTFT有如下关系 含意 将信号x n 作M倍的抽取后 所得信号y n 的频谱等于原信号x n 的频谱先作M倍的扩展 再在 轴上每隔作移位后再迭加 P412图9 1 2 8 2 1抽取对信号频谱的影响 抽样 保证 不会发生频谱的混迭 M倍抽取 不会发生频谱的混迭 保证 若M是可变的 为防止抽取后在出现混迭 应对x n 抽取前先作低通滤波 压缩其频带 8 2 2先滤波再抽取 h n 为一理想低通滤波器 滤波后的输出为 对v n 抽取后的序列为y n 时域 8 2 2先滤波再抽取 在 M M 内 抽取后信号的频谱与原信号频谱只是幅度相差M倍 8 2 2先滤波再抽取 频域 8 3信号的插值 插值的概念插零后的信号及其频谱先插值再滤波 8 3 1插值的概念 设 将x n 中每两个点之中补L 1个0 组成一个新的序列v n 即 8 3 2插零后的信号及其频谱 即 插零后信号的频谱V ej 在 L L 内等于X ej 相当于将X ej 作了周期压缩 换句话说 就是V ej 在 内包含了L个X ej 的压缩样本 8 3 2插零后的信号及其频谱 实际实现插值的方法是用v n 和一低通滤波器作卷积 8 3 3先插值再滤波 所以应取c L以保证y n x n L 频域 8 3 3先插值再滤波 即 时域 插值时补进来的零 不再是零 8 4抽取与插值相结合的抽样率转换 合理的方法是先对信号作插值 然后再抽取 使用2个低通滤波器 使用1个低通滤波器 该滤波器既去除了插值后的映像又防止了抽取后的混迭 8 4 1时域上x n 和y n 的关系 记 y n 正是单独抽取和单独插值时时域关系的结合 则 Mn对模L求余 取整 因为h n 是因果滤波器 所以 8 4 1时域上x n 和y n 的关系 y n 可以看作是将x n 通过一个时变滤波器所得到的输出 记该时变系统的单位抽样响应为 所以g n m 是变量m的周期函数 周期为L 因为 8 4 2频域上x n 和y n 的关系 8 5信号的多相表示 意义 使用多相表示可在抽样率转换的过程中去掉许多不必要的计算 因而大大提高运算速度 8 5信号的多相表示 给定序列h n 令 假定M 4 给定序列h n 令 有 8 5信号的多相表示 记 则 若再记 则 类型 I多相表示 8 5信号的多相表示 用M 1 l代替类型I中的l 则有 式中 类型II多相表示 8 5信号的多相表示 用 l代替类型I中的l 则有 类型III多相表示 显然 8 6几个重要的恒等关系 两个信号分别定标以后再相加后的抽取等于它们各自抽取后再定标和相加 8 6几个重要的恒等关系 信号延迟M个样本后作M倍抽取和先抽取再延迟一个样本是等效的 8 6几个重要的恒等关系 在M倍抽取器的前后 滤波器z的幂相差M倍 8 6几个重要的恒等关系 8 7抽取和插值的滤波器实现 抽取的滤波器实现插值的滤波器实现抽取和插值相结合的滤波器实现 8 7 1抽取的滤波器实现 一般框图 先卷积后抽取 先抽取后卷积 8 7 1抽取的滤波器实现 将滤波器系数分组来实现信号的抽取 8 7 1抽取的滤波器实现 可以用多相结构来实现信号的抽取 抽取多相滤波器 8 7 1抽取的滤波器实现 抽取的多相结构实现 8 7 2插值的滤波器实现 一般框图 插值多相滤波器 8 7 2插值的滤波器实现 直接多相实现 高效多相实现 8 7 3抽取和插值相结合的滤波器实现 一般框图 直接多相实现 高效多相实现 8 8抽取与插值的编程实现 插值多相滤波器 抽取多相滤波器 定义 时变滤波器 所以g n m 是变量n的周期函数 周期为L 8 8抽取与插值的编程实现 8 8抽取与插值的编程实现 重写抽取和插值相结合的多抽样率转换系统的输入输出关系 该式有利于在计算机上编程以实现信号的抽取与插值 8 8抽取与插值的编程实现 步骤1 对给定的M和L 设计一低通滤波器h n 使其逼近理想低通滤波器 步骤2 将长度为N的h n 分成L个子滤波器 每段长K N L 即 步骤3 将x n 按x Mn L 来转换 n变化时 只有当Mn L为整数时才变化