钟冬军 ZHONG Dong-jun；全海燕 QUAN Hai-yan
（昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650500）
（Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of science and Technology，Kunming 650500，China）
摘要：高速信号处理算法的研究主要是针对目前日益激增的网络数据流量给各大运营商带来的巨大难题而提出。本文针对几种目前研究比较集中的信号处理算法进行分析，并进行对比，能够为高速信号处理算法的选择提供一定的理论支持。
Abstract： The research of high-speed signal processing algorithm is mainly based on the current growing surge of network data flow which bring huge problems to the operators. This article analyzes and compares several concentratedly studied signal processing algorithms. It can provide certain theoretical support for the choice of high-speed signal processing algorithm.
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关键词 ：高速信号；算法；研究；对比
Key words： high speed signal；algorithm；research；comparison
中图分类号：TN911.72 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0207-03
作者简介：钟冬军（1991-），男，四川遂宁人，研究生（在读），研究方向为信号与信息处理；全海燕（1970-），男，云南红河州人，博士（副教授），研究方向为信号处理、智能决策与优化。
0 引言
随着互联网行业的高速发展，目前世界上日均数据流量与几年前相比，有了极大的增长。据统计，目前Twitter每日信息流量超过7T，Facebook上图片流量日均超过10T，由于视频产生的流量更是无法统计。高速信号传递给世界各大运营商提出了严峻的挑战，如何提高信号处理速度、效率以及准确率，是当务之急，对于在目前有限带宽情况下，提高数据传输速率具有重要作用。本文针对两种高速信号处理算法分别进行分析和对比。
1 两种高速信号处理算法
1.1 基于FPGA的正交混频变换算法
正交混频变换算法在高速信号处理领域，尤其是雷达信号处理方面适用性较高，且信号处理效率也较高。但是传统的正交混频变换算法在实现过程中，是通过对I、Q两路模拟信号进行数字化采样实现，而由于该两路模拟信号所通过的模拟器以及乘法器等存在一定的不一致性，在信号传输过程中也不稳定，因而数字信号零飘大，稳定性差，在对高速信号进行处理时力有不逮。基于FPGA（现场可编程门阵列）对该算法进行实现，能够实现高速、高采样率数字信号的高效处理。
1.2 基于多相滤波的信号处理算法
多相滤波算法的提出主要为适应不同速率数字信号的传输、存储以及编码，能够在很大程度上节省计算资源，还能够解决系统兼容性问题。多相滤波算法的核心技术是内插以及抽取技术。内插技术是通过在样本中间插入采样，通过增大采样频率来提高系统采样阶数，增加采样冗余的技术；抽取技术则是降低系统采样频率，以实现较低采样频率。两种技术对系统采样率的改变量越大，导致的运算量也就越大。
1.3 两种算法对比
从计算资源和周期来看，基于FPGA的正交混频变换算法计算量要比多相滤波信号处理算法大的多，但是当内插或抽取次数增加到一定程度时，会导致系统采样率超过时钟频率，对采样系统硬件造成巨大压力。因此，在单级或有限级内插、抽取的采样率内，多相滤波算法具有明显的优势。
2 给予FPGA的正交混频变换算法
2.1 算法原理
正交混频变换算法的实质是对模拟采集到的模拟信号进行数字序列化，由时域信号转换为频域信号，将此频域信号同两正交本振序列作积后，再通过低通滤波对信号进行处理。基于FPGA的算法，在工程应用时一般对采集信号的实部和虚部数据进行分别传输，并将数据存入ROM中，在对信号进行处理前由ROM中读出数据，并与正交本振序列在乘法器中进行运算。在该种算法中，每一路信号的处理均需要采用一个23阶的低通滤波器，同时配备乘法器24个，这样就加大了系统工作量，拖慢了运算速度。若对信号进行八分之一抽取，也就是每经过8个时钟周期，输出一次结果，这样就会在较大程度上降低算法工作量，提升工作速度。
2.2 信号处理实例
利用802.11ac协议的相关规定，产生一路原始信号，采样频率160MHz，对信号进行基于FPGA的正交混频变换，处理结果如图1。
上述结果表明，该种方法能够得到较好的处理结果，但是在处理过程中，需要采用较多的加法器以及乘法器来实现数据的处理，导致系统处理效率较低。
3 多相滤波算法
3.1 级联内插
多相滤波算法的核心技术是在同一级联内对信号进行多相滤波以及整数倍采样率之间的变换，也就是对信号进行由高到低采样率的分解。图2为级联内插的等效图。
在级联内插结构中，通过多相滤波，可以将频率为2fx的信号x（n）分解为采样频率均为fx的两路信号x0′（n）和x1′（n），这就是单级内插的过程。当需要对信号进行多级内插时，以I相分解为例，可以将原始采样频率Ifx的信号分解为多个采样频率为fx的信号，这种分解方式在语音传输领域应用较多。
3.2 抽取
对于多相滤波算法而言，低通滤波器的h（n）为所选滤波器冲击响应，则有如下：
上式即为多相滤波算法所采用的滤波器结构，将此结构应用于信号处理后，可以看到，所有的信号处理过程中，滤波器均滞后于抽取器D，也就是说在原始信号经过一轮降速后再进行滤波处理，大大降低了滤波器的工作量，能够提高滤波器工作效率，对于高速信号处理而言，实时处理速度明显提升。此外，该种多相滤波算法还能够减少在计算过程中产生的累积误差，保证计算精度。
3.3 信号合成
原始信号经过多相滤波处理后，尤其是经过级联内插处理后，会成为几路信号进行传输，当到达信号接收终端时，需要对分解后的信号进行信号整合与逆变，具体过程如图3所示。
图3所示为信号的逆变合成过程，在该过程中，原始信号采样频率为4fx，经过多相滤波后，分解为4路采样频率为fx的信号，此过程经过两次级联内插完成；在信号合成过程中，首先将4路信号合成为两路信号，即完成信号由采样频率fx到采样频率2fx的首次合成；第二步将两路合成后信号再次恢复成采样频率4fx的原始信号，具体过程如图4所示。
3.4 信号处理实例
利用802.11ac协议的相关规定，产生一路原始信号，采样频率160MHz，对信号进行分解处理后，得出如图5所示波形。
在上述过程中，对该信号进行2级内插进行处理，在采用该多相滤波算法，在乘法器选择时发现，在分解后的通道中每一路都需4个乘法器，但是在原始信号的时钟频率范围内，单个乘法器可以进行多次独立运算，因此，设计时完全可以采取乘法器复用的设计方式，仅需16个乘法器。图5所示结果即为改进后多相滤波处理结果，经过改进后的多相滤波算法，相对于之前所采用的算法来说，信号处理速度有了较大提高。
4 结语
本文对两种不同的高速信号处理算法进行了研究，并对该两种算法进行了同一信号的处理，结果表明，多相滤波算法相较于基于FPGA的正交混频算法而言，具有更高的信号处理速度，同时信号质量也能得到很好的保证。
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