TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 11, Novembe r   2014, pp. 78 2 4  ~ 783 1   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i11.60 70          7824     Re cei v ed Ap ril 7, 2014; Re vised July  1 8 , 2014; Accept ed Augu st 5, 2014   Direct Radio Frequency Sampling System on Software- defined Radio       Luo Jun y i*,  Lei Lin, Che n  Er y a ng, Zhao Yongxin   Schoo l of elect r onics a nd inf o rmation e ngi ne erin g,  Chen gd u Univ ersit y , C hen gd u, 610 10 6, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : luoj un yi 20 09 @qq.com       A b st r a ct  A traditio nal  as sumptio n  u nde rlying  most dat a conv erters is  that the si gna l  shou ld  be sa mp le d a t   a rate exc e e d i ng tw ice the  hi ghest freq ue nc y. In this pa per , w e  emp l oy a  meth od for  low -rate sa mp lin of   mu lti- b a n d  s i g nals  via  a pply i ng  peri o d i c n o nun ifor sa mp ling  i n  s h ift-inv a ria n t spac es  gen erate d  by   ke rn el s wi th  p e r i o d  T. So , th e  sam p li ng  a n d  re co n s tru c ti on  o f  si g n a l s we re  tra n s fo rm ed  i n to   m a tri x   and  vector op eratio ns, the gen era l i z e d   invers e c an be  use  to fi nd the a n sw er and a n  inter p olator is  used  to   insur e  th at co mp lete  reco nst r uction  w ill  be  ach i eve d . Fin a lly, w e  v a l i da te the   metho d  in  MATLAB; t h e   concl u sio n  of simulati on sh ow s the frame-w o rk presente d  h e re is feasi b le.       Ke y w ords gen eral i z e d  in verse rec onstr uction, p e rio d i c  non unifor m   sampli ng, sh ift-invari ant sp a c es,   mu lti- ba nd sig nals, inter pol at or    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  One   g oal i n  d e sig n ing  so ftware  define d  ra dio  (SDR) re ceiver is to  move the  an alog-to - digital  conve r ter (A DC) a s   clo s as po ssible  to th e a n tenna  [1]. T o  a c hieve  thi s  g oal,  one  can  manag e to u s e a wi deb an d high-sp eed  ADC to co n v ert the RF signal s to digital sign als. Wi th  the develop m ent of wirele ss technol ogy, this  en able s   the modul atio n of  narro w-b and  signal s by  high ca rri er freque nci e s. T o  demod ulate  the desir ed sign als, the required samp ling rate for the  ADC  co uld of ten be too  hig h  to be  attain ed if the  Nyq u ist samplin g  theorem is to  be  satisfied  [2].  The u n iform  band pa ss  sa mpling m e tho d  ha s be en p r opo se d to fig u re  out the p r oblem [3 -5], and   this is a prom ising  way for multi-ba nd ra dio  com m uni cation. The u n iform ba ndp ass sam p ling  is  the intentiona l aliasin g  of the  informatio n band width  of the sign al   [ 6 , 7]. The sa mpling fre que ncy   requi rem ent is no long er b a se d on the frequ en cy of  the RF carrier, but rather o n  the informa t ion   band width  of the sig nal.  Thus, th e re sulting  pr o c e ssi ng rate  can be  si g n ificantly redu ced.  However, the uniform  sam p ling still  suffers f r om m any constraint such probl em  of timing jitter in  A/D conversi on p r o c e s s [8]. For  non u n iform  sam p l e s, the r e  are  both ite r ative metho d s a nd  noniterative  method s to  recreate  the  signal s; the s e  metho d s pre s up po se  exa c t kno w led g e  of  the sam p le l o catio n s. Thi s  is n o t alwa ys the ca se,  and the r e m a y occur  situ ations  whe r e  the   locatio n  data  is unavail able  or partially a v ailable [9].   A signal  cla s s that plays a n  importa nt role in  sampli ng theo ry is signal s in shift-invari ant  (SI) s p ac es  [10]. A s a mple in s h ift-invariant s p aces  wa s pro p o s e d  to overco m e  these p r obl ems.  The recon s truction  of sa mpled  sig nal s is a c hiev e d  by formin g li near combin ations  of a  set o f   recon s tru c tio n  functio n  th at spa n  a  subspa ce; su ch fun c tion s can  be exp r esse d a s  li near  combi nation s  of shifts of  a set  of ge n e rato rs with  perio d T. T h i s  mo del e n compa s ses m any  sign als  used  in co mmuni cation an d si g nal p r o c essin g . Any sign al   x ( t ) in a SI  space ge nerated  by  m   functions shifted wit h   pe riod  T  can be  pe rfect l y recovere from  m  sam p ling sequ en ces,  obtaine d by filtering  x ( t ) wit h  a ban k of  m  filters and un iformly sampli ng their outp u t s at times  nT This p ape r is orga nized a s  follo wed. S e ction II sets  up the  sampli ng mod e l. In Section   III, we use  generali zed i n verse to  recover sampl ed  signals. I n  sectio n IV, we analyze the  recon s tru c tio n  error. Finall y , section V shows sim u lati on re sults.       2. Proposed  Scheme   The archite c t u re of pa rallel  samplin g system is sh own  in Figure 1.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dire ct Ra dio  Freq uen cy Sam p ling Syst em  on Software-define d  Ra dio (Lu o  Ju nyi)  7825     Figure 1. The  Mode of the Periodi c Non uniform Sam p ling        The non unifo rm sam p ling  process co nverts a con t inuou s anal ogue si gnal  x ( t ) L 2 - spa c e i n to its discrete represe n tation, th e arch ite c ture  of peri odi c n onunifo rm  sa mpling  syste m   is sh own in Figure 1.    Let  a i ( t ) a s  on e of  s  nonu niform sample  seque nces,      () () ( 0 1 ) n i tT n i at i s                    ( 1 )      Whe r e, T is the sam p ling  perio d,  is se q uen ce sepa ra tion.  One of  s  sampled func tions ,          () ( ) ( ) n n i y xn T i t n T i t                          (2)    Whe r e,  01 is  And the co rre spo ndin g  sp e c tra i s  given by:       2/ 1 () ( 2 ) / jn i T i n T YX n T e                    ( 3 )     In orde r to reco nstruct  x ( t ) from thes e s a mples   y [ n ](  y [ n ]= [  y 0 [ n ],  y 1 [ n ],…, y s- 1 [ n ]]), it is  assume d tha t   x ( t ) lies in  a subspace  V ( φ )of  L 2 . In this pape r, we defin e that the  V ( φ ) are   gene rated by  m  space fun c tions  φ ( t ).    1 2 0 () { [ ] ( ) : [ ] } p m pp pn z Vt n T r n L rn         We can repre s ent any  x ( t ) V ( φ ) as  follow:     1 0 () [ ] ( ) m pp pn z tn T xt rn                     ( 4 )     The only re striction o n  the c hoi ce of the function trai n{ φ p ( t )}   is for g u a rante e ing a  uniqu e   stable  re pre s entation of a n y  signal i n   V ( φ )  b y    s e qu en c e   { r p [ n ]},  so  the ge nerato r φ ( t ) mu st  form  a Rie sz b a si s  of   L 2 . In othe r wo rd s, there  exist two con s tants  0 and ,  such t hat :     2 1 22 22 0 2 [] [] ( ) []   rr m pp pn z nn t n T n r             ( 5 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  78 24 – 783 1   7826 Whe r e,  1 0 2 2 2 [] [] r m p pn z nn r   , 2 is  L 2  norm.   Propo sition : if and only if () I IW , the gen erato r   φ p ( t - nT ) f o rm  a Rie sz b a si s .     Whe r e,  I  is the identity matrix:    1, 1 1 , ,1 , () m mm m W ww ww         , * () () 1 2/ 2/ ab ab nz wn T n T T          Her e ψ ( ω ) is the Fourie r transfo rm of  φ ( t )                   Proof:  (5)  can  be rewritten  as follo w:     2 22 * 22 [] [ ] ( ) [] rr r n z nn t n T n dt            ( 6 )     From the the o ry of Parseval:    22 ** 1 [] ( ) ( ) ( ) 2 R r nn zz n t nT dt dt               ( 7 )     Whe r e,  () R is the discrete -time  Fourie r tran sform of [] r n , and  () R  is 2 π -peri odi c.   Then (7)  can  be re written a s    2 * 2 ** 0 2 * 0 1 () ( 2 / ) 2 1 ( ) (2 / ) (2 / ) ( ) 2 () () () 2 R RR RR n n z z nT d t nT nT d T Wd             (8)     We can have  (9) from Parseval:    2 2 * 2 0 1 [ ] () () 2 RR r nd                   ( 9 )     It is  eas y  to know  () W  is  a p o sitive self-adjoi nt whi c h  ha real  non neg a t ive eigenval ues.  Let   is the minim a l eigenvalu e s  and   is the maximal eige nvalue s. We  can h a ve:    ** * ( ) ( ) () () ( ) () ( ) R R RR RR BI AI W      The co ncl u si on ca n be obt ained that  φ p ( t - nT ) form a Rie sz b a si s if and only if   () I IW The a bove - m entione d sub s pa ce   V ( φ ) i s  a  single  spa c e, the  mo re  intere sting  aspect  we  are con s ide r i ng is that  x ( t ) lies in a uni on  of subspa ce () p V (0 p m -1).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dire ct Ra dio  Freq uen cy Sam p ling Syst em  on Software-define d  Ra dio (Lu o  Ju nyi)  7827 () ( ) p V xt                       In Fourie r do main, (4)  can  be rep r e s e n ted as follo w:     1 0 () () () m pp p XR                        ( 1 0 )      Whe r e,  R P ( ω ) is the  discrete-time F o u r ier tran sform  of  r p [ n ],  ψ p ( ω ) i s  the  Fo urie r tra n sfo r m of  φ p ( t ).  We can obtai n the DTFT o f  the i-th chan nel sam p le s [] i y n   by (3) an d (5 ):    1 2/ 0 1 2/ 0 () ( 2 / ) ( 2 / ) () ( )   1 1 2/         =   m j ni T pp np m jn i T pp pn i Y R nT nT e T Rn T e T                                                             (11)    Whe r e, the fa ct that the  () p R  is  2 -pe r iodi c.   An appropri a te matrix rep r ese n t of (11) i s  given by:\    () ( ) () YH R                              (12)    Whe r e,  01 1 ( ) ( ( ), ( ) , ( )) ' s YY YY      01 1 () ( ( ) , () , ( ) ) ' m RR R R    0, 0 0 , 1 0 , 1 1, 0 1 , 1 1 , 1 () .. . m ss s m H hh h hh h          2/ , 1 () ( 2 / ) jn i T ip p n T hn T e          Our aim i s  to obtain value s  of  R ( ω ). The  method of re constructio n  is to solve Equation (10 ) .       3. Recon s tr u c tion Mode    The a pproa ch in thi s  pa p e r i s  to recovery sample sign als i n  two step s. Fi rst ,  we u s the ge neralized inve rse () H to find  r i [ n ] (0 i m -1 ); second, a n  inte rpolator is e m ployed t o   achi eve the  compl e te  re constructio n  o f  sampl ed  si gnal. Th e fu ndame n tal  stage s for the   recovery of sampled  sign a l s are  sho w n i n  Figure 2.          Figure 2. The  Block of Reconstructio n  Bank  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  78 24 – 783 1   7828 We defin e the function a s   follow:     1 0 2 ˆ [] [] s ii in Z J yn yn                      ( 1 3 )     Whe r e,  ˆ [] i yn  is  coefficient th a t  is  obtain e d  via  sa mpli n g  the  re co nstructed   conti nuou s tim e   sign al.     Again by Parseval  we hav e:    1 2 0 ˆ     ( ) ( ) ˆˆ         ( ( ) ( ) ) ( ( ) ( ) ) s ii i H JY Y d YY YY d            (14 )     Whe r e,  () i Y and  ˆ () i Y  is th DTF T  of  [] i yn  and   ˆ [] i yn  r e spec tively. (  ) H   de note s  the  Hermitian co njugate.     ' 01 1 () ( ( ) , ( ) , , () ) s YY Y Y  ' 01 1 ˆˆ ˆ ˆ () ( ( ) , () , , () ) s YY Y Y    We have     11 , 00 2/ ˆ () () ()              ( 2 / ) ms ij p j kj jn i T p nZ YY H nT e                 ( 1 5 )                                            Whe r e,  , () pj H  is  the  pj th elemen t of matrix () H A matrix represe n t of (8) is given by:    ˆ ( ) () () () YQ H Y                      ( 1 6 )     Whe r e, 2/ , (2 / ) () jn i T p n ip nT e Q        Subs titute (9) into (7), we have:    (( ) ( ) ( )( ) )         ( ( ) ( ) ( ) ( ))     H YQ H Y YQ H Y d J                  ( 1 7 )     Whe n  the value of the equ ation (17 )  is  mini mum, the  generalized i n verse ca n b e  attained by:     () () / ( () () ) HH HQ Q Q               ( 1 8 )     As  s o on as  the  r [ n ] is obtai ned, we  can  have the re co vered  x ( t ) through a n  interpolator.   T is d e fined  as the  oversa mpling p e ri od ic that satisfy / N TT M , we can  re write (3)  as  follow:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dire ct Ra dio  Freq uen cy Sam p ling Syst em  on Software-define d  Ra dio (Lu o  Ju nyi)  7829     1 0 [] [ ] ( ) NN m pp pc z x nMT c nT cT r                       (19)    Up sampli ng t he  seq uen ce  ( x [ nT N ]: n Z ) by fa ctor of   M , the dth  sub-seq uen ce  is  given  by:     1 0 [] ( )   [] m NN p p N N pc z d d cn M T T c T xn M T T r            (20 )     The DT FT of (14 )  is:      1 , 0 () () () m pp d p d XR                            (21)    Finally, we ca n have the re con s tru c ted  signal s in Fou r ier dom ain:     1 0 1 1 , 0 0 1 1 , 0 0 () () () ( ) () ( )                   M jd d d M m jd pp d p d M m jd pp d p d MM MM R R xe x M e e                 ( 2 2 )       4. Error analy s is    We will defin e an angle b e twee n two clo s ed sub s p a ce s A and B of a Hilbert space   V [11]:      ,1 co s( , ) i n f B fA f A BP f                             (23)    ,1 si n ( , ) s u p B fA f A BP f                           (24)    Whe n  the re con s tru c ted  sign al  () x tV , we can  co ncl ude  the sam p lin g error  (( ) ) ex t  as  follow:     22 2 2 2 ( ( ) ) () ()                   ( ) ( ) ( )                   ( ) V V V ex t x t x t Pxt x t P x t Px t          (25 )     From (25), we c an have:    () ( ( ) ) VV Px t P e x t                          (26)    Whe n   () x tV W  ( W  is the sam p ling  spa c e ) , we  can have the  Equation (27):    ( ( ) ) () () ( ( ) ) VW ex t x t x t E x t          (27 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  78 24 – 783 1   7830 Whe r e, (( ) ) VW E xt  is the oblique p r oje c tion onto  a l ong  W Furthe r, the i n fimum a nd t he Sup r em u m  of  samplin g erro can  b e  given  by Equation   (28 )   22 22 2 ( ( )) si n( , ) ( ( ) ) ( ( )) c o s( , ) VV Px t V W e x t Px t V W         (28 )       4. Simulation  In the section, we  will val i date the  reconstruction al gorit hm i n  M A TLAB. We  desi gn a  sampli ng sy stem that the  sampli ng cha nnel s are  s =2. The co rre spo ndin g  no nuniform sa mple   seq uen ce s in  Figure 1 a r   0 () ( ) at t n T   and 1 () ( ) at t n T  , we defi ne  /3 T  that  is the se que n c e sepa ration  betwee n  two  interleaved  u n iform sampl e  seq uen ce s.   The gene rat e   function 0 () t and   1 () t  are given as follow:    0 2 2 3 () ( ) si n c j t T te t T                               (29)    1 2 2 3 () ( ) sin c jt T te t T                              (30)    Whe r e,  T  is the sam p ling  perio d.  We supp ose that the input multi-ba nd si gnal:      88 7 ( ) s i n( 10 ) s i n ( 1 0 ) 3 x tt t              ( 3 1 )       (a)     (b)     (c )     (d)     Figure 3. The  Sampling System Simulati on   0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 x 1 0 -7 -2 -1 . 5 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 2 t i m e s( s) A m p l i t ud e( v ) 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 x 1 0 -7 -2 -1 . 5 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 2 ti m e s ( s ) A m p l i t ud e( v ) 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 x 1 0 -7 -2 -1. 5 -1 -0. 5 0 0. 5 1 1. 5 2 ti m e s( s ) A m pl i t ude ( v ) 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 x 1 0 -7 -2 -1. 5 -1 -0. 5 0 0. 5 1 1. 5 2 ti m e s( s ) A m pl i t u de( v ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Dire ct Ra dio  Freq uen cy Sam p ling Syst em  on Software-define d  Ra dio (Lu o  Ju nyi)  7831 5. Conclusio n    In this  pape r,  we  u s e a  ge neral  fram ework to treat  sampling  of m u lti-ban sign al. Our  intere st is th a t  focused  on  how to  re co n s tru c t si gnal  compl e tely. The ap pro a ch  we  cho s e n  a r e   that proj ect t he si gnal  ov er b a si s fun c tions a nd  th e n  sa mple th e  basi s   co efficients. Th e lat t e r   focu se s on  u s ing  gen erali z ed i n verse t o  obtain   r i [ n ] ( 0 i m -1 ). We  sho w e d   that by usi n g  a  interpol ator t o  gain the co mplete multi-band  signal  x ( t ) from  r [ n ]. Finally, the simulation p r ov ed   the method we prop osed is feasible.       Ackn o w l e dg ements   Suppo rted by  Younge r Sci ence Fund of  Che ngd u Uni v ersity (20 1 3 X JZ22     Referen ces   [1]  CH T s eng, SC  Cho u Dir ect  dow nconv ersi o n  of  mu ltipl e  R F  signa ls us in g ba nd pass s a mp lin g . Proc.   ICC. 2003; 3: 2 003 –2 007.   [2]  DM Akos, M S t ockmaster, JBY T s ui, J Caschera.  D i rect b and pass s a mp ling  of  multi p l e  distinct RF   signals.  IEEE Trans.   Commun. , 1999; 47( 7): 983– 98 8.  [3]  RG Vaughan,  NL Scott, DR  White.  T he theor y  of bandpas s sampling.  IE EE T r ans. Sig nal Pr ocess. 199 1; 39(9): 19 73– 19 83.   [4]  W ong, T S  Ng. An efficient al gorithm for do w n -c o n vertin g multipl e  ba nd p a ss sign als usi ng ba nd pa s s   sampli ng.  Proc. ICC , Jun. 2001; 3: 910– 914.   [5]  DM Akos, M S t ockmaster, JBY T s ui, J Caschera.  D i rect b and pass s a mp ling  of  multi p l e  distinct RF   signals.  IEEE Trans.   Commun. , 1999; 47( 7): 983– 98 8.  [6]  AJ Co ulso n. A  ge nera lizati o n  of n onu nifor m  ba ndp ass s a mpli ng.  IEEE  T r ans. Si gna l  Processi ng 199 5; 43: 694 704.    [7]  YP Lin, PP V a i d yan a tha n . Per i odic a l l y  n onu n i form samp lin of ban dp ass si gna ls.  IEEE Trans. Circ u its   Syst. I I . 1998; 45; 340 –3 51.   [8]  Mane l Ben- Ro mdha ne, Ch ihe b  Reb a i, Ad el  Ghaz el. No n-U n iform Samp lin g Schemes for  IF  Sampli n g   Radi o Rec e iv e r . SET I T  2009  5th Internatio nal C onfer e n c e : Sciences  of Electronic, T e chno log i es of   Information and T e leco mmun i catio n s. 200 9.  [9]  DM Bechir B R . Anal ysis  of timing j i tter an d di ther  effects on  A/D converter f o r soft w a re ra d i o s y stems .   IEEE-ISIVC, Bi lba o , Espag ne.  2008.   [10]  YC Eldar. Sam p lin g an d reco nstruction i n  ar bitrar y  s pac es and o b li qu e du al frame vector s.  J. F ourie r   Analys. Appl. , 200 3; 1(9): 77– 96.   [11]  W S  T ang. Obliq ue  pr ojecti ons, b i orth ogo nal  Ri esz  ba ses a ndmu l ti w a vel e ts in  H i l bert sp ace .   Procee din g s of  the American  Mathemat ic al  Societ y. 200 0; 128( 2): 463- 47 3.  [12]  M Mishali, YC Eldar. Bli nd multi-b and si gn al  re constructio n :  Compresse d sensi ng for an alo g  sign als .   IEEE Trans. Signal Process. , 200 9; 57: 993 100 9.   [13]  MICHAEL UNSER, Sampling  50  Ye ars aft e r Sha n n on.  P r ocee din g s of  the IEEE . 20 0 0 ; 88( 4): 56 9- 588.   [14]  O Christens en,  YC Eldar. Ge nera lize d  shi ft- invari ant s y ste m s and frame s  for subsp a ce s.  J. F ourier   Analys. Appl. , 200 5; 11: 299 313.   [15]  YM Lu, MN D o . A theor y fo r sampli ng si g nals from a  u n io n of subs p a ces.  IEEE Trans. Signal  Processi ng . 20 08; 56(6): 2 334 –23 45.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.