基于ＤＳＰ的數字信號源軟件設計

摘 要：介紹使用ADSP21160高速數字信號處理（DSP）芯片，實現數字信號源的程序設計；分析使用DSP實現數字信號源的可行性，介紹儀器設備中常用的部分信號形式，列出CW，LFM信號的數學公式，給出工程文件的建立和程序設計流程圖，以及在實際應用中注意事項，利用ADSP21160的Simulator仿真軟件的plot畫圖功能，畫出程序運行產生的部分波形，說明使用DSP設計數字信號源是完全可行的，比模擬信號源有明顯的優越性，修改方便、使用靈活，根據不同的算法就可以產生不同的信號。該文應用ADSP21160數字信號處理器軟件實現了CW，LFM信號在不同包絡中形成的復雜窄脈沖和多脈沖數字信號源。

關鍵詞：數字信號源;模擬信號源;DSP;復雜窄脈沖；多脈沖

中圖分類號：TP368.1;TP311.11 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)22-131-05

Software Design of Digital Singnal Source Based on DSP

YANG Wenji1，LIU Qi2

(1.Navigation College，Northwestern Polytechnical University，Xi′an，710072，China;2.Liuzhou Institute of Measure Technical and Test，Liuzhou，545001，China)

Abstract：This paper introduces a digital signal source software design，based on ADSP21160 high-speed Digital Signal Processing (DSP).Analysis of the feasibility of using DSP to design digital signal source，the often used signals form CW，LFM mathematical models are proposed.The paper gives the software flow chart，the important points in practical application，and plot wave form figures of simulator software using ADSP21160.Using DSP to design digital signal source is totally feasible than the analog signal source，has advantages of using different algorithm to generate different signals，complex narrow pulse and multi-pulse signal source is generated in diflerent envelope of CW，LFM signal is realized by applying ADSP21160.

Keywords：digital singnal source;simulative signal source;DSP;complex narrow pulse;multi-pulse

各種形式的可編程數字信號源在現實生活中有著廣泛的應用，不論在軍用還是在民用方面，都有著相當大的使用價值，如雷達信號、航天系統、航空系統、信號測距、目標識別、探礦、地下文物探測、水下信息定位等。因此，研究和設計各種形式的數字信號源相當有應用價值。

可編程數字信號發生器可以很方便地產生各種信號波形和實現波形之間的轉換。目前各種儀器中常用的正弦波、方波、三角波、鋸齒波都能很方便的產生。本文重點研究某些儀器設備中要用到的單頻（CW波形）、線性調頻（LFM波形）及它們在其他包絡中形成的信號波形。

1 ADSP21160簡單介紹

ADSP21160 是Analog Devices公司生產的高性能32位浮點運算的超大規模數字信號處理芯片，它采用雙核處理器，使得處理器可以處理單指令多數據流（SIMD模式）。1片100 MHz主頻的ADSP21160，具有每秒6億次的浮點運算速度^［1］，片內具有4 Gb的程序和數據存儲器，可以滿足程序運行和數據存儲的需要，在必要時可以進行外部程序存儲器擴充，在主頻為40 MHz時，指令周期可以達到12.5ns。即每秒可以進行8 000萬次運算^［2，3］。

AD公司提供了程序仿真軟件Simulator，可以安裝在PC個人計算機上運行，給程序的開發提供了方便，該器件有豐富的指令系統，適合于各種數字信號處理，程序可以用ADSP21160的匯編語言編寫程序，也可以采用標準C語言編寫程序，極大的方便了程序的開發，縮短程序開發周期。

2 DSP實現數字信號源的可行性

如果一個完整的波形需要10個離散的數字來實現，按照ADSP21160的1個指令周期為12.5 ns，輸出1個數最快需要4條指令（取數、送數、地址增加、判斷轉移），那么輸出1個數字要花費50 ns，輸出1個完整的波形需要500 ns，則產生的數字信號的最高頻率為200 kHz。即使1個完整的波形需要20個離散的數字來實現，產生的數字信號的最高頻率也可以達到100 kHz。因此，使用ADSP21160作為數字信號源生成的處理器，完全可以滿足200 kHz以下的信號源的要求。

3 單頻脈沖信號和線性調頻信號的數學基礎

3.1 單頻脈沖信號（CW波形）

單頻脈沖信號（CW）的函數表達形式可表示為：

f(t)=A(t)cos{2πf0t+θ(t)}(1)

式（1）中A(t)為信號的包絡；f0為信號的中心頻率；θ(t)為初相位。

3.2 線性調頻信號（LFM）

線性調頻信號（LFM）的函數表達形式可表示為：

f(t)=A(t)cos{2πxt±0.5βt2}(2)

其中A(t)包絡，可任意取。

載頻頻率:

x = f0±f(3)

其中，f=BW2；f0為中心頻率。

β=2πBwT(4)

式（4）中Bw為頻帶寬度；T為脈沖寬度。

3.3 單頻脈沖、線性調頻信號的包絡

當式（1），（2）中的A（t）為下式時：

A(t)=x，|t|≤a

0，|t|>a（5）

A(t)為矩形包絡函數， 式（5）中x即是填充在脈沖包絡中的單頻信號的幅度值。

當式（1），（2）中的A（t）為下式時：

A(t)=ttan θ，t

a，t=a

ttan(－θ)，t>a（6）

A(t)為矩形包絡函數，a為梯形最大幅度值。

當式（1），（2）中的A（t）為下式時：

A(t)=Aexp(x－x0)22Δ2(7)

A(t)為高斯包絡函數。其中X0為波包的平均位置；Δ為波包的寬度^［4，5］。

4 數字信號源程序設計

4.1 工程的建立和程序編譯過程

工程的建立和程序編譯運行的過程如流程圖1所示：首先，運行VisualDSP++Environmet 進入Simulator工作環境，點擊Project 創建一個工程（建立“文件名.dpj”文件）。

其次，用C程序設計語言編寫程序（生成“文件名.C”，文件），用ADSP21160匯編語言編寫程序（生成“文件名.asm，”文件），建立頭文件（生成“文件名.h”文件），匯編程序、頭文件可以是多個文件分開編寫。自動生成或編寫idf文件，（生成“文件名.idf”文件）。

在程序編寫完成后，使用Build Project對程序進行編譯，如果編譯不通過，需要對出錯的程序修改，直到編譯通過為止。

如果編譯通過，就可以運行程序，查看結果，假如結果不正確，需要對程序修改，再編譯，再運行，直到結果正確為止。

圖1 創建工程和程序編譯運行過程

4.2 數字信號源程序設計及流程

數字信號源程序設計需要考慮的主要參數為：信號的中心頻率，包絡形式（矩形，梯形，高斯包洛）、填充信號形式（CW，LFM）、脈沖寬度（如5~60 ms等），信號的周期（如0.5~5 s等）。

信號源生成有2種形式：一邊計算一邊輸出，這種方法計算占用了一定的時間，產生和輸出一個數據遠不止4條指令能夠完成，所以，只能適應低頻信號，優點是，波形參數改變方便靈活。所用的數據存儲器容量小。另一種方法是，把要輸出的波形計算好，放在數據存儲器中，這種方法能適應低頻，高頻信號，數據可以反復使用。不足之處是，當波形的1個參數改變時，就得重新計算。所用的數據存儲器容量大。

本文中采用1次計算生成所需波形，放在數據存儲器中，然后反復使用。為了使編寫程序簡單采用ADSP21160匯編和標準C語言結合的方式編寫程序。流程如圖2所示。

圖2中虛線部分為工程應用中所必須的重要步驟，信號生成后，需要反復測量，并對程序中的參數進行修正，直到各項技術指標達到要求為止。由于條件的限制，該文中這部分沒有進行。對于使用ADSP21160的Simulator中的plot畫圖功能，可以參考該軟件的使用手冊，圖形可以顯示在屏幕上，可以存儲，可以打印，使用方便。論文中介紹程序設計的方法和流程，在實際應用中還要具體情況具體分析。

圖2 程序設計調試流程圖

5 程序運行結果

圖3~圖6給出了部分單頻信號（CW）、矩形包絡、梯形包絡、高斯包絡、不同脈寬、不同頻率的比較圖。

圖7~圖11 給出了部分線性調頻信號（LFM）、矩形包絡、梯形包絡、高斯包絡、不同脈寬、不同頻率的比較圖。

圖12是部分多脈沖信號圖。

5.1 單頻脈沖信號（CW）部分波形圖

單頻脈沖信號（CW）部分波形圖，如圖3~圖6 所示。

5.2 線性調頻脈沖信號（LFM）部分波形圖

線性調頻脈沖信號（LFM）各種波形圖，如圖7~圖11所示。

5.3 多脈沖信號

多脈沖信號如圖12 所示。

6 結 語

利用ADSP21160數字信號處理芯片，通過軟件編程實現數字信號源的設計，比模擬信號源有其獨特的優越性，波形改變非常容易，只要輸入不同的參數，利用不同的算法，通過不同的輸出延時就可以產生不同的頻率、不同幅度、不同周期、不同脈寬、不同包絡的信號波形，靈活、方便、信號形式多樣化。

圖3 初相位為0°和90°的CW信號

圖4 矩形包絡脈沖信號

本文中所有的信號波形都是使用ADSP21160的Simulator仿真軟件的plot畫圖功能，畫出程序運行產生的部分波形，由于該軟件的固有坐標的限制，以及其他因素的限制（例如保密）各種信號的具體參數不能展現給讀者。

圖5 不同頻率的單頻（CW）梯形脈沖信號

圖6 不同頻率的單頻（CW）梯形脈沖信號

在實際應用中，由于應用的對象不同，對信號的要求不同，要采用圖2中的虛線部分的流程，對所產生的信號的幅度、相位、中心頻率、脈沖寬度、信號周期反復測量，對各種參數進行反復修改，直到所需信號的各項技術指標達到設計要求為止。

圖7 正線性調頻信號

圖8 不同頻率的正線性調頻信號

圖9 不同脈寬的調頻（LFM）梯形包絡脈沖信號

圖10 不同脈寬線性調頻（LFM）高斯包絡脈沖信號

參考文獻

［1］蘇濤，吳順君，李真芳，等.高性能DSP與高速實時信號處理.西安：西安電子科技大學出版社，2002.

［2］SHARC DSP Microcomputer ADSP-21160M www.analog.com.

圖11 不同頻率線性調頻（LFM）高斯包絡脈沖信號

圖12 單頻（CW）梯形包絡雙脈沖和三脈沖信號（LFM）

［3］VisualDSP++3.5 Help for SHARC DSPs Analog Devices 2000-2003.www.analog.com.

［4］吳祈耀.隨機過程.北京:國防工業出版社，1984.

［5］徐偉，趙選民，師義民，等.概率論與數理統計.2版.西安:西北工業大學出版社，2003.

［6］熊霞，斯煒瑋，吳瑛.SHARC DSP芯片在陣列信號處理中的性能研究.現代電子技術，2005，28（2）：11-13.

［7］龍凱.基于SRFFT算法的FIR數字濾波器設計及ADSP21160實現.現代電子技術，2005，28（13）:51-55.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文