中頻數(shù)字信號(hào)處理的DSP實(shí)現(xiàn)

向開(kāi)福，楊家偉，張永偉

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

軟件無(wú)線電技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展而得到迅速的發(fā)展。軟件無(wú)線電技術(shù)的基本思想就是通過(guò)高速模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）直接對(duì)模擬中頻信號(hào)進(jìn)行采集，得到離散的中頻數(shù)字信號(hào)序列；用數(shù)字信號(hào)處理的方法對(duì)離散中頻信號(hào)序列進(jìn)行頻譜變換，將中頻信號(hào)的頻譜搬移至基帶，完成數(shù)字下變頻；對(duì)得到的基帶信號(hào)進(jìn)行基帶處理和調(diào)制后，再將基帶信號(hào)的頻譜恢復(fù)到中頻完成數(shù)字上變頻；之后通過(guò)高速數(shù)／模轉(zhuǎn)換器 （DAC）輸出模擬中頻信號(hào)。中頻數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程實(shí)際上就是對(duì)中頻采樣后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻、基帶和數(shù)字上變頻的處理過(guò)程。

1 中頻數(shù)字信號(hào)處理原理

對(duì)于任何時(shí)間函數(shù)f（t），當(dāng)對(duì)信號(hào)以采樣率fs進(jìn)行采集時(shí)，得到時(shí)域離散信號(hào)。由于時(shí)域卷積相當(dāng)于在頻域相乘，因此信號(hào)的沖擊響應(yīng)為采樣信號(hào)的傅氏變換［1］：

上式表明，任何信號(hào)經(jīng)采樣后，頻譜在其強(qiáng)度上正比于采樣頻率，頻譜的內(nèi)容將無(wú)限制地復(fù)制，間隔為采樣頻率。

若信號(hào)的采樣滿足中頻采樣定理 （見(jiàn)式 （2）～ （3））［2］，在采樣率的兩邊將生成互為鏡像的邊帶信號(hào) （見(jiàn)圖1）。

圖1 中頻采樣后信號(hào)頻譜

式中：fs為信號(hào)的采樣率；B為信號(hào)帶寬；f0為信號(hào)載頻；n為自然數(shù)。

為了得到信號(hào)的基帶頻譜 （如圖2所示），必須對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行頻移和濾波，在零頻附近得到互為鏡像的I、Q兩路正交信號(hào)，完成下變頻的過(guò)程。數(shù)字上變頻即將零頻基帶信號(hào)頻譜通過(guò)頻移和濾波恢復(fù)至中頻 （見(jiàn)圖3），過(guò)程和下變頻相反。

圖2 下變頻后得到的基帶信號(hào)頻譜

圖3 上變頻后得到的中頻信號(hào)頻譜

2 中頻數(shù)字信號(hào)處理方法

從前面的分析可以知道，中頻數(shù)字信號(hào)的處理實(shí)際上就是信號(hào)頻譜的搬移和濾波。信號(hào)的時(shí)頻轉(zhuǎn)換、頻時(shí)轉(zhuǎn)換通過(guò)快速傅里葉變換 （FFT）、反快速傅里葉變換 （IFFT）來(lái)實(shí)現(xiàn)，借助于專門的數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP）很容易實(shí)現(xiàn)。下面以數(shù)字下變頻的處理方法對(duì)中頻數(shù)字信號(hào)處理方法加以說(shuō)明。數(shù)字下變頻盡管形式各不相同，但歸納起來(lái)不外乎低通濾波法、希爾伯特濾波法和插值濾波法。

低通濾波法［3］（見(jiàn)圖4）的基本原理和模擬下變頻一致，只不過(guò)信號(hào)的頻移在數(shù)字域進(jìn)行。采樣后的2路信號(hào)分別和相差90°乘法器相乘，得到互為鏡像且無(wú)限復(fù)制的I、Q兩路正交信號(hào)，信號(hào)的頻譜靠近零頻，通過(guò)低通濾波后，得到零頻附近的基帶信號(hào)頻譜，其余部分被濾除。抽取的目的是降低基帶信號(hào)的吞吐率，當(dāng)然同時(shí)也犧牲了信號(hào)帶寬。

在用DSP實(shí)現(xiàn)低通濾波法時(shí)，采樣后的時(shí)域離散時(shí)間序列分為2路，分別和變頻序列做卷積運(yùn)算，之后通過(guò)多階有限沖激響應(yīng) （FIR）低通數(shù)字濾波器得到基帶信號(hào)的頻譜，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)時(shí)域抽取即可送給基帶處理器來(lái)進(jìn)行基帶處理。

圖4 低通濾波法原理框圖

希爾伯特濾波法［4］是通過(guò)希爾伯特濾波將負(fù)的頻譜分量濾除，之后通過(guò)抽取得到基帶信號(hào)頻譜的方法，原理框圖見(jiàn)圖5。

圖5 希爾伯特濾波法原理框圖

對(duì)于一個(gè)理想的希爾伯特濾波器，頻率響應(yīng)為：

式中：ω為信號(hào)的角頻率。

實(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)希爾伯特濾波和延時(shí)濾波器后，信號(hào)的頻譜R′（ω）為：

式中：R（ω）為濾波前的實(shí)信號(hào)頻譜。

將信號(hào)的負(fù)頻譜濾除后，通過(guò)抽取將信號(hào)的正頻譜分量中心移到零。

插值濾波法實(shí)際上就是通過(guò)插值濾波來(lái)代替低通濾波法中的FIR低通濾波，原理框圖見(jiàn)圖6。

圖6 插值濾波法原理框圖

3 中頻數(shù)字信號(hào)處理的DSP實(shí)現(xiàn)

中頻數(shù)字信號(hào)處理的直接DSP實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上就是離散信號(hào)時(shí)間序列通過(guò)DSP的時(shí)頻轉(zhuǎn)換、濾波處理、基帶調(diào)制、頻時(shí)轉(zhuǎn)換等過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的解調(diào)和調(diào)制，相比于傳統(tǒng)的信號(hào)處理，中頻數(shù)字信號(hào)處理的直接DSP實(shí)現(xiàn)直接由軟件實(shí)現(xiàn)，具有更高的靈活性和系統(tǒng)升級(jí)能力。

借助美國(guó)模擬器件公司 （ADI）的TigerSharc TS－201可以實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字信號(hào)的處理。Tiger－Sharc TS－201是主頻為500MHz的靜態(tài)超標(biāo)量超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)的信號(hào)處理器，片上具有4個(gè)鏈路口（Link）和24Mbit低漏電嵌入式同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 （SDRAM），1 024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT為20μs，F(xiàn)IR濾波每階僅為1ns。TigerSharc TS－201豐富的片上資源和極高的速度完全能滿足中頻數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)時(shí)要求。

采用3片TigerSharc TS－201來(lái)進(jìn)行中頻信號(hào)處理，其中ADSP－201A的1個(gè)Link和ADC相連，接收ADC采集的數(shù)據(jù)，ADSP－201A有2個(gè)Link和 ADSP－201B的2個(gè) Link互聯(lián)，ADSP－201A和ADSP－201C也有1個(gè)Link相連，各個(gè)DSP之間除有Link互聯(lián)外，還有Cluster Bus互聯(lián)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7（圖中虛框?yàn)槟M信號(hào)的采集與輸出部分）。其中ADSP－201A用來(lái)接收ADC的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)字下變頻的處理，通過(guò)2個(gè)Link將I、Q兩路基帶信號(hào)送給ADSP－201B，ADSP－201B對(duì)信號(hào)進(jìn)行基帶調(diào)制，將調(diào)制好的基帶信號(hào)通過(guò)2個(gè) Link傳給 ADSP－201C，ADSP－201C對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字上變頻，得到中頻數(shù)字信號(hào)，通過(guò)與DAC互聯(lián)的Link將數(shù)據(jù)傳遞給DAC。各個(gè)DSP之間的共享數(shù)據(jù)可以通過(guò)共享內(nèi)存來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)和傳遞。DSP軟件流程如圖8所示。

圖7 DSP互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

圖8 DSP軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出用DSP來(lái)直接實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的解調(diào)與調(diào)制，大大提高了中頻信號(hào)處理的靈活性和系統(tǒng)的升級(jí)能力，但同時(shí)對(duì)器件的速度和信號(hào)處理的方法提出了更高的要求。

［1］宗孔德.多抽樣率信號(hào)處理 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

［2］Interactive Circuite ＆Systems Ltd.Software Defined Radio （SDR）Products for Radio and Radar［EB／OL］.http：／／www.icst.com.2004－03－05.

［3］Wilson Stephen G.Digital Modulation and Coding［M］.State of New Jersey：Prentice Hall，1995.

［4］Interactive Circuite ＆Systems Ltd.Digital IF Processing ［EB／OL ］.http：／／www.icst.com.2004－03－05.