基于DSP的短波發(fā)射信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃寶健

（國(guó)家廣播電視總局二〇二二臺(tái)，新疆 喀什 844000）

0 引 言

數(shù)字通信多為短波信號(hào)，用于雷達(dá)、廣播、電話(huà)以及導(dǎo)航等領(lǐng)域。在通信系統(tǒng)中，短波信號(hào)在采集時(shí)易受到噪聲干擾，而且無(wú)法避免，當(dāng)噪聲較多時(shí)會(huì)給短波信號(hào)的準(zhǔn)確性造成影響，難以收集到高質(zhì)量的短波通信信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理器能夠高效率處理信號(hào)，信號(hào)處理及運(yùn)算速度較快，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)、音頻以及視頻等信號(hào)的實(shí)時(shí)處理[1]。

近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也呈現(xiàn)出高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一是精度高，能夠通過(guò)模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)多組短波信號(hào)的準(zhǔn)確處理。二是可靠性高，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)不受環(huán)境溫度影響，在信號(hào)傳輸過(guò)程中能夠?qū)ψ冃涡盘?hào)波進(jìn)行二次重組，完成再生，抗干擾能力較為突出。三是靈活度高，可以根據(jù)需求對(duì)短波信號(hào)進(jìn)行處理，得到不同的信號(hào)波形，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。此次研究就是基于DSP設(shè)計(jì)一個(gè)短波發(fā)射信號(hào)處理系統(tǒng)，為短波信號(hào)采集和處理提供有力支持，提高信號(hào)處理的工作效率。

1 短波發(fā)射信號(hào)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)信號(hào)濾波電路

由于在信號(hào)收集過(guò)程中受到環(huán)境和溫度等因素影響，收集到的信號(hào)會(huì)存在一定的噪點(diǎn)，因此需要設(shè)計(jì)濾波電路，過(guò)濾掉信號(hào)中的噪聲。為滿(mǎn)足硬件系統(tǒng)電源要求，本次電路設(shè)計(jì)采用KI公司的穩(wěn)壓DH/CD芯片TY562314作為內(nèi)核供電芯片，能夠?qū)? V電源電壓轉(zhuǎn)化為DSP所需的1.24 V電壓和外部3.2 V電壓，具體電路如圖1所示[1]。

圖1 信號(hào)濾波電路圖

如圖1所示，外部的3.2 V電壓必須用過(guò)ASI，即濾波器才能接入DSP芯片，避免電源受到外來(lái)因素影響，過(guò)濾掉信號(hào)噪點(diǎn)。為了能夠減少抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更好的效果，此次原件只在電路一側(cè)，沒(méi)有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，直接將信號(hào)復(fù)位，設(shè)置信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路。

1.2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路是通過(guò)外部的時(shí)間變化提供不同頻率，根據(jù)轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，此電路由電容和磁珠組成晶體振蕩器，為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的工作電壓。振蕩器產(chǎn)生信號(hào)時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)36 Ω的電阻并傳送給DSP芯片輸入端。設(shè)計(jì)該電路時(shí)電阻要盡可能靠近線路引腳，減少外界對(duì)其的干擾。設(shè)置電阻阻值在30～50 Ω間變化，當(dāng)振蕩器產(chǎn)生的頻率達(dá)到25 MHz時(shí)，外部會(huì)沿著線路傳送信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖2所示[2]。

圖2 信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路圖

如圖2所示，電源與ASI相連，經(jīng)過(guò)濾波器產(chǎn)生更加穩(wěn)定的電源，確保電路與地線水平，電容要放在電流變化最大的地方，不僅能滿(mǎn)足需求，而且同時(shí)能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2 基于DSP的短波發(fā)射信號(hào)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于DSP構(gòu)建發(fā)射信號(hào)調(diào)試模型

短波信號(hào)通過(guò)信號(hào)通道完成發(fā)射，但在帶寬有限和較短時(shí)間內(nèi)，大多數(shù)短波信號(hào)會(huì)產(chǎn)生噪點(diǎn)，需要構(gòu)建一個(gè)靜態(tài)模型來(lái)描述。一般采用電離分層的物理參數(shù)信號(hào)通道來(lái)構(gòu)建調(diào)試模型，計(jì)算信道模型的變化頻率為：

式中，?z為第z條路徑的延長(zhǎng)時(shí)間；Xc(c)表示路徑的增加重疊效率函數(shù)。將相互獨(dú)立的且含有相同頻數(shù)的信號(hào)數(shù)據(jù)分布在重疊效益函數(shù)上，一般定義為：

式中，Xc(c)和Xzi(c)為兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)相交過(guò)程，具有相同頻數(shù)；cz(0)表示信號(hào)評(píng)價(jià)功率值[3]。在得到信號(hào)頻數(shù)變化值后，調(diào)試模型需要?jiǎng)澐譃橐韵聨讉€(gè)板塊，此次僅設(shè)置3個(gè)板塊。一是數(shù)據(jù)讀取板塊，當(dāng)外界獲取的短波出現(xiàn)在緩存庫(kù)內(nèi)，模型中的讀取板塊需要第一時(shí)間讀取數(shù)據(jù)，同步信號(hào)來(lái)源和圖像數(shù)據(jù)，將信號(hào)短波分為兩路發(fā)送至下一個(gè)板塊。二是數(shù)據(jù)緩沖板塊，緩存模塊的通路中包括兩個(gè)通路，在每一個(gè)信號(hào)通行周期，一個(gè)通路接收來(lái)自另一個(gè)通路的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，完成緩存的62位數(shù)據(jù)向14位的轉(zhuǎn)變，再將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)輸出至下一個(gè)板塊。三是增益板塊，將收到的信號(hào)從14位收縮到10位，提取出原始數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)要求進(jìn)行增益，實(shí)現(xiàn)短波發(fā)射信號(hào)調(diào)試模型構(gòu)建。

2.2 預(yù)估短波信號(hào)發(fā)射前的功率譜

由于短波頻段磁場(chǎng)復(fù)雜，噪聲較多，在信號(hào)處理前需搜索信號(hào)波長(zhǎng)，并進(jìn)行短波信號(hào)譜預(yù)估，將采集到信號(hào)向頻率域轉(zhuǎn)換[4]。通常需要預(yù)估的信號(hào)譜包括頻譜和功率譜，其中頻譜是指一個(gè)時(shí)域內(nèi)的頻率信號(hào)變化情況，能夠通過(guò)傅里葉轉(zhuǎn)換方式直接分解為不同的頻率分量，不需要另外計(jì)算。而功率譜表示信號(hào)所處頻域的能量分布密度，通過(guò)能量的頻域分布揭示該信號(hào)頻域的特征，能夠?qū)π盘?hào)采集的結(jié)果產(chǎn)生直接影響。因此信號(hào)發(fā)射前需估計(jì)信號(hào)功率譜，以降低信號(hào)的噪音。系統(tǒng)采用Welch加權(quán)交疊法的周期圖對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜預(yù)估，在去除噪聲干擾下，提升處理速度。假設(shè)采樣數(shù)據(jù)為Q，采用Welch法得到的搜索功率譜估計(jì)為：

2.3 設(shè)計(jì)檢測(cè)流程處理短波發(fā)射信號(hào)

在預(yù)估短波信號(hào)功率譜后，要將所得信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)短波發(fā)射信號(hào)處理速度的把控依賴(lài)于檢測(cè)程序的復(fù)雜程度。一般先將信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)寄存器得以保存，常用的處理器為時(shí)鐘模式寄存器，能夠在特定時(shí)間點(diǎn)隨意切換邏輯模塊，方便數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)流出[8,9]。以C語(yǔ)言編制程序，完成DSP處理系統(tǒng)的各個(gè)板塊設(shè)計(jì)，確保數(shù)據(jù)空間程序能夠共用向量表以提高訪問(wèn)速度。需要注意的是，時(shí)鐘模式寄存器的默認(rèn)位置設(shè)置為1，將生成的信號(hào)數(shù)據(jù)加載到轉(zhuǎn)換器中，以便根據(jù)具體需要進(jìn)行設(shè)置。檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 檢測(cè)流程圖

由圖3可知，檢測(cè)程序在初次輸入數(shù)據(jù)時(shí)要從0開(kāi)始，將數(shù)據(jù)慢慢壓縮到緩沖，且最大輸入數(shù)據(jù)不能超過(guò)3 000個(gè)。在寄存器中設(shè)置內(nèi)部擦除操作，通過(guò)流程口令發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的微處理器指令，使得寄存器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)疊加算法，在完成計(jì)算數(shù)據(jù)后對(duì)任一指令區(qū)分別進(jìn)行讀、寫(xiě)或擦除操作。擦除指令不能改變數(shù)值及變化幅度，當(dāng)默認(rèn)位置由1變?yōu)?，表示短波信號(hào)處理完成，若默認(rèn)位置上的1沒(méi)有變?yōu)?，輸出控制通道可以選擇另一條控制通路繼續(xù)操作[10]。由此完成短波發(fā)射信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)能夠縮短處理時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式檢驗(yàn)新系統(tǒng)的應(yīng)用效果。測(cè)試共分兩部分進(jìn)行，第一階段測(cè)試信號(hào)處理系統(tǒng)的去噪能力，通過(guò)分析真實(shí)短波信號(hào)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)不同系統(tǒng)采集信號(hào)過(guò)程中去噪的能力。第二階段將處理系統(tǒng)應(yīng)用到樣本語(yǔ)音數(shù)據(jù)中，通過(guò)多輪實(shí)驗(yàn)測(cè)試比較不同系統(tǒng)處理信號(hào)的用時(shí)。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了另外兩組傳統(tǒng)處理系統(tǒng)作為對(duì)照組，在第一階段測(cè)試開(kāi)始之前，通過(guò)ADS8344采集原始語(yǔ)音數(shù)據(jù)，設(shè)置通道為單端輸送，信號(hào)延時(shí)間隔不高于5 s。數(shù)據(jù)庫(kù)的原始語(yǔ)音信號(hào)樣本如圖4所示。

圖4 采集的原始語(yǔ)音信號(hào)樣本

圖4中縱坐標(biāo)在±0.5 mV以外的部分表示有噪音產(chǎn)生。將信號(hào)樣本分別輸送至3組系統(tǒng)中，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別將3組系統(tǒng)調(diào)為單端輸送模式，通過(guò)系統(tǒng)去噪得到處理后的語(yǔ)音信號(hào)數(shù)據(jù)如圖5所示。

根據(jù)圖5顯示的結(jié)果可知，文中系統(tǒng)基本將噪聲去除，且處理過(guò)程中原始波形沒(méi)有發(fā)生任何變化，而兩個(gè)傳統(tǒng)系統(tǒng)在第8～10 s和12～14 s仍有一些噪音，且原始波形發(fā)生了少許變化，對(duì)后續(xù)信號(hào)處理會(huì)造成影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知文中系統(tǒng)在去噪效果上優(yōu)于兩個(gè)傳統(tǒng)系統(tǒng)，能夠有效進(jìn)行信號(hào)處理。為了更好了解新系統(tǒng)在信號(hào)處理時(shí)間上的變化，選取10組樣本進(jìn)行測(cè)試，比較3個(gè)系統(tǒng)對(duì)同一樣本的處理時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 3個(gè)系統(tǒng)處理短波發(fā)射信號(hào)時(shí)間對(duì)比結(jié)果

圖5 3個(gè)系統(tǒng)去噪效果對(duì)比圖

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比，3個(gè)系統(tǒng)處理信號(hào)的平均時(shí)間約為4.39 s、16.36 s以及17.39 s。計(jì)算每組數(shù)據(jù)之間的差值，文中系統(tǒng)所用的時(shí)間比傳統(tǒng)系統(tǒng)分別縮短了11.97 s、13.01 s。由此可見(jiàn)，新系統(tǒng)能夠縮短信號(hào)處理時(shí)間，提高工作效率。

4 結(jié) 論

此次研究根據(jù)短波信號(hào)發(fā)射原理，結(jié)合DSP數(shù)字信息處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)建立了全新的短波發(fā)射信號(hào)處理系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化短波發(fā)射信號(hào)的處理流程。此次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)就是將DSP數(shù)字信息處理技術(shù)與加權(quán)交疊平均算法相結(jié)合，通過(guò)前者保證采集信號(hào)時(shí)不受噪聲干擾，利用后者預(yù)估信號(hào)發(fā)射前的功率譜，使得設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)實(shí)用性更強(qiáng)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，通過(guò)對(duì)比發(fā)射信號(hào)處理速度，發(fā)現(xiàn)新系統(tǒng)能夠有效去噪，其短波信號(hào)發(fā)射處理時(shí)間更短，充分驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠縮短處理時(shí)長(zhǎng)，提高工作效率。但由于時(shí)間有限，本文只建立了短波發(fā)射信號(hào)處理的基本系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)并不完善，在后續(xù)的研究中可以進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)功能板塊，以實(shí)現(xiàn)更多信號(hào)處理功能，提高處理速度。