中频数字信号处理的DSP实现

2014-10-13向开福杨家伟张永伟

舰船电子对抗 2014年4期

向开福，杨家伟，张永伟

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引言

软件无线电技术随着计算机技术、高速数字信号处理技术的发展而得到迅速的发展。软件无线电技术的基本思想就是通过高速模／数转换器（ADC）直接对模拟中频信号进行采集，得到离散的中频数字信号序列；用数字信号处理的方法对离散中频信号序列进行频谱变换，将中频信号的频谱搬移至基带，完成数字下变频；对得到的基带信号进行基带处理和调制后，再将基带信号的频谱恢复到中频完成数字上变频；之后通过高速数／模转换器（DAC）输出模拟中频信号。中频数字信号处理过程实际上就是对中频采样后的信号进行数字下变频、基带和数字上变频的处理过程。

1 中频数字信号处理原理

对于任何时间函数f（t），当对信号以采样率fs进行采集时，得到时域离散信号。由于时域卷积相当于在频域相乘，因此信号的冲击响应为采样信号的傅氏变换［1］：

上式表明，任何信号经采样后，频谱在其强度上正比于采样频率，频谱的内容将无限制地复制，间隔为采样频率。

若信号的采样满足中频采样定理（见式（2）～（3））［2］，在采样率的两边将生成互为镜像的边带信号（见图1）。

图1 中频采样后信号频谱

式中：fs为信号的采样率；B为信号带宽；f0为信号载频；n为自然数。

为了得到信号的基带频谱（如图2所示），必须对信号的频谱进行频移和滤波，在零频附近得到互为镜像的I、Q两路正交信号，完成下变频的过程。数字上变频即将零频基带信号频谱通过频移和滤波恢复至中频（见图3），过程和下变频相反。

图2 下变频后得到的基带信号频谱

图3 上变频后得到的中频信号频谱

2 中频数字信号处理方法

从前面的分析可以知道，中频数字信号的处理实际上就是信号频谱的搬移和滤波。信号的时频转换、频时转换通过快速傅里叶变换（FFT）、反快速傅里叶变换（IFFT）来实现，借助于专门的数字信号处理器（DSP）很容易实现。下面以数字下变频的处理方法对中频数字信号处理方法加以说明。数字下变频尽管形式各不相同，但归纳起来不外乎低通滤波法、希尔伯特滤波法和插值滤波法。

低通滤波法［3］（见图4）的基本原理和模拟下变频一致，只不过信号的频移在数字域进行。采样后的2路信号分别和相差90°乘法器相乘，得到互为镜像且无限复制的I、Q两路正交信号，信号的频谱靠近零频，通过低通滤波后，得到零频附近的基带信号频谱，其余部分被滤除。抽取的目的是降低基带信号的吞吐率，当然同时也牺牲了信号带宽。

在用DSP实现低通滤波法时，采样后的时域离散时间序列分为2路，分别和变频序列做卷积运算，之后通过多阶有限冲激响应（FIR）低通数字滤波器得到基带信号的频谱，进行适当的信号时域抽取即可送给基带处理器来进行基带处理。

图4 低通滤波法原理框图

希尔伯特滤波法［4］是通过希尔伯特滤波将负的频谱分量滤除，之后通过抽取得到基带信号频谱的方法，原理框图见图5。

图5 希尔伯特滤波法原理框图

对于一个理想的希尔伯特滤波器，频率响应为：

式中：ω为信号的角频率。

实信号经过希尔伯特滤波和延时滤波器后，信号的频谱R′（ω）为：

式中：R（ω）为滤波前的实信号频谱。

将信号的负频谱滤除后，通过抽取将信号的正频谱分量中心移到零。

插值滤波法实际上就是通过插值滤波来代替低通滤波法中的FIR低通滤波，原理框图见图6。

图6 插值滤波法原理框图

3 中频数字信号处理的DSP实现

中频数字信号处理的直接DSP实现，实际上就是离散信号时间序列通过DSP的时频转换、滤波处理、基带调制、频时转换等过程来实现对信号的解调和调制，相比于传统的信号处理，中频数字信号处理的直接DSP实现直接由软件实现，具有更高的灵活性和系统升级能力。

借助美国模拟器件公司（ADI）的TigerSharc TS－201可以实现中频数字信号的处理。Tiger－Sharc TS－201是主频为500MHz的静态超标量超级哈佛结构的信号处理器，片上具有4个链路口（Link）和24Mbit低漏电嵌入式同步动态随机存储器（SDRAM），1 024点复数FFT为20μs，FIR滤波每阶仅为1ns。TigerSharc TS－201丰富的片上资源和极高的速度完全能满足中频数字信号处理的实时要求。

采用3片TigerSharc TS－201来进行中频信号处理，其中ADSP－201A的1个Link和ADC相连，接收ADC采集的数据，ADSP－201A有2个Link和 ADSP－201B的2个 Link互联，ADSP－201A和ADSP－201C也有1个Link相连，各个DSP之间除有Link互联外，还有Cluster Bus互联，具体结构见图7（图中虚框为模拟信号的采集与输出部分）。其中ADSP－201A用来接收ADC的数据，同时进行数字下变频的处理，通过2个Link将I、Q两路基带信号送给ADSP－201B，ADSP－201B对信号进行基带调制，将调制好的基带信号通过2个 Link传给 ADSP－201C，ADSP－201C对基带信号进行数字上变频，得到中频数字信号，通过与DAC互联的Link将数据传递给DAC。各个DSP之间的共享数据可以通过共享内存来进行访问和传递。DSP软件流程如图8所示。