基于DSP_C54X窄帶中頻抽樣的理論與實現(xiàn)

1 引言

隨著DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用與迅速發(fā)展，現(xiàn)已深入到通信與電子系統(tǒng)的各個領(lǐng)域。軟件無線電是通信領(lǐng)域發(fā)展中的前沿技術(shù)之一，它集數(shù)字信號處理、DSP/FPGA、無線通信和計算機(jī)軟硬件技術(shù)于一體，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代通信技術(shù)的高性能特點(diǎn)。本文在討論基本的帶通抽樣定理基礎(chǔ)上，分析欠抽樣率對帶通信號采樣的頻譜搬移特點(diǎn)，同時結(jié)合對普通的AM調(diào)幅接收機(jī)中頻信號的采樣、濾波與處理，以獲得基帶的語音信號。這種用軟件進(jìn)行信號處理的技術(shù)有助于深入理解帶通抽樣濾波的理論，并為軟件無線電接收數(shù)據(jù)信號提供理論與實踐依據(jù)。本文討論的中頻窄帶抽樣實現(xiàn)的基本框圖如圖1所示。

信號采集的前面部分可以是普通AM接收機(jī)，輸入信號是fx，通過混頻輸出的中頻信號fi=fl-fx，這里確定fi＝465kHz，信號帶寬是10kHz。AD轉(zhuǎn)換的采樣頻率是fs=60kHz，直接采集窄帶中頻信號，經(jīng)DSP處理后，通過DA輸出語音信號。這一工作過程采用了帶通抽樣理論。

2 帶通抽樣理論和DSP硬件電路

2.1 帶通抽樣理論

帶通抽樣定理是Nyquist抽樣定理的進(jìn)一步擴(kuò)展。Nyquist抽樣定理的基本意義是：一個頻率限帶信號x(t)，其頻帶限制在（0，fh）內(nèi)，如果用fs>=2fh的采樣頻率對x(t)進(jìn)行等間隔抽樣，得到的離散信號x(n)=x(nTs)，那么x(t)信號將被所得到的采樣值x(n)所確定，抽樣后的信號頻譜不發(fā)生混疊，因此可以用濾波器恢復(fù)原始的限帶信號x(t)，該信號是零頻附近的基帶信號。而實際接收的無線電信號絕大多數(shù)是一個有中心頻率的限帶信號，并且滿足信號帶寬與中心頻率之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1（B/fo1）的條件，即中心頻率fo遠(yuǎn)高于信號所攜帶頻譜寬度，根據(jù)基本抽樣定理知道，此時抽樣頻率fs>2fo，這樣不僅要求高性能的AD轉(zhuǎn)換器，而且高速的抽樣數(shù)據(jù)又大大的加劇了DSP的信號處理負(fù)擔(dān)。為了讓DSP有足夠的時間去處理實時的信號，當(dāng)前主要的方法有兩種：（1）直接降低抽樣率；（2）進(jìn)行高速抽樣，然后采用抽取方法降低抽樣率。本文采用的是直接降低抽樣率的方法。那么降低抽樣率是否會產(chǎn)生信號混疊等問題呢？這由帶通抽樣理論來回答。

帶通抽樣定理：設(shè)一個頻率限帶信號x(t)，其頻帶限制在（fL，fH）內(nèi)，如果采樣頻率fs滿足： 其中n取值是滿足fs≥2B(B=fH-fL）的最大整數(shù)值（0，1，2,...），此時用fs進(jìn)行等間隔抽樣的x(nTs)能準(zhǔn)確的確定原始信號x(t)。并確定帶通信號的中心頻率，那么。這個表達(dá)式表示：當(dāng)抽樣頻率確定后，有許多頻率（或帶通信號）在滿足以上表達(dá)式所取的n值條件下,可以產(chǎn)生同一個頻率（或同一個帶通信號）；同樣對于確定的fo通過選擇不同的n來確定fs。如圖2所示。

其中fs是抽樣頻率，當(dāng)被抽樣的信號頻率fo是3fs/4和5fs/4時，都不滿足fs>2fh的條件，是欠抽樣情況。在欠抽樣后都會輸出一個相同頻率的信號fs/4，如黑粗的虛線所示。進(jìn)一步講，如果被抽樣的信號是一個以fo為中心頻率的限帶信號，帶寬是B，且抽樣頻率fs>2B，那么欠抽樣后將會輸出一個以抽樣頻率fs/4為低中心頻率的限帶信號。當(dāng)然抽樣時不容許被抽樣的信號中混入其他信號，即必須是一個限帶信號，否則其他滿足以上公式條件的信號都會進(jìn)入該頻帶；其次根據(jù)自然抽樣定理，輸出的頻譜中還會有與fs倍頻有關(guān)的頻譜分量，即輸出信號頻譜Xs是：

這需要通過DSP設(shè)計濾波器，恢復(fù)原始信號x(t)。Cn是抽樣脈沖傅里葉級數(shù)的系數(shù)。根據(jù)前面介紹的參數(shù)，抽樣頻率是60kHz（8bit）、被抽樣信號是465kHz的普通調(diào)幅接收機(jī)的中頻信號是一個限帶信號，信號帶寬是B=10kHz。

2.2 DSP硬件電路設(shè)計

實現(xiàn)帶通抽樣，使用DSP5402作為基帶信號處理，基本框圖如圖3所示。

其中AD采用TCL5510，該芯片最高抽樣率是20MHz，8位數(shù)據(jù)寬度，其輸入信號的動態(tài)范圍是0.6～2.6V，由于輸入是465kHz交流的調(diào)幅信號，因此該輸入信號需要疊加在被抽樣信號中心位置1.6V直流電平上，AD前放大電路的輸出要調(diào)整在這個電平。AD轉(zhuǎn)換時鐘是使用DSP_CLKOUT信號，經(jīng)過2分頻獲得（10MHz）。

DA采用CA338，該芯片也是8位數(shù)據(jù)寬度，直接輸出模擬信號。系統(tǒng)采用一個AD與一個DA，因此在程序設(shè)計中使用PORTR和PORTW指令，產(chǎn)生IO讀寫信號，與普通的或門控制，實現(xiàn)對AD的讀和對DA的寫操作。

3 抽樣頻率確定與濾波器的實現(xiàn)

根據(jù)以上討論，對于窄帶中頻信號465kHz，通過60kHz的抽樣，產(chǎn)生15kHz的信號。抽樣前后的信號頻譜關(guān)系如圖4所示。

其中圖4（a）表示除了465kHz的帶通信號可以通過欠抽樣產(chǎn)生15kHz的低中頻信號外，其他信號也可以通過欠抽樣產(chǎn)生15kHz低中頻，因此465kHz的中頻必須是一個限帶濾波器輸出的信號，不容許其他信號混入抽樣。其次該限帶中頻信號與抽樣信號的頻域卷積除了有15kHz的信號頻譜外，還有其他的頻譜分量，因此抽樣后，DSP要設(shè)計一個帶通濾波器，濾除其他信號的頻譜，如圖4（c）所示。然后通過包絡(luò)檢波獲得基帶語音信號。

3.1 確定抽樣頻率

由于需要進(jìn)行實時的數(shù)字信號處理，從濾波器實現(xiàn)到確定準(zhǔn)確的抽樣頻率十分重要。具體實現(xiàn)的方法可以是：選擇可編程AD轉(zhuǎn)換器，可編程時鐘發(fā)生器輸入時鐘到AD、DSP采用定時中斷抽樣等。由于本硬件設(shè)計AD是輸入固定時鐘，芯片不可編程，因此采用DSP中斷抽樣和處理的方法。根據(jù)60kHz的抽樣頻率，計算抽樣周期是16667ns，DSP工作的時鐘頻率是20MHz，如果以單周期指令計算，在AD抽樣的周期內(nèi)，DSP可執(zhí)行16667/50＝333條指令。那么DSP的工作過程應(yīng)該按圖5時序進(jìn)行。

3.2 帶通濾波器的實現(xiàn)

使用DSP實現(xiàn)帶通濾波器的設(shè)計方法很多，可以先用MATLAB、SystemView等軟件進(jìn)行模擬仿真，然后獲取濾波器的系數(shù)，設(shè)計FIR濾波器或IIR濾波器，如果僅僅處理語音信號可以采用IIR濾波器；如果需要處理數(shù)據(jù)信號一般可以用FIR濾波器。

其次使用DSP_C54X定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，由于在濾波器實現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理中采用小數(shù)方式，因此要求輸入的數(shù)據(jù)也是小數(shù)，而從AD轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)信號是十六進(jìn)制的，因此首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后處理，處理完的數(shù)據(jù)還需要轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制，通過DA輸出。編制的DSP抽樣與處理的程序如下所示，實際使用中還需要矢量文件和連接文件。

.title “x.asm”
.mmregs
.def start
.def DStINT ;定時器中斷入口地址
x_new .usect “DATA1”,57 ;初始化數(shù)據(jù)區(qū)
x_old .usect “DATA2”,57 ；循環(huán)緩沖區(qū)長度
.bssy,1
size .set 57 ;重復(fù)運(yùn)算次數(shù)
data_l .set 256 ;計算數(shù)據(jù)長度是256
PA0 .set 0
PA1 .set 1
.data
COEF .word -18，99，50，-76，-64，6，38，62，28，-36，-78，-61，46，92，58
.word 14，-123，-134，45，83，122，114，-184，-199，13，4，236，260
.word -244，-213，-85，-173，408，425，-267，-117，-300，-475，642，561
.word -187，174，-716，-943，941，590，149，883，-1605，-1808，1406
.word 287，1534，3658，-5867，-7587， 8579
.text
start: STM #0820H,PMST ;
STM #0000H,SWWSR ;
STM #0010H,TCR ;關(guān)閉定時器，TDDR=0000
STM #014CH,PRD ;定時器設(shè)置60K采樣周期
STM #0008H,IFR ;清除TINT中斷標(biāo)志
STM #0008H,IMR ;容許中斷
STM #y,AR1
SSBX FRCT ；小數(shù)運(yùn)算
STM #x_new,AR2 ;AR2指向新緩沖區(qū)第1單元
STM #x_old+(size-1),AR3 ;AR3指向老緩沖區(qū)最后單元
STM #-1,AR0 ;
STM #size,BK ;循環(huán)緩沖區(qū)長度
STM #0C20H,TCR ;啟動TSS=0,TRB=1自動加載PRD
RSBX INTM ;開放CPU中斷
wait B wait ；等待中斷
DStINT portr PA1,*AR2 ;讀取AD抽樣數(shù)據(jù)
LD *AR2,8,A
SUB #8000H,A ；轉(zhuǎn)換16進(jìn)制數(shù)為小數(shù)表示
STL A,*AR2 ；實現(xiàn)FIR濾波
ADD *AR2+0%,*AR3+0%,A ;AR2地址中內(nèi)容16位加AR3同樣操作-->(AH)中
RPTZ B,#(size-1)
FIRS *AR2+0%,*AR3+0%,COEF ;A*系數(shù)-->B,同時進(jìn)行下一個ADD功能,直到全部完成
STH B,*AR1
LD *AR1,16,A
RSBX TC
CMPS A,*AR1 ；實現(xiàn)包絡(luò)檢波
BC buchl,NTC ;TC=0,采集數(shù)據(jù)>0,不處理
STH A,*AR1 ;TC=1,保存DSP的8000H～FFFFH
LD #0FFFFH,A
SUB *AR1,A ;實現(xiàn)FFFFH-采樣值
STL A,-8,*AR1 ;右移8位恢復(fù)半波
B CHLEND
buchl: SFTA A,-16
STL A,-8,*AR1
CHLEND: portw *AR1,PA0 ；輸出DA
MAR *+AR2(2)% ;AR2=circ(AR2+2),修改AR2
MAR *+AR3(1)% ;訪問后,AR3=circ(AR3+1)修改AR3
MVDD *AR2,*AR3+0%
RETE
.end

其中，濾波器的輸入信號已經(jīng)將采集的16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成Q15格式，其輸出是定點(diǎn)DSP的Q15格式，對于包絡(luò)檢波可以認(rèn)為：0～1用0000H～7FFFH表示低中頻載波的正半周，而低中頻的負(fù)半周是“FFFFH－抽樣值”，即是“（0－（0～－1）＝0～1”，此運(yùn)算將低中頻載波的負(fù)半周轉(zhuǎn)換為正半周，實現(xiàn)了檢波功能，DA輸出加一個低通濾波器可以得到基帶語音信號。

4 性能分析

通過以上分析和程序設(shè)計，使用DSPC5402構(gòu)成的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，對465kHz的窄帶中頻調(diào)幅信號進(jìn)行欠抽樣與數(shù)據(jù)處理，通過存儲示波器測量的波形如圖6所示。由于采用帶通抽樣，降低了抽樣頻率，使DSP有足夠的時間處理，如濾波、信號變換等。通過輸出的波形可以看到：信號的量化噪聲在一定程度上影響輸出信號的純度。因此還需要加好的低通濾波器。實際中還對普通的調(diào)幅收音機(jī)中頻輸出進(jìn)行實際抽樣處理，可以獲得比較清晰的語音信號。

5 結(jié)束語

本文通過對帶通抽樣定理的討論，結(jié)合DSPC54芯片設(shè)計的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，對窄帶中頻信號進(jìn)行實際的抽樣與處理，獲得較好的效果。盡管與實際的軟件無線電系統(tǒng)實現(xiàn)框架有較大的距離，但論文研究結(jié)果為DSP在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個實際范例。