中頻數字信號處理的DSP實現

向開福，楊家偉，張永偉

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

軟件無線電技術隨著計算機技術、高速數字信號處理技術的發展而得到迅速的發展。軟件無線電技術的基本思想就是通過高速模／數轉換器（ADC）直接對模擬中頻信號進行采集，得到離散的中頻數字信號序列；用數字信號處理的方法對離散中頻信號序列進行頻譜變換，將中頻信號的頻譜搬移至基帶，完成數字下變頻；對得到的基帶信號進行基帶處理和調制后，再將基帶信號的頻譜恢復到中頻完成數字上變頻；之后通過高速數／模轉換器 （DAC）輸出模擬中頻信號。中頻數字信號處理過程實際上就是對中頻采樣后的信號進行數字下變頻、基帶和數字上變頻的處理過程。

1 中頻數字信號處理原理

對于任何時間函數f（t），當對信號以采樣率fs進行采集時，得到時域離散信號。由于時域卷積相當于在頻域相乘，因此信號的沖擊響應為采樣信號的傅氏變換［1］：

上式表明，任何信號經采樣后，頻譜在其強度上正比于采樣頻率，頻譜的內容將無限制地復制，間隔為采樣頻率。

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

圖1 中頻采樣后信號頻譜

式中：fs為信號的采樣率；B為信號帶寬；f0為信號載頻；n為自然數。

為了得到信號的基帶頻譜 （如圖2所示），必須對信號的頻譜進行頻移和濾波，在零頻附近得到互為鏡像的I、Q兩路正交信號，完成下變頻的過程。數字上變頻即將零頻基帶信號頻譜通過頻移和濾波恢復至中頻 （見圖3），過程和下變頻相反。

圖2 下變頻后得到的基帶信號頻譜

圖3 上變頻后得到的中頻信號頻譜

2 中頻數字信號處理方法

從前面的分析可以知道，中頻數字信號的處理實際上就是信號頻譜的搬移和濾波。信號的時頻轉換、頻時轉換通過快速傅里葉變換 （FFT）、反快速傅里葉變換 （IFFT）來實現，借助于專門的數字信號處理器 （DSP）很容易實現。下面以數字下變頻的處理方法對中頻數字信號處理方法加以說明。數字下變頻盡管形式各不相同，但歸納起來不外乎低通濾波法、希爾伯特濾波法和插值濾波法。

低通濾波法［3］（見圖4）的基本原理和模擬下變頻一致，只不過信號的頻移在數字域進行。采樣后的2路信號分別和相差90°乘法器相乘，得到互為鏡像且無限復制的I、Q兩路正交信號，信號的頻譜靠近零頻，通過低通濾波后，得到零頻附近的基帶信號頻譜，其余部分被濾除。抽取的目的是降低基帶信號的吞吐率，當然同時也犧牲了信號帶寬。

在用DSP實現低通濾波法時，采樣后的時域離散時間序列分為2路，分別和變頻序列做卷積運算，之后通過多階有限沖激響應 （FIR）低通數字濾波器得到基帶信號的頻譜，進行適當的信號時域抽取即可送給基帶處理器來進行基帶處理。

圖4 低通濾波法原理框圖

希爾伯特濾波法［4］是通過希爾伯特濾波將負的頻譜分量濾除，之后通過抽取得到基帶信號頻譜的方法，原理框圖見圖5。

圖5 希爾伯特濾波法原理框圖

對于一個理想的希爾伯特濾波器，頻率響應為：

式中：ω為信號的角頻率。

實信號經過希爾伯特濾波和延時濾波器后，信號的頻譜R′（ω）為：

式中：R（ω）為濾波前的實信號頻譜。

將信號的負頻譜濾除后，通過抽取將信號的正頻譜分量中心移到零。

插值濾波法實際上就是通過插值濾波來代替低通濾波法中的FIR低通濾波，原理框圖見圖6。

圖6 插值濾波法原理框圖

3 中頻數字信號處理的DSP實現

中頻數字信號處理的直接DSP實現，實際上就是離散信號時間序列通過DSP的時頻轉換、濾波處理、基帶調制、頻時轉換等過程來實現對信號的解調和調制，相比于傳統的信號處理，中頻數字信號處理的直接DSP實現直接由軟件實現，具有更高的靈活性和系統升級能力。

借助美國模擬器件公司 （ADI）的TigerSharc TS－201可以實現中頻數字信號的處理。Tiger－Sharc TS－201是主頻為500MHz的靜態超標量超級哈佛結構的信號處理器，片上具有4個鏈路口（Link）和24Mbit低漏電嵌入式同步動態隨機存儲器 （SDRAM），1 024點復數FFT為20μs，FIR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字信號處理的實時要求。

采用3片TigerSharc TS－201來進行中頻信號處理，其中ADSP－201A的1個Link和ADC相連，接收ADC采集的數據，ADSP－201A有2個Link和 ADSP－201B的2個 Link互聯，ADSP－201A和ADSP－201C也有1個Link相連，各個DSP之間除有Link互聯外，還有Cluster Bus互聯，具體結構見圖7（圖中虛框為模擬信號的采集與輸出部分）。其中ADSP－201A用來接收ADC的數據，同時進行數字下變頻的處理，通過2個Link將I、Q兩路基帶信號送給ADSP－201B，ADSP－201B對信號進行基帶調制，將調制好的基帶信號通過2個 Link傳給 ADSP－201C，ADSP－201C對基帶信號進行數字上變頻，得到中頻數字信號，通過與DAC互聯的Link將數據傳遞給DAC。各個DSP之間的共享數據可以通過共享內存來進行訪問和傳遞。DSP軟件流程如圖8所示。

圖7 DSP互聯結構圖

圖8 DSP軟件流程圖

4 結束語

本文提出用DSP來直接實現中頻信號的解調與調制，大大提高了中頻信號處理的靈活性和系統的升級能力，但同時對器件的速度和信號處理的方法提出了更高的要求。

［1］宗孔德.多抽樣率信號處理 ［M］.北京：清華大學出版社，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.