基于DSP的短波發射信號處理系統設計

黃寶健

（國家廣播電視總局二〇二二臺，新疆 喀什 844000）

0 引 言

數字通信多為短波信號，用于雷達、廣播、電話以及導航等領域。在通信系統中，短波信號在采集時易受到噪聲干擾，而且無法避免，當噪聲較多時會給短波信號的準確性造成影響，難以收集到高質量的短波通信信號。數字信號處理器能夠高效率處理信號，信號處理及運算速度較快，能夠實現數據、音頻以及視頻等信號的實時處理[1]。

近年來，數字信號處理技術也呈現出高速發展狀態，具有多個優點。一是精度高，能夠通過模擬信號實現多組短波信號的準確處理。二是可靠性高，數字信號處理技術不受環境溫度影響，在信號傳輸過程中能夠對變形信號波進行二次重組，完成再生，抗干擾能力較為突出。三是靈活度高，可以根據需求對短波信號進行處理，得到不同的信號波形，轉化為數字信號。此次研究就是基于DSP設計一個短波發射信號處理系統，為短波信號采集和處理提供有力支持，提高信號處理的工作效率。

1 短波發射信號處理系統硬件設計

1.1 設計信號濾波電路

由于在信號收集過程中受到環境和溫度等因素影響，收集到的信號會存在一定的噪點，因此需要設計濾波電路，過濾掉信號中的噪聲。為滿足硬件系統電源要求，本次電路設計采用KI公司的穩壓DH/CD芯片TY562314作為內核供電芯片，能夠將6 V電源電壓轉化為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 信號濾波電路圖

如圖1所示，外部的3.2 V電壓必須用過ASI，即濾波器才能接入DSP芯片，避免電源受到外來因素影響，過濾掉信號噪點。為了能夠減少抖動，實現更好的效果，此次原件只在電路一側，沒有轉換開關，直接將信號復位，設置信號數據轉換電路。

1.2 設計數據轉換電路

數據轉換電路是通過外部的時間變化提供不同頻率，根據轉換的特點，此電路由電容和磁珠組成晶體振蕩器，為數據轉換提供穩定的工作電壓。振蕩器產生信號時，會經過36 Ω的電阻并傳送給DSP芯片輸入端。設計該電路時電阻要盡可能靠近線路引腳，減少外界對其的干擾。設置電阻阻值在30～50 Ω間變化，當振蕩器產生的頻率達到25 MHz時，外部會沿著線路傳送信號進行轉換，轉換電路如圖2所示[2]。

圖2 信號數據轉換電路圖

如圖2所示，電源與ASI相連，經過濾波器產生更加穩定的電源，確保電路與地線水平，電容要放在電流變化最大的地方，不僅能滿足需求，而且同時能實現信號數據轉換。

2 基于DSP的短波發射信號處理系統軟件設計

2.1 基于DSP構建發射信號調試模型

短波信號通過信號通道完成發射，但在帶寬有限和較短時間內，大多數短波信號會產生噪點，需要構建一個靜態模型來描述。一般采用電離分層的物理參數信號通道來構建調試模型，計算信道模型的變化頻率為：

式中，?z為第z條路徑的延長時間；Xc(c)表示路徑的增加重疊效率函數。將相互獨立的且含有相同頻數的信號數據分布在重疊效益函數上，一般定義為：

式中，Xc(c)和Xzi(c)為兩個獨立的數據相交過程，具有相同頻數；cz(0)表示信號評價功率值[3]。在得到信號頻數變化值后，調試模型需要劃分為以下幾個板塊，此次僅設置3個板塊。一是數據讀取板塊，當外界獲取的短波出現在緩存庫內，模型中的讀取板塊需要第一時間讀取數據，同步信號來源和圖像數據，將信號短波分為兩路發送至下一個板塊。二是數據緩沖板塊，緩存模塊的通路中包括兩個通路，在每一個信號通行周期，一個通路接收來自另一個通路的數據進行整合，完成緩存的62位數據向14位的轉變，再將轉化后的數據輸出至下一個板塊。三是增益板塊，將收到的信號從14位收縮到10位，提取出原始數據，按照數據要求進行增益，實現短波發射信號調試模型構建。

2.2 預估短波信號發射前的功率譜

由于短波頻段磁場復雜，噪聲較多，在信號處理前需搜索信號波長，并進行短波信號譜預估，將采集到信號向頻率域轉換[4]。通常需要預估的信號譜包括頻譜和功率譜，其中頻譜是指一個時域內的頻率信號變化情況，能夠通過傅里葉轉換方式直接分解為不同的頻率分量，不需要另外計算。而功率譜表示信號所處頻域的能量分布密度，通過能量的頻域分布揭示該信號頻域的特征，能夠對信號采集的結果產生直接影響。因此信號發射前需估計信號功率譜，以降低信號的噪音。系統采用Welch加權交疊法的周期圖對采樣數據進行功率譜預估，在去除噪聲干擾下，提升處理速度。假設采樣數據為Q，采用Welch法得到的搜索功率譜估計為：

2.3 設計檢測流程處理短波發射信號

在預估短波信號功率譜后，要將所得信號數據進行處理，對短波發射信號處理速度的把控依賴于檢測程序的復雜程度。一般先將信號數據通過寄存器得以保存，常用的處理器為時鐘模式寄存器，能夠在特定時間點隨意切換邏輯模塊，方便數據中轉流出[8,9]。以C語言編制程序，完成DSP處理系統的各個板塊設計，確保數據空間程序能夠共用向量表以提高訪問速度。需要注意的是，時鐘模式寄存器的默認位置設置為1，將生成的信號數據加載到轉換器中，以便根據具體需要進行設置。檢測流程如圖3所示。

圖3 檢測流程圖

由圖3可知，檢測程序在初次輸入數據時要從0開始，將數據慢慢壓縮到緩沖，且最大輸入數據不能超過3 000個。在寄存器中設置內部擦除操作，通過流程口令發出標準的微處理器指令，使得寄存器內部實現疊加算法，在完成計算數據后對任一指令區分別進行讀、寫或擦除操作。擦除指令不能改變數值及變化幅度，當默認位置由1變為0，表示短波信號處理完成，若默認位置上的1沒有變為0，輸出控制通道可以選擇另一條控制通路繼續操作[10]。由此完成短波發射信號處理系統設計。

3 實驗論證分析

3.1 實驗準備

為了驗證設計的信號處理系統能夠縮短處理時長，通過實驗測試的方式檢驗新系統的應用效果。測試共分兩部分進行，第一階段測試信號處理系統的去噪能力，通過分析真實短波信號數據，評價不同系統采集信號過程中去噪的能力。第二階段將處理系統應用到樣本語音數據中，通過多輪實驗測試比較不同系統處理信號的用時。實驗準備了另外兩組傳統處理系統作為對照組，在第一階段測試開始之前，通過ADS8344采集原始語音數據，設置通道為單端輸送，信號延時間隔不高于5 s。數據庫的原始語音信號樣本如圖4所示。

圖4 采集的原始語音信號樣本

圖4中縱坐標在±0.5 mV以外的部分表示有噪音產生。將信號樣本分別輸送至3組系統中，開始實驗測試。

3.2 實驗結果

分別將3組系統調為單端輸送模式，通過系統去噪得到處理后的語音信號數據如圖5所示。

根據圖5顯示的結果可知，文中系統基本將噪聲去除，且處理過程中原始波形沒有發生任何變化，而兩個傳統系統在第8～10 s和12～14 s仍有一些噪音，且原始波形發生了少許變化，對后續信號處理會造成影響。通過實驗可知文中系統在去噪效果上優于兩個傳統系統，能夠有效進行信號處理。為了更好了解新系統在信號處理時間上的變化，選取10組樣本進行測試，比較3個系統對同一樣本的處理時間，測試結果如表1所示。

表1 3個系統處理短波發射信號時間對比結果

圖5 3個系統去噪效果對比圖

通過多次實驗對比，3個系統處理信號的平均時間約為4.39 s、16.36 s以及17.39 s。計算每組數據之間的差值，文中系統所用的時間比傳統系統分別縮短了11.97 s、13.01 s。由此可見，新系統能夠縮短信號處理時間，提高工作效率。

4 結 論

此次研究根據短波信號發射原理，結合DSP數字信息處理技術的優勢建立了全新的短波發射信號處理系統，進一步優化短波發射信號的處理流程。此次設計的創新點就是將DSP數字信息處理技術與加權交疊平均算法相結合，通過前者保證采集信號時不受噪聲干擾，利用后者預估信號發射前的功率譜，使得設計的新系統實用性更強。結合實驗測試結果，通過對比發射信號處理速度，發現新系統能夠有效去噪，其短波信號發射處理時間更短，充分驗證了設計的系統能夠縮短處理時長，提高工作效率。但由于時間有限，本文只建立了短波發射信號處理的基本系統，硬件結構并不完善，在后續的研究中可以進一步改進系統功能板塊，以實現更多信號處理功能，提高處理速度。