利用高速DSP實現信號自主識別及數字解調

摘? 要：文章設計了一個可以測量并顯示信號源輸出的被測信號調制度等參數，自主識別并顯示被測信號的調制方式（AM、FM、CW），輸出解調信號的信號調制度測量裝置。作品以TI C2000系列的F28379 DSP為主控制器，使用F28379內置的16 bit 1.1 Msps SAR ADC 在差分模式下進行信號采集。模擬前端包括DDS本振輸出和混頻器組成的超外差式接收系統，以及一級比較器、一級分頻器和一級單端轉差分的低失真差分ADC驅動器。解調方案汲取軟件無線電的核心思想，綜合使用希爾伯特變換、正交解調等方法，可以快速且精確地自主識別被測信號的調制方式，測量并顯示調制度等參數，調幅度測量誤差小于5‰，調頻度和最大頻偏測量誤差小于2‰，且能輸出解調信號波形。

關鍵詞：DSP；自主識別；超外差式接收系統；希爾伯特變換；正交解調

中圖分類號：TP274；TN99? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）04-0067-05

Implementation of Independent Signal Recognition and Digital Demodulation by Using High-Speed DSP

GE Xinliang

（Hangzhou Dianzi University Information Engineering College， Hangzhou? 310018， China）

Abstract： This paper designs a measured signal modulation device that can measure and display the signal modulation which is output by signal source and other parameters， independently identify and display the measured signal modulation mode （AM， FM， CW）， and output the signal modulation measurement device. The work uses the F28379 DSP of the TI C2000 series as the main controller， uses 16bit 1.1 Msps SAR ADC built-in the F28379 for signal acquisition in differential modes. The analog front-end includes the superheterodyne reception system consisting of a DDS local vibration output and a mixer， as well as a low-distortion differential ADC drive with a first-level comparator， first-level frequency divider， and first-level single-end rotation differential. The demodulation scheme uses the core idea of software radio， uses Hilbert transform， quadrature demodulation and other methods synthetically. It can quickly and accurately identify the measured signal modulation mode independently， measure and display parameters such as modulation system. The measurement error of modulation amplitude is less than 5‰， modulation frequentness and maximum frequency deviation measurement error is less than 2‰， and it can output demodulation signal waveform.

Keywords： DSP; independent identification; superheterodyne reception system; Hilbert transform; quadrature demodulation

0? 引? 言

隨著現代無線通信技術的高速發展，通信系統變得越來越多樣化和復雜化。如何在保證通信質量的前提下，對通信信號進行處理成了亟需解決的難題。傳統硬件電路因其系統結構復雜、靈活性低、拓展性差，功能相對比較簡單，已經難以滿足通信系統的多樣化需求。

軟件無線電（software defined radio， SDR）是由美國MILTRE公司的Joe Mitola在1992年首次提出的概念。最初是為了解決聯合作戰時各種通信系統的互通互聯問題。這一新概念一經提出就受到了全世界無線電領域的廣泛關注，很多國家都開展了相關研究。近年來高速發展的軟件無線電技術因其較低的信噪比（SNR）、優異的可拓展性廣泛應用于民用通信、軍事、雷達、醫療、電視、氣象等領域。傳統的模擬信號體制逐漸被數字信號體制取代，數字解調技術也在一定程度上代替了模擬解調技術[1，2]。

為了適應高復雜程度的現代通信系統，解決不同無線通信方式之間難以兼容的問題，實現高精度數字解調。本文構建了一種可以測量并顯示信號源輸出的被測信號調制度等參數，自主識別并顯示被測信號的調制方式（AM、FM、CW），輸出解調信號的信號調制度測量裝置，運用軟件無線電技術，能夠實現AM、FM數字解調，使其廣泛應用于眾多領域。

1? 數字解調關鍵技術

1.1? 單音調幅（AM）信號解調

本系統使用希爾伯特變換在數字域實現包絡提取。希爾伯特變換是信號處理的一種常用手段。希爾伯特變換可以將實數信號變換成解析信號，即把一個一維的信號變成了二維復平面上的信號，復數的模和幅角代表了信號的幅度和相位，通過瞬時振幅可以實現信號的包絡提取[3]。相比于小信號平方律檢波器，AM數字解調存在很多優勢。考慮到被測信號的峰峰值較小（100 mV），使用二極管包絡檢波器將產生嚴重的非線性失真，應采用小信號平方律檢波。該方案在解調過程中，通過平方運算得到兩倍頻率的信號，再濾掉直流成分，通過分頻器得到與載波頻率相同的信號，最終通過相干解調獲得調制信號。但小信號平方律檢波存在失真大、效率低、輸入阻抗小等缺陷[4]。使用數字解調很好地解決了模擬系統結構復雜、容易失真等問題，同時適用于更廣的信號范圍。

1.2? 單音調頻（FM）信號解調

本系統使用正交解調法恢復調制信號。理論上任何調制方式的中頻信號均可以使用正交解調。FM信號的正交解調可以先對調制信號采樣，得到信號的同相和正交分量，再生成一個復信號。這個信號的相位與信源信號成正比。利用除法和反正切運算即可恢復原信號[5]。通過優化算法，可以減少FM正交解調的運算量，提高解調速度，更加穩定、準確地還原調制信號。不同于采用鎖相鑒頻電路，當輸入為調頻波時，如果環路濾波器的帶寬足夠，鑒相器輸出電壓就能通過，壓控振蕩器就能跟蹤輸入調頻波中反應調制規律變化的瞬時變化[6]。此時，環路濾波器輸出的控制電壓就是所需調頻波解調電壓。然而在實際使用中，過大的頻率階躍、過大的噪聲干擾和過高的溫度都容易造成鎖相環失鎖，無法解調。

1.3? 調制信號采樣

對已調信號低通采樣。根據奈奎斯特采樣定理，為了實現不失真地恢復原連續信號，采樣頻率必須大于信號譜最高頻率的2倍。被測信號的載頻范圍高。一方面，對ADC模擬帶寬和采樣速率提出了更高的要求，增加了所需的硬件資源；另一方面，由于采樣點數過多，大大增加了后續數據處理的運算量。本系統使用超外差式接收系統，對中頻信號進行采樣。使用高速DDS作為本振信號。通過C2000主控調節DDS輸出的本振頻率，使其跟蹤載波信號頻率。再通過混頻器，將高頻被測信號和本振信號進行混頻，使其變換為頻率固定為fI的中頻信號。本方案中fI頻率較低，相比于調制信號，固定頻率的中頻信號大大降低了待采樣信號的頻率。使用C2000內置的ADC即可滿足對采樣要求，充分利用了DSP片內資源，極大地減少了數據處理運算量。

2? 軟件無線電解調系統整體架構

2.1? 硬件總體框圖

以TI C2000系列的F28379 DSP為主控制器，模擬前端包括DDS本振輸出和混頻器組成的超外差式接收系統，以及比較器、分頻器和單端轉差分的低失真差分ADC 驅動器。被測信號一路經過放大調理電路后與DDS產生的本振信號混頻，得到固定頻率的中頻信號，再經過ADC驅動器進行差分模式下采樣。另一路通過比較器轉化為類方波信號，分頻后C2000可以精準獲取已調信號載波頻率。根據載波頻率，實時改變DDS本振頻率，對已調信號頻率進行跟蹤。總體框圖如圖1所示。裝置實物如圖2所示。

2.2? SAR ADC單端轉差分驅動電路

本電路使用LT1994芯片設計低失真差分ADC驅動器。LT1994的輸出共模電壓與輸入共模電壓無關，通過施加不同的電壓在VOCM引腳上來進行調節。其內部的單獨共模反饋路徑提供了精確的輸出相位平衡，可以降低了偶次諧波，也可以傳輸具有最低諧波失真的差分信號，適用于驅動ADC[7]。在本電路中，LT1994輸出的差分信號具有易分辨小信號、極低噪聲等優點，為下一步C2000內置的16 bit 1.1 Msps SAR ADC在差分模式下進行信號采集創造了極好的條件。

2.3? 混頻器電路

本電路使用AD835芯片為核心的乘法器作為混頻器。混頻器的目的在于將頻率極高的被測信號和DDS產生的本振信號進行混頻，將其變換為頻率固定的中頻信號，很大程度上降低了待采樣信號的頻率。乘法器能產生X和Y電壓輸入的線性乘積，輸出帶寬為250 MHz，遠遠超出所要求的帶寬范圍[8]。后級輸出增加了一片單運放作為放大處理，彌補了AD835衰減的缺陷。

3? 數字解調算法的實現

3.1? 希爾伯特變換算法實現AM解調

希爾伯特變換可以將實數信號變換成解析信號，即把一維信號變成二維復平面上的信號。復數的模和幅角代表了信號的幅度和相位，通過瞬時振幅可以實現AM信號的包絡提取[9]。

一個實值函數x（t），其希爾伯特變換記作：

（1）

希爾伯特變換將實信號變換為復信號的過程如圖3所示。

對其進行MATLAB仿真驗證，仿真波形結果如圖4所示。

根據包絡得到Umax、Umin，求得標準調幅波的調幅度：

（2）

3.2? 正交解調算法實現FM解調

對于調頻（FM），是對載波頻率隨調制信號成線性變化的一種調制方式，其正交表達式：

（3）

可以看出：

I（t）=cosφ? ? ? Q（t）=sinφ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

其中，I（t）、Q（t）正交。則瞬時相位及瞬時頻率：

（5）

從而計算得最大頻偏Δω，再根據調制頻率Ω即可計算調頻度：

（6）

對其進行MATLAB仿真驗證，仿真波形結果如圖5所示。

3.3? 基于DSP的系統算法實現

自主識別調制方式流程圖如圖6所示。通過希爾伯特包絡提取獲得調幅度，用以判斷是否為AM信號。當判斷結果為AM信號時直接顯示測量結果并輸出解調信號。當判斷結果為FM或CW信號時，通過正交解調進一步測量最大頻偏，用以判斷FM信號或CW信號，判斷后顯示測量結果并輸出解調信號。

DDS本振頻率跟蹤流程圖如圖7所示。當放大調理后的信號通過比較器轉化為類方波信號后。通過測量比較器所得的方波頻率，可以進一步計算獲得載波頻率，從而更新DDS本振頻率，重新進行混頻。通過C2000進行FFT運算可以估計混頻后的中頻信號中心頻率，從而實現本振頻率迭代更新，最后得到載波頻率。

AM解調、調幅度測量算法如圖8所示。對于判斷所得的AM信號，先使用有限長單位沖激響應濾波器（Finite Impulse Response， FIR）實現希爾伯特變換進行包絡提取[9]，并用IIR峰值濾波器去噪，這樣就可以得到AM解調信號，而其交流分量振幅與直流分量之比，就是調幅度ma。

FM解調、調頻度測量算法如圖9所示。對于FM信號，本系統用正交解調的方法，將信號分別與同相和正交的中頻相乘，并經IIR低通濾波，即可得到IQ基帶信號。接下來通過反正切運算、FIR微分器、IIR峰值濾波器實現FM信號解調和去噪。而FM解調輸出信號的幅值與頻偏成正比，只要測出其幅值和頻率，即可算得調頻度mf。

4? 系統性能測試

4.1? 系統測試方案

采用泰克生產的AFG3101型任意波信號發生器作為信號源產生已調波形。其中載波和原始信號頻率、幅度、調制度和調制方式任意可調。測試儀器列表如表1所示。

4.2? 測試結果與分析

測試結果分析如下：

（1）等載頻下不同調幅度信號測試，輸入電壓峰峰值為100 mV的普通單音調幅（AM）信號，其載頻為10 MHz，最大測量誤差絕對值 =0.004，結果如表2所示。

（2）等載頻下不同調頻度信號測試，輸入電壓峰峰值為100 mV的普通單音調頻（FM）信號，其載頻為10 MHz，最大測量誤差絕對值 =0.001，結果如表3所示。

（3）等載頻下不同調頻度信號最大頻偏（Hz）測試，輸入電壓峰峰值為100 mV的普通單音調頻（FM）信號，其載頻為10 MHz，最大測量誤差絕對值 =0.01 kHz，結果如表4所示。

5? 結? 論

本文完成了一個可以測量并顯示信號源輸出的被測信號調制度等參數，自主識別并顯示被測信號的調制方式，輸出解調信號的信號調制度測量裝置。作品使用TI公司C2000 F28379跟蹤已調信號頻率，通過DDS本振和混頻器組成超外差式接收系統獲得中頻信號，使其滿足C2000內置的16 bit 1.1 Msps SAR ADC在差分模式下采樣需求，避免了FPGA加高速ADC低通采樣的方案，極大地節省了硬件資源。解調方案上汲取軟件無線電的核心思想，并綜合使用希爾伯特變換、正交解調等方法，在有限的算力開支下能準確快速地判斷信號調制方式、還原調制信號并完成參數測量。實測調幅度測量誤差小于5‰，調頻度和最大頻偏測量誤差小于2‰。最后，受限于DSP和片內ADC采樣速率，本系統無法對高帶寬的調制信號進行解調，可以優化算法和提升ADC采樣速率進一步提升。

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作者簡介：葛辛亮（2001.09—），男，漢族，浙江慈溪人，本科在讀，研究方向：電子科學與技術。

收稿日期：2022-10-19