基于DSP的基帶噪聲模擬模塊設(shè)計(jì)

李莉，沈旭，馬久青

（1.92126 部隊(duì)，福建福州350007；2.常州國光數(shù)據(jù)通信有限公司，江蘇常州213000）

在傳統(tǒng)無線電通信基帶信號處理模塊的研發(fā)、生產(chǎn)、維修過程中，需要對模塊的抗干擾能力進(jìn)行測試，如抗白噪聲干擾能力、抗電磁干擾能力、多普勒頻偏追蹤能力等。常見的檢測設(shè)備有白噪聲發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、音頻分析儀、毫伏表、信號疊加裝置等多種設(shè)備，存在檢測設(shè)備數(shù)量多、種類多，檢測方法繁瑣，效率低等問題[1-4]。為解決這些問題，提高檢測效率，文中以C6748 數(shù)字信號處理器為基本硬件平臺，設(shè)計(jì)了一種基于DSP 的多功能基帶噪聲模擬模塊。

1 硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)由核心板和信號調(diào)理板組成，核心板主要為DSP 最小系統(tǒng)，其由DSP、MobileDDR、Norflash等組成。信號調(diào)理板由Emulator、電源管理電路（PM）、音頻編解碼器及其信號調(diào)理電路（A.F.E）等組成[5]，如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 DSP最小系統(tǒng)

核心板DSP 采用TMS320C6748 浮點(diǎn)運(yùn)算處理器作為控制和算法處理器，工作時(shí)鐘采用25 MHz晶振，工作主頻為300 MHz，掛載16 M×16 bit mDDR 閃存和2 M×8 bit FLASH 存儲器，對外提供McBSP 同步串口和UART 異步串口[6]，mDDR 閃存芯片采用MT 46H16M16LF，連接DSP 的DDR 控制接口，F(xiàn)LASH 存儲器采用S29GL016 芯片，連接DSP 的EMIF 接口。

1.2 電源管理電路

文中采用TPS650250 電源芯片實(shí)現(xiàn)電源管理電路，如圖2所示。

圖2 電源電路

電源管理系統(tǒng)可輸出的DSP 最小系統(tǒng)工作電壓為+1.2 V、+1.8 V和+3.3 V，并通過三極管Q1～Q4進(jìn)行上電順序控制，其上電電壓依次為+1.2 V、+1.8 V、+3.3 V，如圖3所示。

圖3 上電順序控制

1.3 音頻編解碼電路

文中采用TLV320AIC23 數(shù)字音頻編解碼芯片實(shí)現(xiàn)音頻編解碼電路，其工作時(shí)鐘采用8.192 MHz晶振，其SCL0 和SCA0 為芯片I2C 的控制接口，DSP通過I2C 接口進(jìn)行工作參數(shù)的配置。DIN、DOUT和BCLK 為音頻數(shù)字接口，DSP 利用MCBSP 接口與音頻數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)互通[7]，如圖4所示。

圖4 音頻編解碼器電路

1.4 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路部分采用變壓器和運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)4 線平衡音頻信號的輸入、輸出（模擬差分信號），如圖5和圖6所示。

圖5 輸出調(diào)理電路

圖6 輸入調(diào)理電路

2 算法設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)主要涉及信號有效值計(jì)算、高斯白噪聲生成、固定頻率噪聲生成3 種信號處理算法。

2.1 信號有效值

該設(shè)計(jì)的信號有效值計(jì)算采用實(shí)時(shí)功率加權(quán)計(jì)算方法[8]，如式（1）所示。

其中，RMS為信號有效值，S為信號采樣值，K為有效值實(shí)時(shí)性權(quán)值，N為有效值計(jì)算所取采樣點(diǎn)數(shù)。K反映了有效值的靈敏度，N反映了有效值的實(shí)時(shí)性。綜合考慮硬件平臺的采樣率和運(yùn)算速度等性能，該設(shè)計(jì)中N取4 096，即每隔0.256 s 計(jì)算信號的有效值，K取0.8，即保證了有效值的實(shí)時(shí)性，又避免了有效值變化抖動過大。

2.2 高斯白噪聲

極坐標(biāo)法是生成數(shù)字高斯白噪聲序列常見的方法[9-11]，步驟如下：

1）產(chǎn)生平均分布的隨機(jī)數(shù)U1、U2；

2）計(jì)算V1=2U1-1,V2=2U2-1，并計(jì)算S=V12+V22；

3）若S≥1,則返回步驟1）；若S＜1，則計(jì)算

由上述算法可以得到一組正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)列，即標(biāo)準(zhǔn)高斯白噪聲序列，其功率譜符合白噪聲功率譜特征。然而在檢測短波基帶信號調(diào)制解調(diào)模塊抗白噪聲干擾能力時(shí)，采用的是帶寬為3 kHz 的窄帶高斯白噪聲，該模塊采用帶寬為3 kHz 的FIR 低通濾波器對標(biāo)準(zhǔn)高斯白噪聲序列進(jìn)行處理，從而得到所需的窄帶高斯白噪聲序列[12-15]。

圖7為該模塊采用的Equiripple FIR 數(shù)字低通濾波器響應(yīng)曲線,其通過頻率為3 kHz，截止頻率為4.8 kHz。圖8（a）為帶寬為3 kHz 的高斯白噪聲序列，圖8（b）為高斯白噪聲功率譜，圖8（c）為序列分布特性。

圖7 Equiripple FIR數(shù)字低通濾波器響應(yīng)曲線

圖8 窄帶高斯白噪聲

2.3 固定頻率噪聲

對于某些抗強(qiáng)單頻率噪聲干擾能力強(qiáng)的通信設(shè)備，在需要測試其抗干擾能力時(shí)，傳統(tǒng)的測試方法是采用函數(shù)信號發(fā)生器或音頻分析儀生成固定頻率的音頻信號，并利用信號疊加設(shè)備進(jìn)行噪聲疊加，若需加入多個(gè)頻率噪聲，則需多臺設(shè)備[16]。這種測試方法存在設(shè)備過多、操作繁瑣、信噪比不準(zhǔn)確等問題，因此該設(shè)計(jì)中采用數(shù)字化方法生成所需噪聲，如式（2）所示。

其中，Xi為信號采樣序列，N為不同噪聲頻率的個(gè)數(shù)，fs為采樣率，fj為噪聲頻率，A為噪聲幅度系數(shù)，噪聲頻率fj應(yīng)同時(shí)滿足fj≤fs/2。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述算法論證分析，該設(shè)計(jì)中首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括通信端口（UART/I2C/MCBSP）、中斷以及任務(wù)等參數(shù)，然后進(jìn)行音頻編解碼器的參數(shù)設(shè)置。用戶通過串口進(jìn)行信噪比和噪聲類型設(shè)置，DSP 計(jì)算生成用戶要求的噪聲類型，對采樣的模擬信號進(jìn)行有效值計(jì)算，根據(jù)用戶需要的信噪比和輸出加噪信號的幅度大小調(diào)整信號幅度和噪聲幅度，將幅度調(diào)整后的信號和噪聲進(jìn)行疊加，得到用戶所需的加噪信號，如圖9所示。

圖9 模塊工作流程

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化程序首先進(jìn)行時(shí)鐘初始化，主要是設(shè)置DSP 的工作時(shí)鐘，DSP 的時(shí)鐘源為25 MHz，通過設(shè)置PLL鎖相環(huán)工作參數(shù)將DSP主頻設(shè)置為300 MHz。其次是初始化UART、MCBSP 和I2C 3 個(gè)數(shù)字接口的工作參數(shù)并使能中斷。再次是通過I2C 接口初始化音頻編解碼器的工作參數(shù)。

3.2 串口中斷服務(wù)函數(shù)

系統(tǒng)軟件通過串口中斷服務(wù)函數(shù)接收用戶傳輸?shù)拇跀?shù)據(jù)，保存信噪比、噪聲類型和噪聲頻率等工作參數(shù)，同時(shí)在接收到查詢命令時(shí)，輸出緩存的有效值數(shù)據(jù)。

3.3 MCBSP接口中斷服務(wù)函數(shù)

MCBSP 接口中斷服務(wù)函數(shù)用于接收和發(fā)送數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，當(dāng)音頻編解碼器完成一次采樣后，產(chǎn)生接口中斷，中斷服務(wù)函數(shù)將16 bit 的采樣值存入輸入緩存，并將輸出緩存的數(shù)據(jù)通過MCBSP 接口輸出。

3.4 信號處理函數(shù)

該設(shè)計(jì)中當(dāng)音頻輸入數(shù)據(jù)緩存存滿時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將緩存數(shù)據(jù)取出，按該文2.1 的方法進(jìn)行有效值計(jì)算，并保存得到的有效值，供用戶查詢，然后按該文2.2 節(jié)的方法生成相同緩存長度的高斯白噪聲序列，或按該文2.3 節(jié)的方法生成相應(yīng)長度的固定頻率噪聲序列，然后按信噪比計(jì)算信號幅度，將輸入的信號數(shù)據(jù)序列和噪聲序列疊加后存入輸出緩存，由MCBSP 接口中斷服務(wù)函數(shù)進(jìn)行輸出。

4 仿真結(jié)果

利用MATLAB 工具對該設(shè)計(jì)所采用的計(jì)算過程和軟件工作過程進(jìn)行模擬[17]，見圖10和圖11。圖10為疊加高斯白噪聲效果圖，原始輸入信號是600 Hz 的正弦信號，輸出加噪信號的信噪比為-3 dB。圖10（a）為輸入信號，圖10（b）為疊加高斯白噪聲后的加噪信號，圖10（c）為加噪信號頻譜。圖11 為疊加900 Hz、1 200 Hz、1 500 Hz 3 種頻率正弦噪聲的效果圖，圖11（a）為原始輸入信號是600 Hz 的正弦信號，圖11（b）為加入固定頻率噪聲后的加噪信號，信噪比是-3 dB，圖11（c）為噪聲信號頻譜。

圖10 高斯白噪聲效果

圖11 多個(gè)單頻率噪聲效果

利用該設(shè)計(jì)模塊對某短波通信調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行報(bào)文通信性能測試，其結(jié)果如表1所示。該調(diào)制解調(diào)器具備信噪比檢測功能，在SNR≥-6 dB 的噪聲環(huán)境下具有良好的通信準(zhǔn)確率，設(shè)置SNR 為該設(shè)計(jì)模塊輸出的加噪信號的信噪比，檢測SNR 為該調(diào)制解調(diào)器檢測到的實(shí)際信噪比。當(dāng)設(shè)置的SNR 大于-6 dB時(shí)，調(diào)制解調(diào)器正常通信，其檢測得到的實(shí)際信噪比結(jié)果與設(shè)置基本一致，當(dāng)SNR小于-8 dB時(shí)，已超出調(diào)制解調(diào)器工作范圍，通信誤碼率較大，無法正常通信。

表1 信噪比模擬結(jié)果對比

5 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)采用基于DSP 的信號處理硬件平臺，實(shí)現(xiàn)了信號有效值計(jì)算、高斯白噪聲生成、固定頻率噪聲生成等數(shù)字信號處理算法[18]。該設(shè)計(jì)具備操作簡單、集成度高、自動化程度高等特點(diǎn)，在短波通信設(shè)備的實(shí)際研發(fā)、生成、維修過程中具有很好的實(shí)用價(jià)值。作為進(jìn)一步的發(fā)展方向，該設(shè)計(jì)可以在多普勒頻移模擬、多徑衰弱等短波信道模擬功能方面持續(xù)完善，并實(shí)現(xiàn)自動控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等智能檢測功能。