利用高速DSP實現(xiàn)信號自主識別及數(shù)字解調(diào)

摘? 要：文章設(shè)計了一個可以測量并顯示信號源輸出的被測信號調(diào)制度等參數(shù)，自主識別并顯示被測信號的調(diào)制方式（AM、FM、CW），輸出解調(diào)信號的信號調(diào)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(nèi)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(tǒng)，以及一級比較器、一級分頻器和一級單端轉(zhuǎn)差分的低失真差分ADC驅(qū)動器。解調(diào)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(diào)等方法，可以快速且精確地自主識別被測信號的調(diào)制方式，測量并顯示調(diào)制度等參數(shù)，調(diào)幅度測量誤差小于5‰，調(diào)頻度和最大頻偏測量誤差小于2‰，且能輸出解調(diào)信號波形。

關(guān)鍵詞：DSP；自主識別；超外差式接收系統(tǒng)；希爾伯特變換；正交解調(diào)

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(xiàn)代無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，通信系統(tǒng)變得越來越多樣化和復雜化。如何在保證通信質(zhì)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(tǒng)硬件電路因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、靈活性低、拓展性差，功能相對比較簡單，已經(jīng)難以滿足通信系統(tǒng)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(lián)合作戰(zhàn)時各種通信系統(tǒng)的互通互聯(lián)問題。這一新概念一經(jīng)提出就受到了全世界無線電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，很多國家都開展了相關(guān)研究。近年來高速發(fā)展的軟件無線電技術(shù)因其較低的信噪比（SNR）、優(yōu)異的可拓展性廣泛應(yīng)用于民用通信、軍事、雷達、醫(yī)療、電視、氣象等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的模擬信號體制逐漸被數(shù)字信號體制取代，數(shù)字解調(diào)技術(shù)也在一定程度上代替了模擬解調(diào)技術(shù)[1，2]。

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

1? 數(shù)字解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)

1.1? 單音調(diào)幅（AM）信號解調(diào)

本系統(tǒng)使用希爾伯特變換在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)包絡(luò)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(shù)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(shù)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(xiàn)信號的包絡(luò)提取[3]。相比于小信號平方律檢波器，AM數(shù)字解調(diào)存在很多優(yōu)勢?？紤]到被測信號的峰峰值較?。?00 mV），使用二極管包絡(luò)檢波器將產(chǎn)生嚴重的非線性失真，應(yīng)采用小信號平方律檢波。該方案在解調(diào)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(diào)獲得調(diào)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(shù)字解調(diào)很好地解決了模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diào)頻（FM）信號解調(diào)

本系統(tǒng)使用正交解調(diào)法恢復調(diào)制信號。理論上任何調(diào)制方式的中頻信號均可以使用正交解調(diào)。FM信號的正交解調(diào)可以先對調(diào)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(yōu)化算法，可以減少FM正交解調(diào)的運算量，提高解調(diào)速度，更加穩(wěn)定、準確地還原調(diào)制信號。不同于采用鎖相鑒頻電路，當輸入為調(diào)頻波時，如果環(huán)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(diào)頻波中反應(yīng)調(diào)制規(guī)律變化的瞬時變化[6]。此時，環(huán)路濾波器輸出的控制電壓就是所需調(diào)頻波解調(diào)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(huán)失鎖，無法解調(diào)。

1.3? 調(diào)制信號采樣

對已調(diào)信號低通采樣。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了實現(xiàn)不失真地恢復原連續(xù)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(shù)過多，大大增加了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的運算量。本系統(tǒng)使用超外差式接收系統(tǒng)，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(diào)節(jié)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(diào)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(nèi)置的ADC即可滿足對采樣要求，充分利用了DSP片內(nèi)資源，極大地減少了數(shù)據(jù)處理運算量。

2? 軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)整體架構(gòu)

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(tǒng)，以及比較器、分頻器和單端轉(zhuǎn)差分的低失真差分ADC 驅(qū)動器。被測信號一路經(jīng)過放大調(diào)理電路后與DDS產(chǎn)生的本振信號混頻，得到固定頻率的中頻信號，再經(jīng)過ADC驅(qū)動器進行差分模式下采樣。另一路通過比較器轉(zhuǎn)化為類方波信號，分頻后C2000可以精準獲取已調(diào)信號載波頻率。根據(jù)載波頻率，實時改變DDS本振頻率，對已調(diào)信號頻率進行跟蹤?？傮w框圖如圖1所示。裝置實物如圖2所示。

2.2? SAR ADC單端轉(zhuǎn)差分驅(qū)動電路

本電路使用LT1994芯片設(shè)計低失真差分ADC驅(qū)動器。LT1994的輸出共模電壓與輸入共模電壓無關(guān)，通過施加不同的電壓在VOCM引腳上來進行調(diào)節(jié)。其內(nèi)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(qū)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(yōu)點，為下一步C2000內(nèi)置的16 bit 1.1 Msps SAR ADC在差分模式下進行信號采集創(chuàng)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?；祛l器的目的在于將頻率極高的被測信號和DDS產(chǎn)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(chǎn)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(shù)字解調(diào)算法的實現(xiàn)

3.1? 希爾伯特變換算法實現(xiàn)AM解調(diào)

希爾伯特變換可以將實數(shù)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(shù)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(xiàn)AM信號的包絡(luò)提取[9]。

一個實值函數(shù)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(jié)果如圖4所示。

根據(jù)包絡(luò)得到Umax、Umin，求得標準調(diào)幅波的調(diào)幅度：

（2）

3.2? 正交解調(diào)算法實現(xiàn)FM解調(diào)

對于調(diào)頻（FM），是對載波頻率隨調(diào)制信號成線性變化的一種調(diào)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(jù)調(diào)制頻率Ω即可計算調(diào)頻度：

（6）

對其進行MATLAB仿真驗證，仿真波形結(jié)果如圖5所示。

3.3? 基于DSP的系統(tǒng)算法實現(xiàn)

自主識別調(diào)制方式流程圖如圖6所示。通過希爾伯特包絡(luò)提取獲得調(diào)幅度，用以判斷是否為AM信號。當判斷結(jié)果為AM信號時直接顯示測量結(jié)果并輸出解調(diào)信號。當判斷結(jié)果為FM或CW信號時，通過正交解調(diào)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(jié)果并輸出解調(diào)信號。

DDS本振頻率跟蹤流程圖如圖7所示。當放大調(diào)理后的信號通過比較器轉(zhuǎn)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(xiàn)本振頻率迭代更新，最后得到載波頻率。

AM解調(diào)、調(diào)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(yīng)濾波器（Finite Impulse Response， FIR）實現(xiàn)希爾伯特變換進行包絡(luò)提取[9]，并用IIR峰值濾波器去噪，這樣就可以得到AM解調(diào)信號，而其交流分量振幅與直流分量之比，就是調(diào)幅度ma。

FM解調(diào)、調(diào)頻度測量算法如圖9所示。對于FM信號，本系統(tǒng)用正交解調(diào)的方法，將信號分別與同相和正交的中頻相乘，并經(jīng)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(xiàn)FM信號解調(diào)和去噪。而FM解調(diào)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(diào)頻度mf。

4? 系統(tǒng)性能測試

4.1? 系統(tǒng)測試方案

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

4.2? 測試結(jié)果與分析

測試結(jié)果分析如下：

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

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

（3）等載頻下不同調(diào)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(diào)頻（FM）信號，其載頻為10 MHz，最大測量誤差絕對值 =0.01 kHz，結(jié)果如表4所示。

5? 結(jié)? 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(diào)制度等參數(shù)，自主識別并顯示被測信號的調(diào)制方式，輸出解調(diào)信號的信號調(diào)制度測量裝置。作品使用TI公司C2000 F28379跟蹤已調(diào)信號頻率，通過DDS本振和混頻器組成超外差式接收系統(tǒng)獲得中頻信號，使其滿足C2000內(nèi)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(jié)省了硬件資源。解調(diào)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(diào)等方法，在有限的算力開支下能準確快速地判斷信號調(diào)制方式、還原調(diào)制信號并完成參數(shù)測量。實測調(diào)幅度測量誤差小于5‰，調(diào)頻度和最大頻偏測量誤差小于2‰。最后，受限于DSP和片內(nèi)ADC采樣速率，本系統(tǒng)無法對高帶寬的調(diào)制信號進行解調(diào)，可以優(yōu)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(shù)。

收稿日期：2022-10-19