利用高速DSP实现信号自主识别及数字解调_葛辛亮.pdf

2023 年 2 月 25 日第 7 卷第 4 期现代信息科技Modern Information Technology Feb.2023 Vol.7 No.467672023.022023.02收稿日期：2022-10-19利用高速 DSP 实现信号自主识别及数字解调葛辛亮（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018）摘 要：文章设计了一个可以测量并显示信号源输出的被测信号调制度等参数，自主识别并显示被测信号的调制方式（AM、FM、CW），输出解调信号的信号调制度测量装置。作品以TI C2000系列的F28379 DSP为主控制器，使用F28379内置的16 bit 1.1 Msps SAR ADC 在差分模式下进行信号采集。模拟前端包括DDS本振输出和混频器组成的超外差式接收系统，以及一级比较器、一级分频器和一级单端转差分的低失真差分 ADC 驱动器。解调方案汲取软件无线电的核心思想，综合使用希尔伯特变换、正交解调等方法，可以快速且精确地自主识别被测信号的调制方式，测量并显示调制度等参数，调幅度测量误差小于 5，调频度和最大频偏测量误差小于 2，且能输出解调信号波形。关键词：DSP；自主识别；超外差式接收系统；希尔伯特变换；正交解调中图分类号：TP274；TN99 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）04-0067-05Implementation of Independent Signal Recognition and Digital Demodulation by Using High-Speed DSPGE 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 demodulation0 引 言随着现代无线通信技术的高速发展，通信系统变得越来越多样化和复杂化。如何在保证通信质量的前提下，对通信信号进行处理成了亟需解决的难题。传统硬件电路因其系统结构复杂、灵活性低、拓展性差，功能相对比较简单，已经难以满足通信系统的多样化需求。软件无线电（software defined radio,SDR）是由美国MILTRE 公司的 Joe Mitola 在 1992 年首次提出的概念。最初是为了解决联合作战时各种通信系统的互通互联问题。这一新概念一经提出就受到了全世界无线电领域的广泛关注，很多国家都开展了相关研究。近年来高速发展的软件无线电技术因其较低的信噪比（SNR）、优异的可拓展性广泛应用于民用通信、军事、雷达、医疗、电视、气象等领域。传统的模拟信号体制逐渐被数字信号体制取代，数字解调技术也在DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.04.018一定程度上代替了模拟解调技术1，2。为了适应高复杂程度的现代通信系统，解决不同无线通信方式之间难以兼容的问题，实现高精度数字解调。本文构建了一种可以测量并显示信号源输出的被测信号调制度等参数，自主识别并显示被测信号的调制方式（AM、FM、CW），输出解调信号的信号调制度测量装置，运用软件无线电技术，能够实现 AM、FM 数字解调，使其广泛应用于众多领域。1 数字解调关键技术1.1 单音调幅（AM）信号解调本系统使用希尔伯特变换在数字域实现包络提取。希尔伯特变换是信号处理的一种常用手段。希尔伯特变换可以将实数信号变换成解析信号，即把一个一维的信号变成了二维复平面上的信号，复数的模和幅角代表了信号的幅度和相位，通过瞬时振幅可以实现信号的包络提取3。相比于小信号平方律检波器，AM 数字解调存在很多优势。考虑到被测信号的峰峰值较小（100 mV），使用二极管包络检波器将产生严68682023.022023.02第 4 期现代信息科技重的非线性失真，应采用小信号平方律检波。该方案在解调过程中，通过平方运算得到两倍频率的信号，再滤掉直流成分，通过分频器得到与载波频率相同的信号，最终通过相干解调获得调制信号。但小信号平方律检波存在失真大、效率低、输入阻抗小等缺陷4。使用数字解调很好地解决了模拟系统结构复杂、容易失真等问题，同时适用于更广的信号范围。1.2 单音调频（FM）信号解调本系统使用正交解调法恢复调制信号。理论上任何调制方式的中频信号均可以使用正交解调。FM 信号的正交解调可以先对调制信号采样，得到信号的同相和正交分量，再生成一个复信号。这个信号的相位与信源信号成正比。利用除法和反正切运算即可恢复原信号5。通过优化算法，可以减少 FM 正交解调的运算量，提高解调速度，更加稳定、准确地还原调制信号。不同于采用锁相鉴频电路，当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够，鉴相器输出电压就能通过，压控振荡器就能跟踪输入调频波中反应调制规律变化的瞬时变化6。此时，环路滤波器输出的控制电压就是所需调频波解调电压。然而在实际使用中，过大的频率阶跃、过大的噪声干扰和过高的温度都容易造成锁相环失锁，无法解调。1.3 调制信号采样对已调信号低通采样。根据奈奎斯特采样定理，为了实现不失真地恢复原连续信号，采样频率必须大于信号谱最高频率的 2 倍。被测信号的载频范围高。一方面，对 ADC 模拟带宽和采样速率提出了更高的要求，增加了所需的硬件资源；另一方面，由于采样点数过多，大大增加了后续数据处理的运算量。本系统使用超外差式接收系统，对中频信号进行采样。使用高速 DDS 作为本振信号。通过 C2000 主控调节 DDS 输出的本振频率，使其跟踪载波信号频率。再通过混频器，将高频被测信号和本振信号进行混频，使其变换为频率固定为 fI的中频信号。本方案中 fI频率较低，相比于调制信号，固定频率的中频信号大大降低了待采样信号的频率。使用 C2000 内置的 ADC 即可满足对采样要求，充分利用了DSP 片内资源，极大地减少了数据处理运算量。2 软件无线电解调系统整体架构2.1 硬件总体框图以 TI C2000 系列的 F28379 DSP 为主控制器，模拟前端包括 DDS 本振输出和混频器组成的超外差式接收系统，以及比较器、分频器和单端转差分的低失真差分ADC 驱动器。被测信号一路经过放大调理电路后与 DDS 产生的本振信号混频，得到固定频率的中频信号，再经过 ADC 驱动器进行差分模式下采样。另一路通过比较器转化为类方波信号，分频后C2000可以精准获取已调信号载波频率。根据载波频率，实时改变 DDS 本振频率，对已调信号频率进行跟踪。总体框图如图 1 所示。装置实物如图 2 所示。2.2 SAR ADC 单端转差分驱动电路本电路使用 LT1994 芯片设计低失真差分 ADC 驱动器。LT1994 的输出共模电压与输入共模电压无关，通过施加不同的电压在 VOCM 引脚上来进行调节。其内部的单独共模反馈路径提供了精确的输出相位平衡，可以降低了偶次谐波，也可以传输具有最低谐波失真的差分信号，适用于驱动 ADC7。在本电路中，LT1994 输出的差分信号具有易分辨小信号、极低噪声等优点，为下一步 C2000 内置的 16 bit 1.1 Msps SAR ADC 在差分模式下进行信号采集创造了极好的条件。信号源放大调理混频器单端转差分C2000解调信号比较器分频器LCDDDS本振输入信号处理输出主控显示图 1 信号自主识别及数字解调总体框图图 2 装置实物图2.3 混频器电路本电路使用 AD835 芯片为核心的乘法器作为混频器。混频器的目的在于将频率极高的被测信号和 DDS 产生的本振信号进行混频，将其变换为频率固定的中频信号，很大程度上降低了待采样信号的频率。乘法器能产生 X 和 Y 电压输入的线性乘积，输出带宽为 250 MHz，远远超出所要求的带宽范围8。后级输出增加了一片单运放作为放大处理，弥补了 AD835 衰减的缺陷。3 数字解调算法的实现3.1 希尔伯特变换算法实现 AM 解调希尔伯特变换可以将实数信号变换成解析信号，即把一维信号变成二维复平面上的信号。复数的模和幅角代表了信号的幅度和相位，通过瞬时振幅可以实现 AM 信号的包络提取9。一个实值函数 x(t)，其希尔伯特变换记作：d （1）希尔伯特变换将实信号变换为复信号的过程如图3所示。ImReImReImReImReHilbert*jsummation图 3 希尔伯特变换示意图69692023.022023.02第 4 期对其进行MATLAB仿真验证，仿真波形结果如图4所示。根据包络得到 Umax、Umin，求得标准调幅波的调幅度：（2）3.2 正交解调算法实现 FM 解调对于调频（FM），是对载波频率随调制信号成线性变化的一种调制方式，其正交表达式：（3）可以看出：I(t)=cos Q(t)=sin （4）其中，I(t)、Q(t)正交。则瞬时相