基于DSP和FPGA的調(diào)幅廣播信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

引言

　　隨著通信與廣播電視業(yè)務(wù)的發(fā)展，無(wú)線電頻譜迅速、大量的被占用，頻道擁擠和相互間干擾日趨嚴(yán)重，為了能有效地利用無(wú)線電頻譜，減少相互間的干擾，信號(hào)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)隨之成為必要。調(diào)幅廣播信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)短波調(diào)幅廣播信號(hào)的調(diào)幅度、載波頻率的專用系統(tǒng)。

　　圖1為調(diào)幅廣播信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、總線控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、上位機(jī)通信模塊組成。其工作方式為：輸入信號(hào)通過(guò)線性數(shù)控增益放大器后由A/D轉(zhuǎn)換器采樣，采樣后的數(shù)據(jù)由FPGA送入DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果由FPGA通過(guò)PCI接口送入上位機(jī)。同時(shí)由DSP對(duì)采樣所得信號(hào)大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)FPGA對(duì)線性數(shù)控增益放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，使其輸出信號(hào)滿足系統(tǒng)測(cè)量要求。

　　算法和數(shù)字處理軟件

　　調(diào)幅廣播信號(hào)的特點(diǎn)是載波頻率相對(duì)穩(wěn)定而調(diào)幅度實(shí)時(shí)變化，所以系統(tǒng)每監(jiān)測(cè)一百次調(diào)幅度再監(jiān)測(cè)一次載波頻率同樣可以達(dá)到監(jiān)測(cè)信號(hào)的目的。系統(tǒng)所要監(jiān)測(cè)的信號(hào)的帶寬小于10kHz，頻率范圍為1.5MHz~30MHz。若對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，為保證測(cè)量精度則采樣頻率要達(dá)到240MHz，后續(xù)數(shù)據(jù)處理難度較大，所以系統(tǒng)選擇對(duì)信號(hào)進(jìn)行欠采樣。采樣點(diǎn)數(shù)為N=4096。

　　調(diào)幅信號(hào)調(diào)幅度的計(jì)算公式如下：

　　其中m為調(diào)幅度，A為包絡(luò)上、下兩正峰間的幅度，B為包絡(luò)上、下兩負(fù)峰間的幅度。

　　本系統(tǒng)中先用頻域移相法求得A/D采樣后信號(hào)的Hilbert變換，然后取絕對(duì)值即可得到AM信號(hào)的上包絡(luò)。因?yàn)閱我粽{(diào)幅信號(hào)的上、下包絡(luò)關(guān)于零軸對(duì)稱，所以只要得到上、下包絡(luò)其中之一就能根據(jù)式(1)求得調(diào)幅度。

　　設(shè)輸入信號(hào)為f(t)，則由采樣定理可知采樣前信號(hào)的頻譜F(w)和采樣后信號(hào)的頻譜FS(w)有如下關(guān)系：

　　設(shè)輸入正弦信號(hào)為：

　　則采樣后信號(hào)的頻譜為：

　　根據(jù)上式可知，信號(hào)的頻譜在w=wi-nW處有峰值。由下式可知只要計(jì)算出n值和通過(guò)傅里葉變換估計(jì)欠采樣后信號(hào)的頻率w，正弦信號(hào)的真實(shí)頻率wS就可準(zhǔn)確求出。

　　輸入信號(hào)最高頻率為30MHz，系統(tǒng)選取最小公倍數(shù)為60MHz的兩個(gè)采樣頻率分別為fs1、fs2(fs1=60/264MHz=0.228MHz、fs2=60/261MHz=0.230MHz)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)采樣后的信號(hào)作FFT變換，與fs1和fs2相對(duì)應(yīng)的頻率分別為f1=fs1×n1/N和f2=fs2×n2/N。由此可粗略的得到信號(hào)的載波頻率為：

　　進(jìn)而為了達(dá)到1Hz的測(cè)量精度，必須進(jìn)行頻譜細(xì)化。若要達(dá)到0.5Hz分辨率，則分析200Hz譜寬需要計(jì)算400點(diǎn)。在粗估計(jì)頻率的前后100Hz內(nèi)進(jìn)行頻率細(xì)化分析，分別對(duì)f1和f2作n1和n2周圍400點(diǎn)的DFT變換。變換后得到頻譜F1和F2，分別求出其幅度最大值對(duì)應(yīng)的位置nF1和nF2，從而得到精估計(jì)的信號(hào)頻率值和：

　　根據(jù)式(6)可以列出兩組載波頻率的矩陣：

　　最后根據(jù)式(8)中最接近的兩個(gè)值fcn1和fcn2就可以計(jì)算出載波頻率值為：

　　根據(jù)上述算法可得到DSP中數(shù)據(jù)處理軟件的流程圖(圖2)。

　　FPGA邏輯設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中FPGA主要用來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，分別為A/D采樣數(shù)據(jù)到DSP的傳輸、DSP計(jì)算結(jié)果到PCI接口的傳輸以及數(shù)控增益放大器的增益控制。同時(shí)FPGA還為系統(tǒng)工作提供了必要的時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)、控制信號(hào)(圖3)。

　　器件選擇

　　A/D轉(zhuǎn)換器是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的性能往往直接影響整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)A/D有效位數(shù)大于12位時(shí)量化損失為0.0055dB，其對(duì)測(cè)量精度的影響可忽略不計(jì)。系統(tǒng)選用的A/D轉(zhuǎn)換器為ADI公司的AD9433。輸入AD9433的信號(hào)幅度要控制在一定的范圍內(nèi)，否則會(huì)造成失真，甚至燒毀芯片，所以要在AD9433之前用運(yùn)放對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行調(diào)控。同時(shí)根據(jù)調(diào)幅廣播信號(hào)幅度實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)，要求所選擇的運(yùn)放增益可變。基于上述要求系統(tǒng)選用ADI公司的線性數(shù)控增益放大器AD8320。

　　系統(tǒng)對(duì)信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)為N=4096，算法采用Hilbert變換解調(diào)求調(diào)幅度和欠采樣求載波頻率，所以每計(jì)算100次調(diào)幅度和1次載波頻率所需要的運(yùn)算量大概為：

　　本系統(tǒng)選用ADI公司SHARC系列的ADSP-21262作為數(shù)據(jù)處理芯片。

　　根據(jù)ADSP-21262性能可估算出系統(tǒng)完成一次調(diào)幅度測(cè)量所需要的時(shí)間大概為800μs，完成一次載波頻率測(cè)量所需要的時(shí)間大概為10ms，可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。

　　在總線控制模塊中，系統(tǒng)選用Altera公司Cyclone II系列中的EP2C8Q208C8 FPGA芯片。

　　PCI接口模塊選用PLX公司的PCI總線控制芯片PC19054。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了一種基于DSP的調(diào)幅廣播信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用了數(shù)字信號(hào)處理的方法，與模擬監(jiān)測(cè)技術(shù)相比處理更加靈活、測(cè)量精度更高、并且大大提高了系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于實(shí)踐，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢查，載波頻率測(cè)量精度達(dá)到1Hz，調(diào)幅度測(cè)量精度達(dá)到3%，測(cè)量效果滿足實(shí)際需要。