引言

　　隨著通信與廣播電視業(yè)務(wù)的發(fā)展，無線電頻譜迅速、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線電頻譜，減少相互間的干擾，信號監(jiān)測業(yè)務(wù)隨之成為必要。調(diào)幅廣播信號監(jiān)測系統(tǒng)是用于實(shí)時監(jiān)測短波調(diào)幅廣播信號的調(diào)幅度、載波頻率的專用系統(tǒng)。

　　數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。

　　DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是值得稱道的兩大特色。

　　圖1為調(diào)幅廣播信號質(zhì)量監(jiān)測系統(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：輸入信號通過線性數(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)測結(jié)果由FPGA通過PCI接口送入上位機(jī)。同時由DSP對采樣所得信號大小進(jìn)行監(jiān)測，通過FPGA對線性數(shù)控增益放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，使其輸出信號滿足系統(tǒng)測量要求。

　　算法和數(shù)字處理軟件

　　調(diào)幅廣播信號的特點(diǎn)是載波頻率相對穩(wěn)定而調(diào)幅度實(shí)時變化，所以系統(tǒng)每監(jiān)測一百次調(diào)幅度再監(jiān)測載波頻率同樣可以達(dá)到監(jiān)測信號的目的。系統(tǒng)所要監(jiān)測的信號的帶寬小于10kHz，頻率范圍為1.5MHz~30MHz。若對信號進(jìn)行過采樣，為保證測量則采樣頻率要達(dá)到240MHz，后續(xù)數(shù)據(jù)處理難度較大，所以系統(tǒng)選擇對信號進(jìn)行欠采樣。采樣點(diǎn)數(shù)為N=4096。

　　調(diào)幅信號調(diào)幅度的計算公式如下：

　　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采樣后信號的Hilbert變換，然后取即可得到AM信號的上包絡(luò)。因?yàn)閱我粽{(diào)幅信號的上、下包絡(luò)關(guān)于零軸對稱，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)輸入信號為f（t），則由采樣定理可知采樣前信號的頻譜F（w）和采樣后信號的頻譜FS（w）有如下關(guān)系：

　　設(shè)輸入正弦信號為：

　　則采樣后信號的頻譜為：

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

　　輸入信號頻率為30MHz，系統(tǒng)選取公倍數(shù)為60MHz的兩個采樣頻率分別為fs1、fs2（fs1=60/264MHz=0.228MHz、fs2=60/261MHz=0.230MHz）對信號進(jìn)行采樣，對采樣后的信號作FFT變換，與fs1和fs2相對應(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的載波頻率為：

　　進(jìn)而為了達(dá)到1Hz的測量，必須進(jìn)行頻譜細(xì)化。若要達(dá)到0.5Hz分辨率，則分析200Hz譜寬需要計算400點(diǎn)。在粗估計頻率的前后100Hz內(nèi)進(jìn)行頻率細(xì)化分析，分別對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，分別求出其幅度值對應(yīng)的位置nF1和nF2，從而得到精估計的信號頻率值和：

　　 根據(jù)式(6)可以列出兩組載波頻率的矩陣：

　　 根據(jù)式(8)中接近的兩個值fcn1和fcn2就可以計算出載波頻率值為：

　　 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

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

　　目前以硬件描述語言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設(shè)計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進(jìn)行測試，是現(xiàn)代 IC 設(shè)計驗(yàn)證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來實(shí)現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。

　　本系統(tǒng)中FPGA主要用來協(xié)調(diào)各個模塊間的數(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FPGA還為系統(tǒng)工作提供了必要的時鐘、復(fù)位信號、控制信號（圖3）。

　　器件選擇

　　A/D轉(zhuǎn)換器是整個監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的性能往往直接影響整個監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)A/D有效位數(shù)大于12位時量化損失為0.0055dB，其對測量的影響可忽略不計。否則會造成失真，甚至燒毀芯片，所以要在AD9433之前用運(yùn)放對信號幅度進(jìn)行調(diào)控。同時根據(jù)調(diào)幅廣播信號幅度實(shí)時變化的特點(diǎn)，要求所選擇的運(yùn)放增益可變?；谏鲜鲆笙到y(tǒng)選用ADI公司的線性數(shù)控增益放大器AD8320。

　　系統(tǒng)對信號采樣點(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)完成調(diào)幅度測量所需要的時間大概為800μs，完成載波頻率測量所需要的時間大概為10ms，可以滿足系統(tǒng)實(shí)時性要求。

　　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

　　本文介紹了一種基于DSP的調(diào)幅廣播信號監(jiān)測系統(tǒng)，采用了數(shù)字信號處理的方法，與模擬監(jiān)測技術(shù)相比處理更加靈活、測量更高、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)過實(shí)踐檢查，載波頻率測量達(dá)到1Hz，調(diào)幅度測量達(dá)到3%，測量效果滿足實(shí)際需要。