利用高速DSP实现信号自主识别及数字解调

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）04-0067-05

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ADC[7]。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極好的条件。

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：

（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。

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）=cosφ      Q（t）=sinφ                       （4）

其中，I（t）、Q（t）正交。则瞬时相位及瞬时频率：

（5）

从而计算得最大频偏Δω，再根据调制频率Ω即可计算调频度：

（6）

对其进行MATLAB仿真验证，仿真波形结果如图5所示。

3.3  基于DSP的系统算法实现

自主识别调制方式流程图如图6所示。通过希尔伯特包络提取获得调幅度，用以判断是否为AM信号。当判断结果为AM信号时直接显示测量结果并输出解调信号。当判断结果为FM或CW信号时，通过正交解调进一步测量最大频偏，用以判断FM信号或CW信号，判断后显示测量结果并输出解调信号。

DDS本振频率跟踪流程图如图7所示。当放大调理后的信号通过比较器转化为类方波信号后。通过测量比较器所得的方波频率，可以进一步计算获得载波频率，从而更新DDS本振频率，重新进行混频。通过C2000进行FFT运算可以估计混频后的中频信号中心频率，从而实现本振频率迭代更新，最后得到载波频率。

AM解调、调幅度测量算法如图8所示。对于判断所得的AM信号，先使用有限长单位冲激响应滤波器（Finite Impulse Response， FIR）实现希尔伯特变换进行包络提取[9]，并用IIR峰值滤波器去噪，这样就可以得到AM解调信号，而其交流分量振幅与直流分量之比，就是调幅度ma。

FM解调、调频度测量算法如图9所示。对于FM信号，本系统用正交解调的方法，将信号分别与同相和正交的中频相乘，并经IIR低通滤波，即可得到IQ基带信号。接下来通过反正切运算、FIR微分器、IIR峰值滤波器实现FM信号解调和去噪。而FM解调输出信号的幅值与频偏成正比，只要测出其幅值和频率，即可算得调频度mf。

4  系统性能测试

4.1  系统测试方案

采用泰克生产的AFG3101型任意波信号发生器作为信号源产生已调波形。其中载波和原始信号频率、幅度、调制度和调制方式任意可调。测试仪器列表如表1所示。

4.2  测试结果与分析

测试结果分析如下：

（1）等载频下不同调幅度信号测试，输入电压峰峰值为100 mV的普通单音调幅（AM）信号，其载频为10 MHz，最大测量误差绝对值 =0.004，结果如表2所示。

（2）等载频下不同调频度信号测试，输入电压峰峰值为100 mV的普通单音调频（FM）信号，其载频为10 MHz，最大测量误差绝对值 =0.001，结果如表3所示。

（3）等载频下不同调频度信号最大频偏（Hz）测试，输入电压峰峰值为100 mV的普通单音调频（FM）信号，其载频为10 MHz，最大测量误差绝对值 =0.01 kHz，結果如表4所示。

5  结  论

本文完成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，输出解调信号的信号调制度测量装置。作品使用TI公司C2000 F28379跟踪已调信号频率，通过DDS本振和混频器组成超外差式接收系统获得中频信号，使其满足C2000内置的16 bit 1.1 Msps SAR ADC在差分模式下采样需求，避免了FPGA加高速ADC低通采样的方案，极大地节省了硬件资源。解调方案上汲取软件无线电的核心思想，并综合使用希尔伯特变换、正交解调等方法，在有限的算力开支下能准确快速地判断信号调制方式、还原调制信号并完成参数测量。实测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‰。最后，受限于DSP和片内ADC采样速率，本系统无法对高带宽的调制信号进行解调，可以优化算法和提升ADC采样速率进一步提升。

参考文献：

[1] 孙志勇.软件无线电技术解调方法研究 [J].微型电脑应用，2020，36（8）：59-61+75.

[2] 许丹.软件无线电的研究与应用 [J].信息记录材料，2021，22（8）：44-46.

[3] 张绪省，朱贻盛，成晓雄，等.信号包络提取方法——从希尔伯特变换到小波变换[J].电子科学学刊，1997，19（1）：120-123.

[4] 高美蓉.二极管峰值包络检波器特性研究 [J].国外电子测量技术，2018，37（11）：37-41.

[5] 祝林啸，吴嗣亮.一种调频信号数字正交解调方法 [J].电讯技术，2005，45（4）：120-123.

[6] 刘吉超，杜力坤·苏来曼，闫相东.锁相环集成电路NE564原理及应用 [J].新疆师范大学学报：自然科学版，2009，28（4）：64-68.

[7] 李春燕.差分放大器驱动ADC的应用 [J].电子科技，2010，23（2）：56-58.

[8] 徐佩，刘俊，张文栋.模拟乘法器AD834在差分频率电路中的应用 [J].测试技术学报，2004，18：58-60.

[9] 颜彪，杨娟.关于希尔伯特变换的分析和研究 [J].电气电子教学学报，2004，6（5）：27-29+48.

作者简介：葛辛亮（2001.09—），男，汉族，浙江慈溪人，本科在读，研究方向：电子科学与技术。

收稿日期：2022-10-19