（信号与信息处理专业论文）通信信号的频谱分析及显示系统设计.pdf

电子科技大学学位论文 摘要 雷达中频数字接收机采用数字信号处理算法，使用易于实现算法的 c p l d 、d s p 芯片或高性能的单片机微控制器，体积小，重量轻，造价低， 结构简单，易模块化，系统配置更新快，维护升级方便，具有数字化的优点。 数字化是当前国内外通信、雷达发展总的趋势，传统的模拟接收机已经逐渐 被数字接收机代替，中频数字接收机的应用前景非常广阔。 本文论述了一项中频数字接收机的关键模块的设计及实现，对其软件及 硬件的实现均进行了详细讨论。 本文先从总体上介绍了此中频数字接收机的硬件组成及软件实现。包括 数据处理核心芯片t m $ 3 2 0 c 6 2 0 1d s p 模块、c 8 0 5 1 f 0 2 0 高性能s o c 单片机 芯片和外围电路组成的l c d 显示控制模块、图形型高性能的l c d 显示屏、 各自的集成软件开发环境、底层驱动程序等。并且依次对高速a d 转换、 核心部分数据处理算法所依据的原理、对f f t 算法在定点d s p 中的实现方 法、液晶显示格式和用户交互式界面的实现进行了详细介绍和分析。提出了 定点f f t 算法用于频谱分析、l c d 上的显示输出所涉及到的问题以及解决方 案，实现了频谱的f f t 计算及结果图形输出显示、相关参数的计算与显示、 汉字与字符的输出和中文菜单的显示。为数字接收机的产品化提供了一种新 的设计思路。 关键词：中频数字接收机、数字信号处理、d s p 、单片机、l c d 电子科技大学学位论文 a b s t r a c t t h er a d a rm e d i u m f r e q u e n c y r e c e i v e r e m p l o yd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s a l g o r i t h m ，m a k e su s eo ff l e x i b l ed i g i t a lc h i p s ，s u c ha sc p l d ，s p e c i a ld s p m c u i tt a k eo nt h ea d v a n t a g eo fs m a l lc u b a g e ，l o w w e i g h t ，c h e a p n e s s ，s i m p l e c o n f i g u r a t i o n m o d u l a r i z a t i o n a n di tt a k e s0 1 1t h ea 玎a d v a n t a g eo fd i g i t a l i z a t i o n d i g i t a l i z a t i o ni s c u r r e n tt r e n do fc o m m u n i c a t i o na n dr a d a rd e v e l o p m e n t t h e t r a d i t i o n a l a n a l o gr e c e i v e ri sn o wb e i n gr e p l a c e db yd i g i t a lr e c e i v e rg r a d u a l l y s oi th a st a k eo naw i d ef o r e g r o u n d t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h e p r i n c i p a l c o n s t r u c t i o nm o d u l e so ft h er a d a r m e d i u m f r e q u e n c yr e c e i v e r , i n c l u d i n gs o f e w a r em o d u l e sa n dh a r d w a r e m l d u l e s t os t a r t ，a no v e r a l ld i s c u s s i o na b o u tt h er a d a rm e d i u m f r e q u e n c yr e c e i v e r i s p r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h ec o r em o d u l eo fd a t ap r o c e s s i n gc h i pt m s 3 2 0 c 6 2 0 1 d s p c 8 0 5 1 f 0 2 0m c uw i t hs u b s i d i a r yc h i p s a ss h o wc o n t r o l l e r ，m a pt y p e y d 一511a l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ，e v e r y s o f t w a r e d e v e l o p i n g e n v i r o n m e n ta n dd r i v e r so ft h eb o t t o me t c i nt h i sa r t i c l e ，1w i l ld i c u s sm a n y q u e s t i o n s ，s u c ha ss u p e r - s p e e da d ( a n a l o gs i g n a l d i g i t a ls i g n a l ) c o n v e r s i o n 、 p r i n c i p a l d s pa l g o r i t h m 、f f t a l g o r i t h m r e a l i z a t i o ni n f i x e d p o i n t d s p 、 c a l c u l a t i o na n dr e a l i z a t i o no f t h ew a v e p a r a m e t e r 、l c dd i s p l a y f o r m a ta n dc h i n e s ec h a r a c t e r sm e n u a 1 lp r o b l e m sa r ed e t a i l e d l yr e s e a r c h e d a n dt h es o l u t i o ni ss h o w n t h ed e s i g nm a k e ss o m ea c h i e v e m e n tf o rf u r t h e r r e s e a r c h k e y w o r d s ：r a d a rm e d i u m f r e q u e n c yr e c e i v e r ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ； d s p ；m c u ；l c d 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：f 宴! 盘璺垫日期：z 。s 年f 月) x 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：臣1 之基圜! ! 导师签名： 日期：。 电子科技大学学位论文 第一章引言 1 1 中频数字接收机简介 雷达接收机的任务是通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号 从伴随的噪声和干扰中选择出来，并经过放大和检波后送至信号处理器、显 示器或由计算机控制的终端设备。而雷达中频数字接收机，是将从天线接收 到的高频信号再经混频到中频后进行处理。雷达信号从天线到接收机内部部 分，称为射频接收模块，由模拟电路来实现，这里不对模拟的射频接收模块 进行讨论，而主要对由各种方式接收且被变到中频以后的信号处理进行讨论。 由于高速高比特位的a d c 实现以及实时处理a d c 以后高速数据的困 难，信号都不是直接在射频r f 级就进行数字化。现在主流的实现雷达数字 接收机的方式是在射频接收级进行多级混频，将信号变换到中频频段，在中 频进行数字化即a d 变换，这就可以比较容易地实现随后的数字信号处理。 数字接收机内部的前端为模数变换器( a d c 、，a d c 输出的是数字化后的 数据。一旦信号被数字化后，随后的处理将是纯数字信号处理。这种处理方 法立足于数字信号处理理论，现在已经相当完备。数字处理技术由于不存在 模拟电路中的温度漂移增益变化或直流电平漂移等现象，所以具有更好的稳 定性。这样就不需要采用过多的校正措旋。 中频数字接收机的研究重点主要集中内部的数字处理部分，数字处理的 算法、数据的精度、结果数据的存储或者显示输出。 1 2 中频数字接收机的实现特点 接收机的数字化，主要是解调器模块的数字化。在全数字解调器中，数 字化的信号不是只靠软件，而是利用目前各种可用的可编程器件( f p g a 或 印l d ) 以及各种通用d s p 芯片进行处理。通常将d s p 和a s i c 结合起来 使用比全部用d s p 实施方案更为有效。对解调器来说，主要倾向于采用的 是独立于载波自由振荡的高稳定本地时钟，它对接收到的中频信号直接进行 中频采样和解调处理。中频采样的好处是由于它本身就是一个下变频过程， 电子科技大学学位论文 可以取消一个或多个下变频级，这样可以设计出更加高效的接收机。这种方 式，是一种开环的方式，不需要将误差信号反馈回混频器进行调整，直接在 数字信号处理器中完成各种误差信号消除和信号的判定，简化了接收机的前 端设计。 借助于数字信号处理器，许多同步算法可以精确地实现。数字接收机的 另一个特点是，支持各种脉冲压缩体制、各种速率的雷达信号接收和解压缩， 如果采用模拟方式，是非常复杂的。因此，采用数字信号处理技术，开发出 较为通用的硬件平台。 随着微处理器、大规模集成电路、高速a d 转换器、l c d 显示等技术 的发展，本数字接收机的实现技术呈现出以下特点： 1 体积小，易于操作 数字接收机由于应用了大规模集成电路和微处理器，再加上采用液晶屏 作为显示输出，大大简化了体积，并且功能强大、性能稳定。对用户来说界 面简洁，易于操作。 2 测量精度高，自动显示测量结果，参数显示数字化 模拟示波器的扫描速度由锯齿波扫描信号决定；而数字按收机的示波模 块的结果图形及参数数据的质量由a d 转换器的取样时钟间隔和取样精度 来决定。由于其采用品振作为时钟，因此具有很高的测试精度。若采用更高 分辨率的a d 转换器则能使测量精度更加提高。并且，由于采用高性能的 d s p 进行数据处理，增强了波形显示模块的实时性和显示参数的精度。 4 显示方式灵活，显示结果稳定，便于各类不同性质和用途信号的观 察。 数字接收机引入了数字处理技术，采用现有的成熟的数字处理算法及丰 富的集成电路芯片进行处理，使其对于接收信号的记录存储及分析研究非常 方便可靠。 5 数据存储功能 其存储功能是它优于模拟器件的一个重要方面。数字接收机将模拟信号 经过a d 转换成数字信号后，存到数字存储器中。然后数字处理模块可随 时计算显示，并对其进行多方面的分析。同时便于观测单次过程和缓慢变化 的信号，方便对问题的分析解决。 6 、先进的f f t 、统计分析等数字信号处理功能 电子科技大学学位论文 甚至无需借助计算机，实时同步计算显示。随着微电子集成技术、微 计算机技术、数字技术的飞速发展，现代数字接收机的研究与开发也有了更 快的发展，是近年发展最快的仪器之一。 1 3 中频数字接收机的硬件平台 目前中频数字接收中全数字解调器的数字平台一般基于以下四类： a s i c 、通用处理器、d s p 芯片和f p g a 。采用a s i c 作为硬件平台，作为 硬件平台具有简单，投产快，见效快，成本低，可批量生产等优点，可是可 编程性差，难以适应变更环境和性能升级的需要。通用处理器可编程性好， 但其结构并不是为数字信号处理而设计的，在处理需要乘加运算的信号算法 时则嫌不足。 d s p 芯片是专门为数字信号处理而设计的，弥补了通用处理器的不足。 而且速度也能满足实现复杂算法的需要。这正是硬件平台发展的趋势。目前 很多公司都在开发专门针对数字信号处理的d s p 芯片，功能越来越集成， 功耗越来越低，速度也愈来愈快。比如t i 公司推出的t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 ，它 的处理速率达到1 2 0 0 m i p s 。还有i m e r s i l 公司的h s p 5 0 2 1 4 b 芯片，专用 于单通道的数字下变频处理，与之同属于一个级别的还有a n a l o g 公司的 a d 6 6 2 0 专用d d c 芯片，它们可以工作在6 5 m s p s 。 但是，d s p 芯片处理的数据速率还是不够的，在一些需要大量并行运算 的场合，比如f i r 滤波，匹配滤波等，由于一般的d s p 芯片只有一个算术 运算单元，所以处理效率并不高。另外通用的d s p 芯片市场上主要是针对 商用和通信领域的窄带运用，并不适用于宽带的雷达信号和中高速以上数据 速率的应用，这时采用f p g a 反而更加灵活和优化。现在的f p g a ，具有 寄存器丰富，适合复杂数字信号处理算法的实现的特点，而且速度越来越快。 比如a l t e r a 公司的a c e x1 k 系列的芯片，最多具有4 9 9 2 个逻辑单元， 可以使用1 0 0 m h z 以上的时钟。其具有灵活的可编程特性，并且可全并行 运算。 1 4 本文主要内容 电子科技太学学位论文 本文目的是设计并实现对通信信号进行频谱分析和结果显示的数字接 收系统。 在课题方案中，我们采用了直接中频采样。接下来即进入数字处理环节， 由高性能d s p 对采样得到的信号进行分析，分析的算法由d s p 内部的软件 决定，可咀方便灵话地进行修改， d s p 分析得到的信号的特征，包括频谱形状、信号参数值等，由单片机 控制液晶屏进行显示输出。由于本系统具有可编程特性，能够实时改变配置 以适应系统要求，相比传统的中频接收机，具有很大的灵活性。 1 5 作者的主要工作 作者参加了本数字中频接收机的研制，作者的主要工作包括： 1 ) 完成了本接收系统的信号处理方案的m a t l a b 仿真； 2 1 完成了对中频采样信号进行数字处理的d s p 软件编写和调试过程； 3 1 完成了以单片机为核心的液晶显示控制模块的硬件、软件设计和调 试过程； 4 ) 完成了终端结果的液晶显示输出； 本文以先总后分的方式对课题工作进行介绍。下一章从总体上对本课题 作了一番介绍：第三章简单介绍了文中涉及到的理论和算法；从第四章开始， 每一章对本课题中的一个子系统进行了详细的论述。 电子科技大学学位论文 第二章总的系统框图及实现方法 2 1 本系统的应用背景及参数要求 本课题研究的为一项宽带侦察接收设备，可广泛用于卫星下变频接收。 适用于电信，电力，水利，金融，地质，军事领域的无线电通信领域。 接收机中频频率为7 0 m h z ，中频带宽暂定为2m h z 。随着研究工作的进 展，希望以后达到中频带宽1 m h z 2 f h z 8 m h z 1 6 m h z 四种可调。 为了对接收到的信号进行频谱分析，将接收到的中频连续信号数字化 后，对其进行定点数字f f t 运算，并将得到的频谱数据绘制成图像显示在液 晶屏上，以供观察。 2 2 总体结构与框图 图2 - 1 a本接收机总体处理流程框图 本数字接设备包括信号输入a j d 采样、数据处理及存储、系统控制、显 示控制等各部分。总体处理流程框图如图2 1 a 。总体硬件实现框图如图 2 1 b ，其中标出了所用芯片名称。 图2 - 1 b本接收机总体硬件实现框图 电子科技大学学位论文 图2 1 b 中，左边虚线框代表a d 采样、数据缓存、c p l d 控制逻辑等单 元；右边的结果显示子系统包括单片机、液晶屏和按键；中间那部分完成主 要的数字信号处理运算； 本接收系统中，测量开始时，操作者可使用键盘，通过中文界面选定接 收信号的中频带宽。单片机自动将测量设置解释为信号数据并传输到d s p ， d s p 通知c p l d ，由c p l d 产生各种控制信号及时序信号，以使a d 转换器、 锁存器和双口r a m l 等能正确高速地工作，并相互正确配合。高速a d 转 换后的数据经锁存器存储在双口r a m l 中。然后由d s p 执行相应的算法处 理软件，得到需要的结果数据。结果被送入显示模块控制l c d 显示。 2 3 本文作者的工作涉及的系统模块 作者的工作，开始时是负责显示控制部分，即图2 - 1 b 中的右边虚线框中 的部分。包括单片机对液晶屏的显示控制、单片机对按键输入的辨识和处理、 液晶屏的显示格式的设计等。调通了这一部分后，又进行了d s p 内部软件的 编写。 2 4 系统总体硬件实现介绍 通常作为一个系统的中央处理器( c p u ) 可必采用单片机担当，由单片 机来完成显示控制、采集控制和数据处理功能。但是单片机存在一些缺点， 比如工作频率低、指令执行速度慢、数字信号处理功能差等a 相比之下，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 即数字信号微处理器，具有数据总线和程序总线 分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，并采用多重流水线结构。流水线结构的 层次深度可以从3 级到6 级。并且针对数字信号处理中需要大量乘法累加 运算的特点，d s p 大多配有独立的乘法器和加法器，大大加快了f f t 的蝶 形运算速度。d s p 芯片专门用于完成各种实时数字信息处理，它是在数字信 号处理的各种理论和算法基础上发展起来的。综上所述，采用d s p 来担当 设计的中央数据处理模块便是理所当然了。 t i 的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 具有很强的微控制功靛，据有丰富的片 内资源、输入输出端口，并有很强的数字信号处理能力，最多时可以同时进 电子科技大学学位论文 行8 路数据的并行高速处理。利用它作为中央处理单元，完成a d 转换后数 据处理的功能，同时控制整个系统的运作。 c y g n a l8 0 c 5 1 f 0 2 0 单片机是高度集成的片上系统。集成了丰富的片 上硬件资源。例如8 个8 位通用数字i o 端口、4 3 5 2 b 内部数据r a m ( 4 k b + 2 5 6 b ) 和6 4 k sf l a s h 程序存储器以及与8 0 5 t 兼容的高速微控制器 内核。本系统中利用此单片机上丰富的片上硬件资源，使其与d s p 、l c d 、 双口r a m 和键盘等多个外设相连，相互交换数据，从键盘按受操作者的输入， 对系统的运行进行调控，并且实现对l c d 的显示控制。 友利华公司的y d 5 1 1 al c d 是款国产的图形型彩色液晶显示屏， 具有优秀的性能参数。例如有3 2 0 x r g b 2 3 4 点的图形显示界面、可以实现 1 4 行x 2 0 列中文显示、显示颜色可达到1 6 色、可选择采用串口或并口接收 数据，并且可以实现自由曲线酌显示。本课题中选择了它来执行终端显示。 2 5 系统总体软件处理流程 本数字接收机的软件处理流程如图2 2 所示。 图2 2 本接收机的软件处理流程 系统启动后，先经过初始化过程。初始化模块包括单片机及d s p 片内 状态参数初始化、单片机及d s p 程序中全局消息变量初始化、液晶显示屏初 始界面的显示等。操作者可通过键盘指导启动下一组数据的显示。当键盘扫 描到无键按下时程序等待，并保持液晶屏上的显示。过程如图2 2 所示。 系统中，数据采集的任务主要由a d 9 4 3 2a d 转换芯片来完成；数据处 电子科技大学学位论文 理部分( 主要是对采样得到的数据进行定点f f t 运算) 主要由t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 d s p 来完成；采样数据经过锁存器及双口r a m 的缓冲后传给d s p ；这期间 的时序主要由一片c p l d 进行控制；d s p 处理得到的结果数据经过双口r a m 传送给单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，由单片机控制液晶屏进行结果显示。 系统软件运行的主体部分是循环检测按键，单片机根据按键信息控制其 它模块程序的执行方向以及最终液晶屏的显示。本数字接收机开机后，经过 初始化模块阶段，即进入图2 3 的循环阶段。 操作者可根据观察，通过键盘改变图形显示的参数要求并指导启动某一组数据的显示 d s p 接到单片机的控制信号后，向c p l d 发出指令 c p l d 产生各种数字控制信号，控制舳转换嚣、锁存器和双口r a m a d 转换芯片启动某次转换 数据经锁存器锁存，荐存八双口r a m l 取口r _ a , v l 向d s l 发出请求，然后d s p 从双 口r a m 读入数据，存入s d r a t v i 中 d s p 对存入双d r a r 4 的数据进行处理。结 果存入双口r 似他存储区 d s p 将结果数据写入双口r a m 2 单片机读取数据后，控制l c d 进行圈形及参数值的显示。完成后进入下一个循环 图2 - 3 系统运行中的上层软件循环 电子科技大学学位论文 2 6 本课题中各步处理在频域上的分析 本课题中，根据系统参数，输入模拟信号为2 m h z 带宽中频频率为 7 0 m h z 的中频信号，可设频谱如图2 - 4 ： 图2 - 4 输入信号的频谱 则采用欠采样方式，以3 0 m h z 采样后得到的信号的频谱如图2 5 ，将 图2 - 5 欠采样方式得到的信号频谱 变得相互交叉。但是，由于原信号是窄带的，有信号的频率部分并没有出现 相互重叠。这样的情况下，通过一定的步骤，原信号是可以完全恢复出来的。 对这样的欠采样信号作f f t 后，经过适当的处理，可以得到采样前信号的正 确的幅频特性。 ， 、隅厦 - 一 采样数据作f f t ，结果 数据求模后得到的幅频 特性图象为这样一段 图2 - 6 对采样得到的一段数据作f f t 后得到一段幅频特性图像 对原信号欠采样得到的一段数据( 本课题中取此段长度为n = 3 2 k ) 进行 9 电子科技大学学位论文 f f t 变换，得到的数据将是幅频特性图像的一段，如图2 - 6 所示。 作为仿真验证，写了如下m a t l a b 程序。现做一个简单介绍： 设有两个输入连续信号，分别为频率为6 9 5 m h z 和7 0 5 m h z 的余弦信 号。这满足本系统以7 0 m h z 为中。t l , 频率，以2 m h z 为中频带宽的要求。对 此输入信号按3 0 m h z 进行采样，得到的采样数据的序列长度为 n = 3 2 k = 3 2x1 0 2 4 = 3 2 7 6 8 。对采样数据作f f t 变换，得到的结果图像如图2 7 。 图2 - 7 m a t l a b 仿真采样数据f f t 处理结果 对采样数据作f f t 交换后，得到的结果数据中取出其中一部分，就可以 表示出7 0 m h z 为中心频率、以2 m h z 为中频带宽的输入信号的所有频率信 息。如下图。 图2 - 8 观察以7 0 m h z 为中心频率，带宽为2 m h z 的频带 可见在观察的频带 6 9 m h z ，7 1 m h z 内频谱若没有失真。 1 0 电子科技大学学位论文 第三章中频数字接收机的理论基础 3 1 信号采样理论 当信号进入数字接收机以后，在信号送去显示之前，接收机将按一定的 时间间隔对信号电压进行采样。然后用一个模数变换器( a d c ) 对这些瞬 时值或采样值进行变换从而生成代表每个采样电压的二进制字。这个过程 称为数字化。 获得的二进制数值贮存在存储器中。我们在结果显示模块l c d 屏幕上看 到的波形总是由所采集到的数据处理后得到的波形。 数字接收机的基本工作原理是首先通过a d 转换器将输入的模拟信号 数字化，然后利用各种算法从取样数据中提取我们所需要的各种信息及图形。 3 1 1 奈奎斯特采样定理 对输入信号进行采样的速度称为采样速率。采样速率由采样时钟控制。 根据奈奎斯特采样定理，为了恢复原来的信号，在进行信号数字化的时候要 求采样时钟的频率至少应为信号本身所包含的最高频率的两倍。 采样定理：一个在频率如以上部分无频率分量存在的有限带宽信号信 号，可以由小于或等于1 1 2 一的均匀时间间隔上的取值唯一地确定。写成数 学表达式即为： 艇士( 3 - 1 ) 2 厶 这个定理说明，如果在某一频率厶以上x ( t ) 的傅立叶变换结果等于零， 则关于x ( t ) 的全部信息均包含在它的采样间隔小于或等于1 2 ：厶的均匀采样 信号里。或者说当以大于或等于2 厶的频率z 对x ( t ) 进行采样时，采样值x ( n ) 中包含了x ( t ) 在每一时刻的信息。 其频谱示意图如图3 1 ，图3 - 1 ( a ) 表示原信号的频谱，图3 1 ( b ) 表 示采样后得到的信号的频谱。 电子科技大学学位论文 丘0 矗 ( a )( b ) 图3 - 1 ( a ) 原信号的频谱( b ) 采样后得到信号的频谱 3 1 2 采样方式 有两种基本的数字化采样方式：实时采样( r e a l t i m es a m p l i n g ) 和 等效时间采样( e q u i v a l e n t t i m es a m p l i n 曲。 实时采样就是当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采入并且 数字化，然后经过个采样周期，再采入下一个样本，直到整个波形数字化 后存入存储器。它的优点是信号波形一到就采入，因此适合于任何形式的信 号波形，并容易实现波形显示功能；缺点是时间分辨率差，每个采样点的采 入、量化、存储，必须在小于采样间隔的时间内全部完成。实时采样一般又 分为定时采样和等点采样，定时采样就是一般常规采样，也叫做等间隔采样， 其采样数据的容量与模拟信号的最高频率以及采样时间成正比，所以模拟信 号的频率越高，测量时间越长，所需要的数据存储空间就越大，这就影响了 数据采集系统的采集范围：等点采样是指不论被测信号频率为多少，一个信 号周期内均匀采样点数总共为n 个，这样采样信号周期随被测信号周期变 化，故叉叫做变步长采样，它能满足系统精度的要求，较之等间隔采样更能 合理使用系统内存单元。 等效时间采样技术可以实现很高的数字化转换速率。但是，这种技术 要求信号波形是可以重复发生的。由于波形可以重复取得，故采样可以用较 慢速度进行。采样频率小于2 倍的模拟输入信号带宽的欠采样就属于等效时 间采样，又称为下采样。等效时间采样可以是时序变换的，包括步进、步退、 差频等：也可以是随机变换的。这样就可以把许多采集的样本合成一个采样 密度较高的波形。一般也称等效时间采样为变换采样。 电子科技大学学位论文 3 1 3 数据采集子系统中的信息传输控制方式 采集子系统中，d s p 与外部硬件之间的控制信息的传送可以分为三种方 式：查询方式、中断方式和d m a ( 存储器直接存取) 方式。各个方式的不 同，导致硬件设计的不同和传输效率的不同。 1 查询方式 查询方式是指：主机通过不停的检测来自外部的查询信号，决定是否开 始数据的传送。在采集系统中，主要是检测a d 转换的状态，确定采样、 量化、编码过程是否结束。这种方式主要优点就是硬件设计简单、软俘程序 设计容易。但是工作效率较低，因为查询方式要占用d s p 运行时间。 2 中断方式 这往往是由外设通过接口向d s p 发起中断请求，d s p 响应后，就暂停 正在运行的程序，然后调用中断程序。在采集系统中，主要是在a d 转换 结束后，自动由外设向d s p 请求中断，利用中断程序传输数据。这种方式 效率较高，但硬件设计和编程较查询方式要复杂一些。 3 存储器直接存取方式 d m a 方式是在硬件控制下传输数据的，即在d m a 控制器下进行的。 在数据采集中，数据的传送直接在外设和存储器之间进行，更进一步提高了 效率，同时很适合大数据量的采集系统应用。但是硬件设计复杂度比上面两 种方式大。 3 1 4 带通信号采样定理 在软件化解调时，希望进入d s p 的采样率尽可能的低，而本课题选用 的中频频率又相对比较高，如果用普通的采样方式对2 m h z 带宽中频频率 为7 0 m h z 的中频信号进行采样的话，采样率至少要7 1m h z x 2 = 1 4 2 m h z ， 相对于2m h z 的信号带宽这个采样率不免有点高，对a d 采样器件要求太 高。而且这样的话，将有一大段频谱空隙得不到有效利用。解决这个问题， 就要使用“欠采样技术”。其理论基础是带通信号采样定理，结论为： 个带通信号r e ( t ) ，其频谱限制在 与厶之间，带宽为b = 厶一无，如 果最小抽样速率，2 q 一i v ，n 为小于厶口的最大正整数，那么r e ( t ) 完全 可以由抽样值确定。 电子科技大学学位论文 若进一步仔细分析，先设k 为0 到1 之间的小数，欲保证采样后无混 叠，则可以得出下面结论： 1 当厶= n b 时，采样率为最小取z = 2 b ； 2 当厶= n b + k b ( o 接收单片机的启动命令，启动一次a d 采样至最终结果数据在液 晶屏上显示的循环的开始； 向c p l d 发送命令，使其在系统运行时产生系统中众多子模块运 行所需要的时序信号； 第一项功能将在本章作为重点做以讨论。 后两项功能的由d s p 中多通道缓存串口( m c b s p ) 的0 口和1 口的各 自一组信号接口配制成通用的数据i o 口，与单片机和c p l d 交换状态数据 而实现。也在本章4 。2 节作了讨论。 4 2 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 数字信号处理器介绍 随着信息技术革命的不断深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理 技术逐渐发展成为一门十分重要的技术学科。集成化的数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的出现，为各种数字信号处理算法的实现提供了 可能。这一方面极大地促进了数字信号处理技术的进一步发展；另一方面也 使数字信号处理的应用领域不断地拓展。如今，d s p 已经广泛地应用于通用 数字信号处理、通信、控制、仪器、医学电子、消费电子、计算机、军事等 各个领域。随着d s p 器件性能的不断改善，用d s p 来作信号处理特别是 实时信号处理已成为当今和未来技术发展的一个新热点。 t m s 3 2 0 c 6 2 x 是t i 公司于1 9 9 7 年开发的一种新型定点d s p 芯片。该芯 片的内部结构与以前的d s p 不同，内部集成了多个功能单元，可同时执行8 条指令。其主要特点有： a ) 运行速度快。指令周期最小为5 n s ，时钟为2 0 0 m h z 。理想情况下， 每次执行8 条指令，故可以达到1 6 0 0m i p s 。 电子科技大学学位论文 b ) 内部结构不同于一般的d s p ，芯片内部同时集成了2 个乘法器和6 个算术运算单元，分为两组各四个运算单元( a 组和b 组) ，两组 各1 6 个3 2 位寄存器( a 组和b 组) 。运算单元是指令的执行者， 它们之间是高度正交的，四个运算单元各有分工。运算单元从其对 应的寄存器中读取数据进行运算，并且将结果送回本组寄存器。运 算单元亦可以对另一组寄存器进行操作。在理想情况下，两组共8 个运算单元可以并行在一个时钟周期内执行8 条指令，故此大大提 高了c 6 2 0 l 的运算速度。在实际工作中，通常无法达到8 条指令 并行的理想情况，根据t i 公司提供的经验，一般只能达到5 0 的 并行程度。 c ) 指令集不同。为充分发挥其内部集成的各执行单元的独立运算能力， t 1 公司使用了v e l o c i t i 超长指令字( v l l w ) 结构。它在一条指令中 组合了几个执行单元，结合其独特的内部结构，可在一个时钟周期 内并行执行多条指令。 d ) 大容量的片内存储器和大范围的寻址能力。片内最多集成了5 1 2 k b 程序存储器和5 1 2 k b 数据存储器，并拥有3 2 位的外部存储器界面。 e ) 智能外设。内部集成了4 至1 6 个d m a 接口，两三个多通道缓存串 口( m c b s p ) ，两个3 2 位计时器。 f ) 低廉的使用成本。 由于t m s 3 2 0 c 6 2 x 系列具有极高的性能，因此在信号与信息处理、通信 等领域有着广泛的应用。 t m $ 3 2 0 c 6 2 0 1d s p 内核的功能方框图如下： c 6 2 0 jc p uc r c 程膨获取控制寄存赫 指令溯度控制进辑 指令i 萋f 坶铷4 试 数据i i 隹邀】数措j j 盎进2帏| u 擗 i 臀存精文什 i1 岢存精文件 i 巾断 i j 5 一 oi ib 1 5 - r ol i 1工 。tttt 1l 上上 l jd l 圈4 - 1t m s 3 2 0 c 6 2 0 1d s p 内核的功能方框图 除了c p u 和内部程序，数据存储器之外，c 6 2 0 1 还有如下部分。设置 每个部分的寄存器是我们较为关心的内容，因为对c 6 2 0 1 的设置和控制都 是通过向这些寄存器写入数据来完成的。如图4 2 。 电子科技大学学位论文 图4 2c 6 2 0 1 的外围资源 ( 1 ) e m i f 即e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e 提供了c 6 2 0 1 与外部各种存储器连接的接口。c 6 2 0 1 通过e m i f 对外 部存储器进行访问，它是c 6 2 0 1 中极为重要的一个部分。e m i f 映射为地 址空间的四个部分c e 0 ，c e l ，c e 2 ，c e 3 。e m i f 支持的存储器种类有：同 步突发静态存储器s b s r a m ，同步突发动态存储器s d r a m ，非同步r a m ， r o m ，f i f o 。e m i f 的寄存器有：e m i fg l o b a lc o n t r o lr e g i s t e r 对e m i f 进 行基本的设置e m i fc e ns p a c ec o n t r o lr e g i s t e r 在这里可以定义该c e n 空 间所按入的存储器类型并定义对该存储器的读写时序有关参数。e m i f s d r a mc o n t r o lr e g i s t e r 设置e m i f 与所有与它相接的s d r a m 的时序。 所有连于e m i f 上的s d r a m 必须是同一个型号。e m i ft i m i n gr e g i s t e r 控制s d r a m 刷新操作。e m i f 的数据线宽度为3 2 位，但是对于8 ，1 6 位 的r o m ，e m i f 可以将4 次读取8 位r o m 或2 次读取1 6 位r o m 的数据拼为一个3 2 位的数据。这个功能只有c e i 空间具有。 ( 2 ) 启动配置逻辑 c 6 2 0 1 可以有几种不同的启动方式，通过该模块的引脚来选择。地址映 射方式m a p 0 ，m a p l 也通过该模块来选择。 ( 3 ) 多通道缓冲串行口提供了c 6 2 0 1 与外接串行设备的接口。串行 口的引脚也可以配置为一般意义的i o 引脚。寄存器有：s e r i a lp o r t c o n l r o l r e g i s t e r 串口控制寄存器p i nc o n t r o lr e g i s t e r 串口管脚控制寄存器这两个寄 电子科技大学学位论文 存器完成对m c b s p 的基本设置。在p c r 中可以把m c b s p 的引脚设置为 一般意义的i o 脚并把这些脚的状态反映在p c r 的位中。其他还有些寄存 器控制接收发送或缓冲接收发送的信息起到串并转换的作用。 ( 4 ) 定时器c 6 2 0 1 有两个定时器。它可以以c 6 2 0 l 的时钟计数，也 可以以外部时钟计数，用于在特定的时刻触发某个事件。每个定时器只有一 根输出线及一根输入线，它们可以配置为一般的i o 脚。寄存器有：t i m e r c o n t r o lr e g i s t e r 计时器控制寄存器t i m ep e r i o d 设置计时上限t i m e rc o u n t e r 计数器。当等于t i m ep e r i o d 的值时就触发一个事件。 ( 5 ) 中断选择器c 6 2 0 1 的外设可以产生3 2 个中断源。但是c p u 只 能处理1 2 个中断源。中断选择器的功能就是在3 2 个中断源中挑选出1 2 个。也可以改变外部中断的极性。寄存器有：i n t e r n a lm u l t i p l e x e r h i g h r e g i s t e r i n t e r n a lm u l t i p l e x e rl o wr e g i s t e r 用以选择c p u 中断4 1 5 号对应于 3 2 个中断源的哪一个。e x t e r n a li n t e r r u p tp o l a r i t y 选择四个外部中断 e x ti n t 4r e x ti n t 7 在从0 跳变到l 时发生中断还是从l 跳变到o 时发生中断。 ( 6 ) c 6 2 0 l 中断机制c 6 2 0 1 共有三种类型的中断：r e s e t ，非屏蔽中 断n m i ( n o n em a s k a b l ei n t e r r u p t ) ，可屏蔽的外部中断i n t 4 至i n t l 5 。外 部中断的一部分i n t 4 至i n t 7 直接与c 6 2 0 1 外部引脚相连。r e s e t 拥有 最优先权限，由r e s e t 引脚为低并持续l o 个时钟周期来引起。r e s e t 后 系统重置，并固定从0 地址开始执行程序。n m i 拥有次优先权。通常用于 警告c p u 硬件发生紧急错误，如电源电压较低，n m i 可以及时通知c p u 采取措施保留未完成的工作，以避免电源电压低于9 0 时触发r e s e t 从而 使全部工作无法恢复。当系统重置时，n m i 被屏蔽，以避免非r e s e t 的中 断对r e s e t 服务程序的打扰。当执行n m i 中断程序时，n m l 也被屏蔽以 避免中断程序被打扰。除此，不能人为地屏蔽n m i 。当n m i 被屏蔽时，比 其优先权低的i n t 4 i n t l 5 亦被屏蔽。f n t 4 至i n t l 5 可以由i n t e r n a l m u l t i p l e x e r r e g i s t e r 来选择c 6 2 0 1 的3 2 个中断源中的1 2 个。当c p u 开 始处理中断时，i a c k 引脚有效表示中断正被处理。同时1 n u m 3 ：0 】以编 码的方式表示中断向量表中第几个中断正被处理。c 6 2 0 1 的中断向量表默认 的位置在0 开始的地址。共有1 4 个向量，每个向量占用8 字节，刚好可 以c p u 一次并行执行。8 字节内可以放置中断处理程序，或跳转指令以转 电子科技大学学位论文 到中断处理程序所在的起始地址。中断向量表亦可以不在0 开始的地址，这 可以在启动以后设置i s t p 寄存器来指出新的中断向量表所在的地址。与中 断有关的寄存器较多，这给我们带来方便。可以设置新的中断向量表所在的 地址，监视中断发生的情况，屏蔽某些中断，或程序触发清除中断。c s r ( c o n t r o ls t a t u sr e g i s t e r ) 总体允许屏蔽可屏蔽中断。i e r ( i n t e r r u p te n a b l e r e g i s t e r ) 设置n m i 的使能和单个可屏蔽中断的使能。n m i 可以被用户程序 设置为使能，但不能被用户程序清除。i f r ( i n t e r r u p tf l a gr e g i s t e r ) 当某个 中断发生时，i f r 对应的位被c 6 2 0 1 设置为“1 ”否则为“0 ”。i s r ( i n t e r r u p t s e tr e g i s t e r ) 向i s r 的某一位写“1 ”可以软件引发该中断。i c r ( i n t e r r u p t c l e a rr e g i s t e r ) 向i c r 的某一位写“1 ”可以软件清除中断标志。 此d s p 中还有电源管理逻辑等模块，在本课题中暂未涉及，故此省去。 4 3d s p 在整个系统中功能的硬件实现 a e m i f 接口存储器扩展 系统中d s p 由于要进行大量的运算，同时d s p 的程序也需要非易失存 储器来保存，但t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 在片内总共只有1 2 8 kx8b i t 的片内存储 器，所以在信号处理板上扩展存储器是必要的。信号处理扳上的数据存储器 的功能有如下几点： 存储程序： 存储大量的输入输出数据和中间数据； 与前端和后