MDS數(shù)傳電臺(tái)之DSP技術(shù)介紹及與模擬電臺(tái)指標(biāo)比較

［摘要］：［關(guān)鍵詞］： 編碼器 電機(jī) 流量計(jì) 直流調(diào)速1．?dāng)?shù)字電臺(tái)與模擬電臺(tái)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比一覽表：

2．?dāng)?shù)字電臺(tái)的采用的DSP技術(shù)簡(jiǎn)介：
2.1什么是DSP?
術(shù)語(yǔ)“DSP”是數(shù)字信號(hào)處理的英文縮寫。數(shù)字信號(hào)處理是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)，在這樣的領(lǐng)域中，用離散（在時(shí)間和幅值兩個(gè)方面）的采樣數(shù)據(jù)集來表示和處理信號(hào)和系統(tǒng)，在出版的書和雜志中有大量的這方面的研究和數(shù)學(xué)算法。最初，大多數(shù)數(shù)字信號(hào)處理是在主機(jī)和其它通用數(shù)字計(jì)算機(jī)上離線完成的。這就是所謂的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的“后處理”。隨著在最近的二十多來年集成電路的復(fù)雜性和集成度的飛速增加，開發(fā)出專用處理芯片器，它能實(shí)時(shí)或“在線”進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。這些芯片被稱為數(shù)字信號(hào)處理器(DSPs)，并在半導(dǎo)體工業(yè)中成為最大的增長(zhǎng)市場(chǎng)。從1988年至今，DSP的市場(chǎng)每年增長(zhǎng)40%。這就意味著將引入更高性能的DSPs(及與DSP有關(guān)的產(chǎn)品)，并以較低的價(jià)格銷售。結(jié)果有雙重意義：第1，隨著時(shí)間的推移，更多的信號(hào)處理可在更快和更復(fù)雜的處理器內(nèi)完成。第2，便宜的DSPs進(jìn)入更多產(chǎn)品，這些產(chǎn)品如，手持電話、無磁帶電話錄答機(jī)、尋呼機(jī)(pager)、高保真度立體聲設(shè)備和汽車中的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)(active suspension systems in cars)。

2.2 DSP的優(yōu)點(diǎn)
如上所述，在大量的新產(chǎn)品中使用DSP技術(shù)，它的好處是為什么？
1)數(shù)據(jù)信號(hào)處理允許很復(fù)雜的算法在實(shí)時(shí)中使用并可被嵌入產(chǎn)品內(nèi)。DSP能夠從一個(gè)信號(hào)、加密信號(hào)信息中濾掉噪音，把波形變換為數(shù)字域進(jìn)行分析，壓縮數(shù)據(jù)，或甚至自動(dòng)地，根據(jù)情況改變系統(tǒng)的處理過程；
2)因?yàn)镈SP和DSP相關(guān)的芯片是軟件控制的，在不改變硬件的情況下，可在系統(tǒng)內(nèi)改變它們的性能和/或任務(wù)。這意味著在產(chǎn)品售出后的升級(jí)或另增加的特性可加到產(chǎn)品上，不必把裝置返回到制造廠；
3)DSP技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的控制。因?yàn)樘幚碓谲浖?nèi)實(shí)現(xiàn)，功能的精度可得到更精密地控制。沒有與模擬量元件有關(guān)的誤差問題；
4)由于軟件控制，因而在制造中能有很高的重復(fù)性?？砂衙總€(gè)裝置調(diào)到或校準(zhǔn)到按最高性能運(yùn)行；
5)由于信號(hào)處理是由數(shù)字處理完成的，因此所使用的算法和方法可在數(shù)字計(jì)算機(jī)上被仿真（模擬）和完善。所做的仿真可精確地與系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行比較。這個(gè)仿真工具極大地降低了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，并向設(shè)計(jì)者提供研究更復(fù)雜算法的方法；
6)DSP技術(shù)的成本在不斷下降，這就允許產(chǎn)品制造廠以低的價(jià)格提供更復(fù)雜的產(chǎn)品。

2.3 DSP電臺(tái)與模擬電臺(tái)的比較
為了討論DSP技術(shù)怎樣用于改進(jìn)無線電收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)，讓我們首先看一看無DSP技術(shù)的無線電收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)。由于無更佳的術(shù)語(yǔ)，我們把它稱為“模擬無線電收發(fā)機(jī)”。這個(gè)術(shù)語(yǔ)有點(diǎn)誤稱，因?yàn)榧词笵SP收發(fā)機(jī)也有重要的“模擬量”部分，但我們將這樣理想化的稱呼它。下面是模擬量收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)。全部調(diào)制、解調(diào)、濾波和糾錯(cuò)由模擬量處理完成（模擬量濾波器，檢測(cè)等等）
如果需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的任何其它處理，那么附加的部件、專用的芯片、或微處理機(jī)必須加到設(shè)計(jì)中。因?yàn)槭瞻l(fā)機(jī)相當(dāng)多的功能是在硬件中完成，任何校準(zhǔn)或無線電的整定必須在硬件級(jí)上進(jìn)行；例如，扭動(dòng)一個(gè)螺絲調(diào)整或更換部件。又因?yàn)樵O(shè)計(jì)是以硬件為基礎(chǔ)的，因而它是一個(gè)固定的設(shè)計(jì)。這就是說，不改變硬件就不能改變功能和性能。


圖15

現(xiàn)在讓我們來看一看以DSP為基礎(chǔ)的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。我們展示出的是有傳統(tǒng)DSP功能和可能的DSP限定任務(wù)的DSP設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在讓我們先討論一個(gè)無線通訊設(shè)備的傳統(tǒng)DSP功能。然后我們將涉及設(shè)計(jì)其它的部分中使用DSP更多新穎的和靈活的方法。

圖16
傳統(tǒng)上，大多數(shù)數(shù)字信號(hào)處理是在載波頻率上的信號(hào)解調(diào)后或調(diào)制前按基頻帶進(jìn)行。為了進(jìn)行數(shù)字處理信號(hào)，必須首先把信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。連續(xù)時(shí)間信號(hào)必須按離散瞬時(shí)時(shí)間和離散幅值級(jí)進(jìn)行“脈沖調(diào)制”。為此原因，經(jīng)常把這些類型的DSP系統(tǒng)稱為“脈沖調(diào)制系統(tǒng)”，因而可把它們與連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)區(qū)分開。

2.4 脈沖調(diào)制的過程
模擬量變換為數(shù)字量的變換器(A/D)取輸入連續(xù)信號(hào)，并把它變換為脈沖調(diào)制信號(hào)，然后饋送給DSP進(jìn)行處理。A/D的工作很象一個(gè)攝影機(jī)，它攝下一系列快照，當(dāng)把它們串聯(lián)起來時(shí)，則近似于一個(gè)實(shí)際事件的連續(xù)流。在這個(gè)變換中涉及的關(guān)鍵概念是速率，即脈沖調(diào)制的速率必須至少是輸入連續(xù)信號(hào)的最高頻率部件的兩倍。這就是Nyquist采樣定理。違反了這個(gè)定理將導(dǎo)致稱為假頻的結(jié)果，在這種情況下，脈沖調(diào)制信號(hào)可能失真和沒有任何復(fù)原希望。
A/D轉(zhuǎn)換器讓我們把連續(xù)信號(hào)變換為脈沖調(diào)制的數(shù)字信號(hào)，因此DSP可在該信號(hào)上運(yùn)行。在另一個(gè)方向上如何？我們?cè)鯓荧@得在DSP內(nèi)的脈沖調(diào)制信號(hào)，并把它變換為可被調(diào)制的或發(fā)送給音頻話筒的現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)？數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換器(D/A，或DAC)完成這個(gè)工作，同時(shí)必須再次確保按“Nyquist速率”將調(diào)制脈沖發(fā)送給它，因此輸出的模擬量被精確的表現(xiàn)出來。
現(xiàn)在在DSP內(nèi)我們已經(jīng)有了脈沖調(diào)制信號(hào)，用它我們能做什么呢？濾波是通訊設(shè)備中的基本操作，以便去掉噪音，或放大或減弱信號(hào)的某些特殊方面（例如，消除反射或高音調(diào)環(huán)流）。有兩個(gè)基本算法用于數(shù)字濾波器信號(hào)。最通用的是限定脈沖響應(yīng)濾波器(FIR)。為完整描述一個(gè)系統(tǒng)或?yàn)V波器的特征，所需要的一切是它的脈沖響應(yīng)，它是濾波器對(duì)脈沖的響應(yīng)（是很短的峰值或聲脈沖）。FIR濾波器用濾波器的脈沖響應(yīng)很簡(jiǎn)單地計(jì)算輸入信號(hào)的卷積(Convolution)。因此，為了改變?yōu)V波器，在軟件中改變脈沖響應(yīng)。事實(shí)上，許多算法可相應(yīng)地改變?yōu)V波器的形狀，以最好地適于期望的結(jié)果。
連續(xù)卷積運(yùn)算涉及兩個(gè)信號(hào)乘積的積分。然而，在數(shù)字學(xué)處理中，積分是簡(jiǎn)單的和，F(xiàn)IR濾波器運(yùn)算涉及兩個(gè)調(diào)制脈沖的相乘，然后加到先前的結(jié)果上。DSP很善于做這個(gè)相乘和累積運(yùn)算(MAC)，并且在一個(gè)指令周期內(nèi)許多都可做到這一點(diǎn)。事實(shí)上，許多人認(rèn)為做快速M(fèi)AC的能力是DSP與通用微控制器的主要區(qū)別。
第二種類型的數(shù)字濾波器是不限定脈沖響應(yīng)濾波器(IIR)。這種濾波器用濾波的調(diào)制脈沖的反饋完成它的濾波任務(wù)。這種類型的結(jié)構(gòu)接近于模擬量濾波器（反饋路徑），所以這些類型的濾波器常常代替存在的模擬量濾波器。用IIR濾波器結(jié)構(gòu)以加在DSP的小量負(fù)荷就只用DSP很小的一點(diǎn)能力就構(gòu)成IIR濾波器的結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單的低階濾波器。
使用DSP為基礎(chǔ)的符號(hào)編碼和檢測(cè)的解決方法在無線收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)中提高了性能和靈活性。因?yàn)镈SP的軟件特性，可利用自適應(yīng)算法跟蹤進(jìn)入信號(hào)的不同測(cè)量值，并提供優(yōu)化檢測(cè)性能。符號(hào)時(shí)間控制的定時(shí)采集和跟蹤將從DSP算法提供的復(fù)雜性獲得益處。自適應(yīng)通道的均衡和估算可減輕由于衰減和改變通道特性帶來的影響。
DSP方法證明是很靈活的方法?？伞霸谶\(yùn)行中”改變調(diào)制形式和速度以抵抗干擾或擴(kuò)展范圍。例如，可把16QAM改變?yōu)镼PSK調(diào)制，以提供更好的靈敏度并犧牲一些速率。在調(diào)制解調(diào)器市場(chǎng)中可證實(shí)設(shè)計(jì)中的這種靈活性。某些制造廠家廣告宣傳這樣的事實(shí)，即他們可在近期向客戶銷售調(diào)制解調(diào)器中的帶有硬件平臺(tái)和將來升級(jí)的軟件，以達(dá)到更高速度。
數(shù)據(jù)傳輸層功能并不專門是DSP任務(wù)，但DSP內(nèi)包括通訊設(shè)備的這個(gè)層往往是有益處的。例如，DSP物理層任務(wù)包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(data framing)和向前錯(cuò)誤校正功能這一點(diǎn)證明比其它的更有效和靈活。兩個(gè)層能更緊密地耦合，同時(shí)來自每個(gè)層的結(jié)果和數(shù)據(jù)為了增加功能而傳遞到另外的層。因?yàn)镈SP善于快速地做復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算，所以超前錯(cuò)誤校正方案(塊代碼，卷積代碼)，以及錯(cuò)誤檢查(CRC)可由DSP有效地執(zhí)行。

2.5 DSP的發(fā)展趨勢(shì)
隨著快速和更精確的A/D轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，更快的數(shù)字信號(hào)處理器，用DSP技術(shù)的固定功能的通訊集成電路(IC)和越來越多的無線收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)可由數(shù)字域完成。數(shù)字中頻(IF)塊變得越來越普遍。這些部分可從載波進(jìn)行數(shù)字下轉(zhuǎn)換(Down-Convert)和解調(diào)數(shù)據(jù)。其益處如上所述，即靈活性、一致性、復(fù)雜性和價(jià)格。一個(gè)有意義的設(shè)計(jì)是寬帶軟件無線電通訊設(shè)備。在這類設(shè)計(jì)中，寬帶前端(front-end)射頻(RF)部分在按MHz范圍下轉(zhuǎn)換為相對(duì)高的中頻(IF)后送入數(shù)字信號(hào)處理部分。從這個(gè)部分開始，全部處理由數(shù)字完成，包括通道頻率選擇，通道濾波，解調(diào)，均衡和檢測(cè)。這種設(shè)計(jì)在靈活性上達(dá)到了最高點(diǎn)，幾乎任何類型的收發(fā)機(jī)都可用這種硬件平臺(tái)完成，如跳頻的擴(kuò)頻，直接順序的擴(kuò)頻，或窄頻帶。
數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和高性能，低價(jià)格數(shù)字信號(hào)處理器正在使通訊市場(chǎng)發(fā)生革命性變化。DSP和無線電技術(shù)的結(jié)合已被證實(shí)是自然的配合，兩者的發(fā)展都將促進(jìn)另一個(gè)而繼續(xù)增長(zhǎng)。MDS公司有這方面的專門技術(shù)，并被努力致力于新產(chǎn)品和解決方案中使用和開拓DSP技術(shù)。MDS已經(jīng)有大量的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線電通訊設(shè)備投入市場(chǎng)，這些產(chǎn)品為增加性能和功能使用了這項(xiàng)激動(dòng)人心的技術(shù)。MDS將繼續(xù)使用數(shù)字信號(hào)處理硬件和技術(shù)，以提供高性能和靈活性的新產(chǎn)品。

王冬
銷售總監(jiān)
北京華訊通信電子技術(shù)公司
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