基于DSP的短波发射信号处理系统设计

黄宝健

（国家广播电视总局二〇二二台，新疆 喀什 844000）

0 引 言

数字通信多为短波信号，用于雷达、广播、电话以及导航等领域。在通信系统中，短波信号在采集时易受到噪声干扰，而且无法避免，当噪声较多时会给短波信号的准确性造成影响，难以收集到高质量的短波通信信号。数字信号处理器能够高效率处理信号，信号处理及运算速度较快，能够实现数据、音频以及视频等信号的实时处理[1]。

近年来，数字信号处理技术也呈现出高速发展状态，具有多个优点。一是精度高，能够通过模拟信号实现多组短波信号的准确处理。二是可靠性高，数字信号处理技术不受环境温度影响，在信号传输过程中能够对变形信号波进行二次重组，完成再生，抗干扰能力较为突出。三是灵活度高，可以根据需求对短波信号进行处理，得到不同的信号波形，转化为数字信号。此次研究就是基于DSP设计一个短波发射信号处理系统，为短波信号采集和处理提供有力支持，提高信号处理的工作效率。

1 短波发射信号处理系统硬件设计

1.1 设计信号滤波电路

由于在信号收集过程中受到环境和温度等因素影响，收集到的信号会存在一定的噪点，因此需要设计滤波电路，过滤掉信号中的噪声。为满足硬件系统电源要求，本次电路设计采用KI公司的稳压DH/CD芯片TY562314作为内核供电芯片，能够将6 V电源电压转化为DSP所需的1.24 V电压和外部3.2 V电压，具体电路如图1所示[1]。

图1 信号滤波电路图

如图1所示，外部的3.2 V电压必须用过ASI，即滤波器才能接入DSP芯片，避免电源受到外来因素影响，过滤掉信号噪点。为了能够减少抖动，实现更好的效果，此次原件只在电路一侧，没有转换开关，直接将信号复位，设置信号数据转换电路。

1.2 设计数据转换电路

数据转换电路是通过外部的时间变化提供不同频率，根据转换的特点，此电路由电容和磁珠组成晶体振荡器，为数据转换提供稳定的工作电压。振荡器产生信号时，会经过36 Ω的电阻并传送给DSP芯片输入端。设计该电路时电阻要尽可能靠近线路引脚，减少外界对其的干扰。设置电阻阻值在30～50 Ω间变化，当振荡器产生的频率达到25 MHz时，外部会沿着线路传送信号进行转换，转换电路如图2所示[2]。

图2 信号数据转换电路图

如图2所示，电源与ASI相连，经过滤波器产生更加稳定的电源，确保电路与地线水平，电容要放在电流变化最大的地方，不仅能满足需求，而且同时能实现信号数据转换。

2 基于DSP的短波发射信号处理系统软件设计

2.1 基于DSP构建发射信号调试模型

短波信号通过信号通道完成发射，但在带宽有限和较短时间内，大多数短波信号会产生噪点，需要构建一个静态模型来描述。一般采用电离分层的物理参数信号通道来构建调试模型，计算信道模型的变化频率为：

式中，ςz为第z条路径的延长时间；Xc(c)表示路径的增加重叠效率函数。将相互独立的且含有相同频数的信号数据分布在重叠效益函数上，一般定义为：

式中，Xc(c)和Xzi(c)为两个独立的数据相交过程，具有相同频数；cz(0)表示信号评价功率值[3]。在得到信号频数变化值后，调试模型需要划分为以下几个板块，此次仅设置3个板块。一是数据读取板块，当外界获取的短波出现在缓存库内，模型中的读取板块需要第一时间读取数据，同步信号来源和图像数据，将信号短波分为两路发送至下一个板块。二是数据缓冲板块，缓存模块的通路中包括两个通路，在每一个信号通行周期，一个通路接收来自另一个通路的数据进行整合，完成缓存的62位数据向14位的转变，再将转化后的数据输出至下一个板块。三是增益板块，将收到的信号从14位收缩到10位，提取出原始数据，按照数据要求进行增益，实现短波发射信号调试模型构建。

2.2 预估短波信号发射前的功率谱

由于短波频段磁场复杂，噪声较多，在信号处理前需搜索信号波长，并进行短波信号谱预估，将采集到信号向频率域转换[4]。通常需要预估的信号谱包括频谱和功率谱，其中频谱是指一个时域内的频率信号变化情况，能够通过傅里叶转换方式直接分解为不同的频率分量，不需要另外计算。而功率谱表示信号所处频域的能量分布密度，通过能量的频域分布揭示该信号频域的特征，能够对信号采集的结果产生直接影响。因此信号发射前需估计信号功率谱，以降低信号的噪音。系统采用Welch加权交叠法的周期图对采样数据进行功率谱预估，在去除噪声干扰下，提升处理速度。假设采样数据为Q，采用Welch法得到的搜索功率谱估计为：

2.3 设计检测流程处理短波发射信号

在预估短波信号功率谱后，要将所得信号数据进行处理，对短波发射信号处理速度的把控依赖于检测程序的复杂程度。一般先将信号数据通过寄存器得以保存，常用的处理器为时钟模式寄存器，能够在特定时间点随意切换逻辑模块，方便数据中转流出[8,9]。以C语言编制程序，完成DSP处理系统的各个板块设计，确保数据空间程序能够共用向量表以提高访问速度。需要注意的是，时钟模式寄存器的默认位置设置为1，将生成的信号数据加载到转换器中，以便根据具体需要进行设置。检测流程如图3所示。

图3 检测流程图

由图3可知，检测程序在初次输入数据时要从0开始，将数据慢慢压缩到缓冲，且最大输入数据不能超过3 000个。在寄存器中设置内部擦除操作，通过流程口令发出标准的微处理器指令，使得寄存器内部实现叠加算法，在完成计算数据后对任一指令区分别进行读、写或擦除操作。擦除指令不能改变数值及变化幅度，当默认位置由1变为0，表示短波信号处理完成，若默认位置上的1没有变为0，输出控制通道可以选择另一条控制通路继续操作[10]。由此完成短波发射信号处理系统设计。

3 实验论证分析

3.1 实验准备

为了验证设计的信号处理系统能够缩短处理时长，通过实验测试的方式检验新系统的应用效果。测试共分两部分进行，第一阶段测试信号处理系统的去噪能力，通过分析真实短波信号数据，评价不同系统采集信号过程中去噪的能力。第二阶段将处理系统应用到样本语音数据中，通过多轮实验测试比较不同系统处理信号的用时。实验准备了另外两组传统处理系统作为对照组，在第一阶段测试开始之前，通过ADS8344采集原始语音数据，设置通道为单端输送，信号延时间隔不高于5 s。数据库的原始语音信号样本如图4所示。

图4 采集的原始语音信号样本

图4中纵坐标在±0.5 mV以外的部分表示有噪音产生。将信号样本分别输送至3组系统中，开始实验测试。

3.2 实验结果

分别将3组系统调为单端输送模式，通过系统去噪得到处理后的语音信号数据如图5所示。

根据图5显示的结果可知，文中系统基本将噪声去除，且处理过程中原始波形没有发生任何变化，而两个传统系统在第8～10 s和12～14 s仍有一些噪音，且原始波形发生了少许变化，对后续信号处理会造成影响。通过实验可知文中系统在去噪效果上优于两个传统系统，能够有效进行信号处理。为了更好了解新系统在信号处理时间上的变化，选取10组样本进行测试，比较3个系统对同一样本的处理时间，测试结果如表1所示。

表1 3个系统处理短波发射信号时间对比结果

图5 3个系统去噪效果对比图

通过多次实验对比，3个系统处理信号的平均时间约为4.39 s、16.36 s以及17.39 s。计算每组数据之间的差值，文中系统所用的时间比传统系统分别缩短了11.97 s、13.01 s。由此可见，新系统能够缩短信号处理时间，提高工作效率。

4 结 论

此次研究根据短波信号发射原理，结合DSP数字信息处理技术的优势建立了全新的短波发射信号处理系统，进一步优化短波发射信号的处理流程。此次设计的创新点就是将DSP数字信息处理技术与加权交叠平均算法相结合，通过前者保证采集信号时不受噪声干扰，利用后者预估信号发射前的功率谱，使得设计的新系统实用性更强。结合实验测试结果，通过对比发射信号处理速度，发现新系统能够有效去噪，其短波信号发射处理时间更短，充分验证了设计的系统能够缩短处理时长，提高工作效率。但由于时间有限，本文只建立了短波发射信号处理的基本系统，硬件结构并不完善，在后续的研究中可以进一步改进系统功能板块，以实现更多信号处理功能，提高处理速度。