用DSP實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制解調(diào)的幾種算法及性能比較

1、用DSP實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制解調(diào)的幾種算法及性能比較李景強(qiáng) 李雙田 李昌立 袁津潤(rùn) 王曄中科院聲學(xué)所十室 100080為了適應(yīng)信道傳輸和改善提高通信系統(tǒng)的性能，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端需要有一個(gè)載波來(lái)運(yùn)載基帶信號(hào)。把載波變換成一個(gè)載有信息信號(hào)的已調(diào)信號(hào)這一過(guò)程稱為載波調(diào)制。在通信系統(tǒng)的接收端需要從已調(diào)信號(hào)中將基帶信號(hào)取出來(lái)，這一過(guò)程稱作解調(diào)。調(diào)制和解調(diào)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中必不可少的內(nèi)容和手段。單邊帶(SSB)調(diào)制屬于幅度調(diào)制中的一類，只利用一個(gè)邊帶進(jìn)行通信，從而提高了信道的利用率，也避免了不必要的功率發(fā)射。SSB調(diào)制既可以用模擬方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。其方法不外乎有三種：經(jīng)典濾波器(Filte

2、r)方法、Weaver算法和Hartley算法。1濾波器法無(wú)論是調(diào)制還是解調(diào)，濾波器算法都是利用帶通濾波器(BPF: Band-Pass Filter)抑制掉不用的邊帶。當(dāng)一個(gè)限帶信號(hào)與具有足夠高頻率的正弦載波信號(hào) 相乘時(shí)，結(jié)果為：可以看作兩個(gè)頻移信號(hào)之和，一個(gè)是正相位(TP),一個(gè)是反相位(RP)（通常稱為上邊帶和下邊帶）。它們都包含原始信號(hào)所有的信息，且位于不同的頻率段。因而用帶通濾波器便可以濾掉不用的邊帶，完成SSB調(diào)制。在解調(diào)時(shí)用濾波器方法更簡(jiǎn)單明了。用調(diào)制時(shí)的載波與單邊帶信號(hào)相乘有：結(jié)果產(chǎn)生了兩個(gè)分開(kāi)的邊帶，一個(gè)位于基帶位置，另一個(gè)位于二倍的載波頻率處。利用LPF或BPF濾掉高頻信號(hào)

3、，便重構(gòu)了原始信號(hào)。調(diào)制及解調(diào)的電路構(gòu)成如圖11所示。 BPF LPF In YSSB Out 2cos(wct)2cos(wct) 圖11濾波器方法調(diào)制解調(diào)示意圖數(shù)字濾波器處理方法可以從模擬法直接變換過(guò)來(lái)，即載波的產(chǎn)生和相乘、帶通濾波等都用數(shù)字方式來(lái)完成。整個(gè)系統(tǒng)既可以在單一采樣率下完成，也可以利用內(nèi)插抽取算法，在計(jì)算量上會(huì)帶來(lái)好處。調(diào)制部分的工作主要包括前置帶通濾波，載波相乘，邊帶抑制即帶通濾波。解調(diào)部分主要包括中頻帶通濾波、載波相乘、抽取濾波、信號(hào)分離。在單一的采樣率下，調(diào)制和解調(diào)模塊的濾波器系數(shù)及載波是完全一樣的。濾波器方法是最經(jīng)典最傳統(tǒng)的SSB調(diào)制解調(diào)方法，目前被廣泛地應(yīng)用在各種系統(tǒng)

4、中。在許多情況下利用頻分復(fù)用(FDM)原理應(yīng)用于多級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。特別是內(nèi)插抽取算法的應(yīng)用，給多級(jí)數(shù)字設(shè)計(jì)帶來(lái)了好處。數(shù)字多級(jí)系統(tǒng)只增加了調(diào)制的步驟，卻減少了平均計(jì)算量，降低了帶通濾波器的要求和載波信號(hào)的復(fù)雜性。2. Hartley法由三角函數(shù)的性質(zhì)可知，對(duì)同頻率的正弦波，它們的相位關(guān)系起著非常重要的作用。 因而可以想象，當(dāng)同一原始信號(hào)與具有相位關(guān)系的同頻載波相乘時(shí)，則它們的和能抵消掉一個(gè)邊帶。這樣，單邊帶信號(hào)便可以由具有相位關(guān)系的同頻載波來(lái)完成。如果相位關(guān)系是由具有特定相位差的全通濾波器來(lái)產(chǎn)生，則y(t)將代表一般的Hartley 調(diào)制方法。如果在多相結(jié)構(gòu)中選n=2，則要求在全通濾波器和載波中有

5、p/2的相差。這便是正交Hartley調(diào)制方法。由我們所熟悉的三角等式有：這就是Hartley調(diào)制：SSB產(chǎn)生于一對(duì)正交信號(hào)和正交載波。而正交信號(hào)可以由一對(duì)正交全通濾波器產(chǎn)生。Q1:All-Pass Filter cos(wct)sin(wct) in outQ2:All-Pass Filter 圖21 Hartley調(diào)制及其相位關(guān)系對(duì)基本的三角等式進(jìn)一步的分析將給我們帶來(lái)更多的啟發(fā)。因而有：這樣，產(chǎn)生兩個(gè)單邊帶信號(hào)之和僅需要一對(duì)正交載波和一對(duì)正交全通濾波器。兩個(gè)單邊帶信號(hào)一個(gè)處于正相位置，另一個(gè)處于反相位置。這便是Hartley 調(diào)制中的和差算法，也是它的優(yōu)點(diǎn)所在。Hartley解調(diào)比調(diào)制時(shí)

6、稍微復(fù)雜一些，在和一對(duì)正交載波相乘之后，它需要一個(gè)低通濾波器濾掉位于二倍載波頻率處的信號(hào)。但這個(gè)濾波器的過(guò)渡帶很寬，因而無(wú)論是模擬的還是數(shù)字的，都很容易實(shí)現(xiàn)。此后，還需要一對(duì)正交全通濾波器使其中一路信號(hào)的相位變成180o，處理后的兩路信號(hào)相加或相減，其中的下邊帶 (或上邊帶)便抵消掉了。當(dāng)然，Hartley法解調(diào)也同樣可以利用和差算法，用一對(duì)正交載波、一對(duì)全通濾波器和一對(duì)低通濾波器便可完成兩路SSB信號(hào)的解調(diào)。數(shù)字Hartley調(diào)制解調(diào)可以從模擬電路直接變換成相應(yīng)的數(shù)字單元?；鶐盘?hào)的處理可以在低的采樣率下進(jìn)行，而與載波相乘時(shí)則必須在高的采樣率下來(lái)完成，以防止頻譜折疊。這就需要改變采樣率，即內(nèi)

7、插抽取算法。顯然，Hartley方法比濾波器法要復(fù)雜得多，在計(jì)算量上也不占優(yōu)勢(shì)。但是Hartley方法中的和差算法卻能給多級(jí)處理帶來(lái)計(jì)算量上的好處，且只有在多級(jí)處理時(shí)才能體現(xiàn)出Hartley方法的優(yōu)點(diǎn)。3Weaver方法Weaver 方法也是利用相位關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)SSB處理的。在Weaver 調(diào)制中，一對(duì)正交預(yù)載波(其頻率一般位于邊帶正中間)使下邊帶產(chǎn)生折疊，而不受影響的上邊帶將被低通濾波器抑制掉。然后用一對(duì)正交載波把折疊頻譜搬移到理想的位置，再使兩路信號(hào)相加或相減。這樣便完成了Weaver單邊帶調(diào)制。解調(diào)時(shí)，同樣是兩級(jí)解調(diào)，先用一對(duì)正交載波使SSB信號(hào)產(chǎn)生頻譜折疊，折疊的頻譜落在低頻內(nèi)，高頻部分

8、通過(guò)低通濾波器抑制掉。對(duì)折疊的低頻部分，用一對(duì)低頻正交載波搬移頻譜，且有一個(gè)邊帶的相位差是180度。然后相加或相減，抑制掉一個(gè)邊帶（屬于帶內(nèi)抵消）。cos(wc1t) cos(wmt)cos(wmt)cos(wc1t)LPFLPFsin(wc1t) sin(wmt)sin(wmt)sin(wc1t)LPFLPF圖31 Weaver調(diào)制解調(diào)電路示意圖我們注意到，被兩支路加/減而抵消的邊帶和輸出的邊帶所占的頻帶范圍是一樣的，屬于帶內(nèi)抵消。這恰恰與Hartley方法不同，后者是帶外抵消，抵消的邊帶和輸出的邊帶類似于雙邊帶調(diào)制中的上下邊帶。除此之外，Weaver方法還有頻譜折疊的特性。但是，二者有其根

9、本上的相似性，它們都是正交調(diào)制法。如果Weaver調(diào)制中的預(yù)載波頻率稍稍大于，則產(chǎn)生的頻譜類似于Hartley調(diào)制中的頻譜，而且是帶外抵消，也沒(méi)有了頻譜鏡象折疊。然而，在選擇多級(jí)調(diào)制的手段時(shí)，卻又能發(fā)現(xiàn)它們的不同點(diǎn)：Weaver法不能利用和差算法。Weaver解調(diào)和Hartley方法一樣，也屬于多相解調(diào)法的一種。兩者的不同之處在于：前者所用的正交載波頻率位于帶內(nèi)，而后者位于帶外；前者再用一次正交載波展開(kāi)折疊的頻譜和產(chǎn)生90o移相，而后者利用正交全通濾波器進(jìn)行相移。數(shù)字Weaver調(diào)制解調(diào)法和Hartley方法一樣都要用到內(nèi)插抽取算法，目的是減少在高采樣率下的工作。而且，其解調(diào)電路和調(diào)制電路具有

10、同樣的功能塊和同樣的復(fù)雜性。4三種算法的分析研究及比較相比較而言，濾波器算法是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)典的算法，在模擬單邊帶系統(tǒng)中也是使用最多的一種。但在模擬電路中實(shí)現(xiàn)起來(lái)也并非易事，因?yàn)槟M中頻BPF很難達(dá)到系統(tǒng)的要求。而Weaver和Hartley算法比較復(fù)雜，處理步驟多且其中的某些環(huán)節(jié)要求較高，如正交載波的相位差誤差必須很小及精確的幅度平衡等，在模擬電路中來(lái)實(shí)現(xiàn)幾乎是不可能的。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字處理方法的成熟能夠非常容易地克服這些困難，特別是高性能、低價(jià)格的通用DSP芯片使數(shù)字SSB系統(tǒng)性能價(jià)格比已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了模擬系統(tǒng)。而多相調(diào)制解調(diào)方法在數(shù)字SSB無(wú)線電系統(tǒng)中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。利用專門設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)

11、（如圖4-1所示），其CPU為TMS320C31，A/D、D/A分別是BB公司的DSP102和PCM56P-二者都是16位轉(zhuǎn)換芯片，前后端的模擬濾波器是可編程開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX293，作者用匯編語(yǔ)言分別實(shí)現(xiàn)了三種調(diào)制算法（Filter法是一步采樣率，Weaver法和Hartley法分別采用了4點(diǎn)和5點(diǎn)內(nèi)插算法，中頻采樣率都是），并進(jìn)行了性能測(cè)試。話音調(diào)制算法 模擬處理 A/D BPF1中頻出20k-fD/A遠(yuǎn)動(dòng) 模擬處理 A/D BPF2圖41 三種調(diào)制算法的硬件平臺(tái)：發(fā)射模塊輸出電平0.650.50dB-70dB-60dB-60dB0dB輸入電平 0.18 0.32.4 2.52kHz(a

12、)(b)調(diào)制算法程序大小程序總長(zhǎng)度可執(zhí)行部分長(zhǎng)度模塊計(jì)算量(指令周期)樣點(diǎn)平均計(jì)算量Hartley方法1609行459行424（308）247.2(131.2)Weaver方法1265行522行416180.5Filter方法885行320行253253(c)圖4-2：測(cè)試結(jié)果比較。(a)頻率響應(yīng)；(b)線形度(c)計(jì)算量測(cè)試條件：關(guān)閉遠(yuǎn)動(dòng)輸入，話音端信號(hào)輸入電平1.9V。話音BPF的邊帶選擇為：0.18-0.3-2.4-2.52kHz，都為20階IIR濾波器。測(cè)試輸出用選頻表選頻輸出。由上圖可見(jiàn)，三種方法的頻率響應(yīng)的帶外衰減都能達(dá)到-70dB以上，其帶內(nèi)抖動(dòng)分別為、和。這種差別來(lái)源于話音BPF的采樣率不同。調(diào)制的線形度都能達(dá)到60dB以上?？傻贸鼋Y(jié)論：1. 三種算法在調(diào)制種性能差別不大。2. 在模塊設(shè)計(jì)上，濾波器法最簡(jiǎn)單。3. 在計(jì)算量上，Weavcr法最大，F(xiàn)ilter法最小。4. 單級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，F(xiàn)ilter法最合適。5. 多級(jí)設(shè)