数字信号处理(DSP)和无线电收发机 Justin Smith 开发工程师/微波数据系统 前言 术语“DSP”可能指两个不同的事情。数字信号处理是一般领域用的术语，在这样的领域中，用做为离散（在时间和幅值两个方面）的采样数据集来表示和处理信号和系统。这是一个相对老的领域，在出版的书和杂志中有大量的这方面的研究和数学算法。最初，大多数数字信号处理是在主机和其它通用数字计算机上离线完成的。这就是所谓的数字数据的“后处理”。随着在最近的二十多来年集成电路的复杂性和集成度的飞速增加，开发出专用处理芯片器，它能实时或“在线”进行数字信号处理。这些芯片被称为数字信号处理器(DSPs)，并在半导体工业中成为最大的增长市场。从1988年至今，DSP的市场每年增长40%。这就意味着将引入更高性能的DSPs(及与DSP有关的产品)，并以较低的价格销售。结果有双重意义：第1，随着时间的推移，更多的信号处理可在更快和更复杂的处理器内完成。第2，便宜的DSPs进入更多产品，这些产品如，手持电话、无磁带电话录答机、寻呼机(pager)、高保真度立体声设备和汽车中的主动悬挂系统(active suspension systems in cars)。 为什么用DSP？ 如上所述，在大量的新产品中使用DSP技术。为什么？1) 数据信号处理允许很复杂的算法在实时中使用并可被嵌入产品内。DSP能够从一个信号、加密信号信息中滤掉噪音，把波形变换为数字域进行分析，压缩数据，或甚至自动地，根据情况改变系统的处理过程；2) 因为DSP和DSP相关的芯片是软件控制的，在不改变硬件的情况下，可在系统内改变它们的性能和/或任务。这意味着在产品售出后的升级或另增加的特性可加到产品上，不必把装置返回到制造厂；3) DSP技术可实现高精度的控制。因为处理在软件内实现，功能的精度可得到更精密地控制。没有与模拟量元件有关的误差问题；4) 由于软件控制，因而在制造中能有很高的重复性。可把每个装置调到或校准到按最高性能运行；5) 由于信号处理是由数字处理完成的，因此所使用的算法和方法可在数字计算机上被仿真（模拟）和完善。所做的仿真可精确地与系统中的实现进行比较。这个仿真工具极大地降低了产品的设计周期，并向设计者提供研究更复杂算法的方法；6) 如前节所述，DSP技术的成本在继续下降。这就允许产品制造厂以低的价格提供更复杂的产品。 模拟无线电收发机 为了讨论DSP技术怎样用于改进无线电收发机的设计，让我们首先看一看无DSP技术的无线电收发机的结构。由于无更佳的术语，我们把它称为“模拟无线电收发机”。这个术语有点误称，因为即使DSP收发机也有重要的“模拟量”部分，但我们将这样理想化的称呼它。下面是模拟量收发机结构。全部调制、解调、滤波和纠错由模拟量处理完成（模拟量滤波器，检测等等） 如果需要进行数据的任何其它处理，那么附加的部件、专用的芯片、或微处理机必须加到设计中。因为收发机相当多的功能是在硬件中完成，任何校准或无线电的整定必须在硬件级上进行；例如，扭动一个螺丝调整或更换部件。又因为设计是以硬件为基础的，因而它是一个固定的设计。这就是说，不改变硬件就不能改变功能和性能。
DSP无线电收发机 现在让我们来看一看以DSP为基础的收发机设计的结构。我们展示出的是有传统DSP功能和可能的DSP限定任务的DSP设计结构。现在让我们先讨论一个无线通讯设备的传统DSP功能。然后我们将涉及设计其它的部分中使用DSP 更多新颖的和灵活的方法。
传统上，大多数数字信号处理是在载波频率上的信号解调后或调制前按基频带进行。为了进行数字处理信号，必须首先把信号变换为数字信号。连续时间信号必须按离散瞬时时间和离散幅值级进行“脉冲调制”。为此原因，经常把这些类型的DSP系统称为“脉冲调制系统”，因而可把它们与连续时间系统区分开。 模拟/数字(A/D)转换器 模拟量变换为数字量的换器(A/D)取输入连续信号，并把它变换为脉冲调制信号，然后馈送给DSP进行处理。A/D的工作很象一个摄影机，它摄下一系列快照，当把它们串联起来时，则近似于一个实际事件的连续流。在这个变换中涉及的关键概念是速率，即脉冲调制的速率必须至少是输入连续信号的最高频率部件的两倍。这就是Nyquist采样定理。违反了这个定理将导致称为假频的结果，在这种情况下，脉冲调制信号可能失真和没有任何复原希望。 数/模(D/A)转换器 A/D转换器让我们把连续信号变换为脉冲调制的数字信号，因此DSP可在该信号上运行。在另一个方向上如何？我们怎样获得在DSP内的脉冲调制信号，并把它变换为可被调制的或发送给音频话筒的现实世界的信号？数字量到模拟量的转换器(D/A，或DAC)完成这个工作，同时必须再次确保按“Nyquist速率”将调制脉冲发送给它，因此输出的模拟量被精确的表现出来。 滤波器(FIR和IIR) 现在在DSP内我们已经有了脉冲调制信号，用它我们能做什么呢？滤波是通讯设备中的基本操作，以便去掉噪音，或放大或减弱信号的某些特殊方面（例如，消除反射或高音调环流）。有两个基本算法用于数字滤波器信号。最通用的是限定脉冲响应滤波器(FIR)。为完整描述一个系统或滤波器的特征，所需要的一切是它的脉冲响应，它是滤波器对脉冲的响应（是很短的峰值或声脉冲）。FIR滤波器用滤波器的脉冲响应很简单地计算输入信号的卷积(Convolution)。因此，为了改变滤波器，在软件中改变脉冲响应。事实上，许多算法可相应地改变滤波器的形状，以最好地适于期望的结果。 连续卷积运算涉及两个信号乘积的积分。然而，在数字学处理中，积分是简单的和，FIR滤波器运算涉及两个调制脉冲的相乘，然后加到先前的结果上。DSP很善于做这个相乘和累积运算(MAC)，并且在一个指令周期内许多都可做到这一点。事实上，许多人认为做快速MAC的能力是DSP与通用微控制器的主要区别。 第二种类型的数字滤波器是不限定脉冲响应滤波器(IIR)。这种滤波器用滤波的调制脉冲的反馈完成它的滤波任务。这种类型的结构接近于模拟量滤波器（反馈路径），所以这些类型的滤波器常常代替存在的模拟量滤波器。用IIR滤波器结构以加在DSP的小量负荷就只用DSP很小的一点能力就构成IIR滤波器的结构，并实现很简单的低阶滤波器。 符号编码和检测 使用DSP为基础的符号编码和检测的解决方法在无线收发机设计中提高了性能和灵活性。因为DSP的软件特性，可利用自适应算法跟踪进入信号的不同测量值，并提供优化检测性能。符号时间控制的定时采集和跟踪将从DSP算法提供的复杂性获得益处。自适应通道的均衡和估算可减轻由于衰减和改变通道特性带来的影响。 DSP方法证明是很灵活的方法。可“在运行中”改变调制形式和速度以抵抗干扰或扩展范围。例如，可把16QAM改变为QPSK调制，以提供更好的灵敏度并牺牲一些速率。在调制解调器市场中可证实设计中的这种灵活性。某些制造厂家广告宣传这样的事实，即他们可在近期向客户销售调制解调器中的带有硬件平台和将来升级的软件，以达到更高速度。 数据传输层(DLL) 数据传输层功能并不专门是DSP任务时，但DSP内包括通讯设备的这个层往往是有益处的。例如，DSP物理层任务包括数据结构(data framing)和向前错误校正功能这一点证明比其它的更有效和灵活。两个层能更紧密地耦合，同时来自每个层的结果和数据为了增加功能而传递到另外的层。因为DSP善于快速地做复杂数学运算，所以超前错误校正方案(块代码，卷积代码)，以及错误检查(CRC)可由DSP有效地执行。 可能的DSP任务 随着快速和更精确的A/D转换器的出现，更快的数字信号处理器，用DSP技术的固定功能的通讯集成电路(IC)和越来越多的无线收发机的设计可由数字域完成。数字中频(IF)块变得越来越普遍。这些部分可从载波进行数字下转换(Down-Convert)和解调数据。其益处如上所述，即灵活性、一致性、复杂性和价格。一个有意义的设计是宽带软件无线电通讯设备。在这类设计中，宽带前端(front-end)射频(RF)部分在按MHz范围下转换为相对高的中频(IF)后送入数字信号处理部分。从这个部分开始，全部处理由数字完成，包括通道频率选择，通道滤波，解调，均衡和检测。这种设计在灵活性上达到了最高点，几乎任何类型的收发机都可用这种硬件平台完成，如跳频的扩频，直接顺序的扩频，或窄频带。 结束语 数字信号处理技术和高性能，低价格数字信号处理器正在使通讯市场发生革命性变化。DSP和无线电技术的结合已被证实是自然的配合，两者的发展都将促进另一个而继续增长。微波数据系统公司有着这方面的专门技术，并被努力致力于新产品和解决方案中使用和开拓DSP技术。MDS已经有大量的点对多点和点对点的无线电通讯设备投入市场，这些产品为增加性能和功能使用了这项激动人心的技术。MDS将继续使用数字信号处理硬件和技术，以提供高性能和灵活性的新产品。