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

1、用DSP實現(xiàn)單邊帶調(diào)制解調(diào)的幾種算法及性能比較李景強 李雙田 李昌立 袁津潤 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)送端需要有一個載波來運載基帶信號。把載波變換成一個載有信息信號的已調(diào)信號這一過程稱為載波調(diào)制。在通信系統(tǒng)的接收端需要從已調(diào)信號中將基帶信號取出來，這一過程稱作解調(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，只利用一個邊帶進行通信，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實現(xiàn)，也可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字方法來實現(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)一個限帶信號與具有足夠高頻率的正弦載波信號 相乘時，結(jié)果為：可以看作兩個頻移信號之和，一個是正相位(TP),一個是反相位(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)時用濾波器方法更簡單明了。用調(diào)制時的載波與單邊帶信號相乘有：結(jié)果產(chǎn)生了兩個分開的邊帶，一個位于基帶位置，另一個位于二倍的載波頻率處。利用LPF或BPF濾掉高頻信號

3、，便重構(gòu)了原始信號。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來，即載波的產(chǎn)生和相乘、帶通濾波等都用數(shù)字方式來完成。整個系統(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，在計算量上會帶來好處。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)用于多級系統(tǒng)設(shè)計。特別是內(nèi)插抽取算法的應(yīng)用，給多級數(shù)字設(shè)計帶來了好處。數(shù)字多級系統(tǒng)只增加了調(diào)制的步驟，卻減少了平均計算量，降低了帶通濾波器的要求和載波信號的復(fù)雜性。2. Hartley法由三角函數(shù)的性質(zhì)可知，對同頻率的正弦波，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)同一原始信號與具有相位關(guān)系的同頻載波相乘時，則它們的和能抵消掉一個邊帶。這樣，單邊帶信號便可以由具有相位關(guān)系的同頻載波來完成。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)生于一對正交信號和正交載波。而正交信號可以由一對正交全通濾波器產(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)系對基本的三角等式進一步的分析將給我們帶來更多的啟發(fā)。因而有：這樣，產(chǎn)生兩個單邊帶信號之和僅需要一對正交載波和一對正交全通濾波器。兩個單邊帶信號一個處于正相位置，另一個處于反相位置。這便是Hartley 調(diào)制中的和差算法，也是它的優(yōu)點所在。Hartley解調(diào)比調(diào)制時

6、稍微復(fù)雜一些，在和一對正交載波相乘之后，它需要一個低通濾波器濾掉位于二倍載波頻率處的信號。但這個濾波器的過渡帶很寬，因而無論是模擬的還是數(shù)字的，都很容易實現(xiàn)。此后，還需要一對正交全通濾波器使其中一路信號的相位變成180o，處理后的兩路信號相加或相減，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，用一對正交載波、一對全通濾波器和一對低通濾波器便可完成兩路SSB信號的解調(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盘柕奶幚砜梢栽诘偷牟蓸勇氏逻M行，而與載波相乘時則必須在高的采樣率下來完成，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，在計算量上也不占優(yōu)勢。但是Hartley方法中的和差算法卻能給多級處理帶來計算量上的好處，且只有在多級處理時才能體現(xiàn)出Hartley方法的優(yōu)點。3Weaver方法Weaver 方法也是利用相位關(guān)系來實現(xiàn)SSB處理的。在Weaver 調(diào)制中，一對正交預(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。然后用一對正交載波把折疊頻譜搬移到理想的位置，再使兩路信號相加或相減。這樣便完成了Weaver單邊帶調(diào)制。解調(diào)時，同樣是兩級解調(diào)，先用一對正交載波使SSB信號產(chǎn)生頻譜折疊，折疊的頻譜落在低頻內(nèi)，高頻部分

8、通過低通濾波器抑制掉。對折疊的低頻部分，用一對低頻正交載波搬移頻譜，且有一個邊帶的相位差是180度。然后相加或相減，抑制掉一個邊帶（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，也沒有了頻譜鏡象折疊。然而，在選擇多級調(diào)制的手段時，卻又能發(fā)現(xiàn)它們的不同點：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。但在模擬電路中實現(xiàn)起來也并非易事，因為模擬中頻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，在模擬電路中來實現(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、低價格的通用DSP芯片使數(shù)字SSB系統(tǒng)性能價格比已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了模擬系統(tǒng)。而多相調(diào)制解調(diào)方法在數(shù)字SSB無線電系統(tǒng)中占據(jù)絕對優(yōu)勢。利用專門設(shè)計的硬件平臺

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關(guān)電容濾波器MAX293，作者用匯編語言分別實現(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點和5點內(nèi)插算法，中頻采樣率都是），并進行了性能測試。話音調(diào)制算法 模擬處理 A/D BPF1中頻出20k-fD/A遠(yuǎn)動 模擬處理 A/D BPF2圖41 三種調(diào)制算法的硬件平臺：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度可執(zhí)行部分長度模塊計算量(指令周期)樣點平均計算量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：測試結(jié)果比較。(a)頻率響應(yīng)；(b)線形度(c)計算量測試條件：關(guān)閉遠(yuǎn)動輸入，話音端信號輸入電平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。測試輸出用選頻表選頻輸出。由上圖可見，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)抖動分別為、和。這種差別來源于話音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)計上，濾波器法最簡單。3. 在計算量上，Weavcr法最大，F(xiàn)ilter法最小。4. 單級設(shè)計時，F(xiàn)ilter法最合適。5. 多級設(shè)