摘 要：介紹使用ADSP21160高速數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)源的程序設(shè)計(jì)；分析使用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)源的可行性，介紹儀器設(shè)備中常用的部分信號(hào)形式，列出CW，LFM信號(hào)的數(shù)學(xué)公式，給出工程文件的建立和程序設(shè)計(jì)流程圖，以及在實(shí)際應(yīng)用中注意事項(xiàng)，利用ADSP21160的Simulator仿真軟件的plot畫圖功能，畫出程序運(yùn)行產(chǎn)生的部分波形，說(shuō)明使用DSP設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)源是完全可行的，比模擬信號(hào)源有明顯的優(yōu)越性，修改方便、使用靈活，根據(jù)不同的算法就可以產(chǎn)生不同的信號(hào)。該文應(yīng)用ADSP21160數(shù)字信號(hào)處理器軟件實(shí)現(xiàn)了CW，LFM信號(hào)在不同包絡(luò)中形成的復(fù)雜窄脈沖和多脈沖數(shù)字信號(hào)源。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)源;模擬信號(hào)源;DSP;復(fù)雜窄脈沖；多脈沖

中圖分類號(hào)：TP368.1;TP311.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-373X(2008)22-131-05

Software Design of Digital Singnal Source Based on DSP

YANG Wenji1，LIU Qi2

(1.Navigation College，Northwestern Polytechnical University，Xi′an，710072，China;2.Liuzhou Institute of Measure Technical and Test，Liuzhou，545001，China)

Abstract：This paper introduces a digital signal source software design，based on ADSP21160 high-speed Digital Signal Processing (DSP).Analysis of the feasibility of using DSP to design digital signal source，the often used signals form CW，LFM mathematical models are proposed.The paper gives the software flow chart，the important points in practical application，and plot wave form figures of simulator software using ADSP21160.Using DSP to design digital signal source is totally feasible than the analog signal source，has advantages of using different algorithm to generate different signals，complex narrow pulse and multi-pulse signal source is generated in diflerent envelope of CW，LFM signal is realized by applying ADSP21160.

Keywords：digital singnal source;simulative signal source;DSP;complex narrow pulse;multi-pulse

各種形式的可編程數(shù)字信號(hào)源在現(xiàn)實(shí)生活中有著廣泛的應(yīng)用，不論在軍用還是在民用方面，都有著相當(dāng)大的使用價(jià)值，如雷達(dá)信號(hào)、航天系統(tǒng)、航空系統(tǒng)、信號(hào)測(cè)距、目標(biāo)識(shí)別、探礦、地下文物探測(cè)、水下信息定位等。因此，研究和設(shè)計(jì)各種形式的數(shù)字信號(hào)源相當(dāng)有應(yīng)用價(jià)值。

可編程數(shù)字信號(hào)發(fā)生器可以很方便地產(chǎn)生各種信號(hào)波形和實(shí)現(xiàn)波形之間的轉(zhuǎn)換。目前各種儀器中常用的正弦波、方波、三角波、鋸齒波都能很方便的產(chǎn)生。本文重點(diǎn)研究某些儀器設(shè)備中要用到的單頻（CW波形）、線性調(diào)頻（LFM波形）及它們?cè)谄渌j(luò)中形成的信號(hào)波形。

1 ADSP21160簡(jiǎn)單介紹

ADSP21160 是Analog Devices公司生產(chǎn)的高性能32位浮點(diǎn)運(yùn)算的超大規(guī)模數(shù)字信號(hào)處理芯片，它采用雙核處理器，使得處理器可以處理單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD模式）。1片100 MHz主頻的ADSP21160，具有每秒6億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度^［1］，片內(nèi)具有4 Gb的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以滿足程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要，在必要時(shí)可以進(jìn)行外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)充，在主頻為40 MHz時(shí)，指令周期可以達(dá)到12.5ns。即每秒可以進(jìn)行8 000萬(wàn)次運(yùn)算^{［2，3］}。

AD公司提供了程序仿真軟件Simulator，可以安裝在PC個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，給程序的開(kāi)發(fā)提供了方便，該器件有豐富的指令系統(tǒng)，適合于各種數(shù)字信號(hào)處理，程序可以用ADSP21160的匯編語(yǔ)言編寫程序，也可以采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫程序，極大的方便了程序的開(kāi)發(fā)，縮短程序開(kāi)發(fā)周期。

2 DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)源的可行性

如果一個(gè)完整的波形需要10個(gè)離散的數(shù)字來(lái)實(shí)現(xiàn)，按照ADSP21160的1個(gè)指令周期為12.5 ns，輸出1個(gè)數(shù)最快需要4條指令（取數(shù)、送數(shù)、地址增加、判斷轉(zhuǎn)移），那么輸出1個(gè)數(shù)字要花費(fèi)50 ns，輸出1個(gè)完整的波形需要500 ns，則產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)的最高頻率為200 kHz。即使1個(gè)完整的波形需要20個(gè)離散的數(shù)字來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)的最高頻率也可以達(dá)到100 kHz。因此，使用ADSP21160作為數(shù)字信號(hào)源生成的處理器，完全可以滿足200 kHz以下的信號(hào)源的要求。

3 單頻脈沖信號(hào)和線性調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

3.1 單頻脈沖信號(hào)（CW波形）

單頻脈沖信號(hào)（CW）的函數(shù)表達(dá)形式可表示為：

f(t)=A(t)cos{2πf0t+θ(t)}(1)

式（1）中A(t)為信號(hào)的包絡(luò)；f0為信號(hào)的中心頻率；θ(t)為初相位。

3.2 線性調(diào)頻信號(hào)（LFM）

線性調(diào)頻信號(hào)（LFM）的函數(shù)表達(dá)形式可表示為：

f(t)=A(t)cos{2πxt±0.5βt2}(2)

其中A(t)包絡(luò)，可任意取。

載頻頻率:

x = f0±f(3)

其中，f=BW2；f0為中心頻率。

β=2πBwT(4)

式（4）中Bw為頻帶寬度；T為脈沖寬度。

3.3 單頻脈沖、線性調(diào)頻信號(hào)的包絡(luò)

當(dāng)式（1），（2）中的A（t）為下式時(shí)：

A(t)=x，|t|≤a

0，|t|>a（5）

A(t)為矩形包絡(luò)函數(shù)， 式（5）中x即是填充在脈沖包絡(luò)中的單頻信號(hào)的幅度值。

當(dāng)式（1），（2）中的A（t）為下式時(shí)：

A(t)=ttan θ，t

a，t=a

ttan(－θ)，t>a（6）

A(t)為矩形包絡(luò)函數(shù)，a為梯形最大幅度值。

當(dāng)式（1），（2）中的A（t）為下式時(shí)：

A(t)=Aexp(x－x0)22Δ2(7)

A(t)為高斯包絡(luò)函數(shù)。其中X0為波包的平均位置；Δ為波包的寬度^{［4，5］}。

4 數(shù)字信號(hào)源程序設(shè)計(jì)

4.1 工程的建立和程序編譯過(guò)程

工程的建立和程序編譯運(yùn)行的過(guò)程如流程圖1所示：首先，運(yùn)行VisualDSP++Environmet 進(jìn)入Simulator工作環(huán)境，點(diǎn)擊Project 創(chuàng)建一個(gè)工程（建立“文件名.dpj”文件）。

其次，用C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫程序（生成“文件名.C”，文件），用ADSP21160匯編語(yǔ)言編寫程序（生成“文件名.asm，”文件），建立頭文件（生成“文件名.h”文件），匯編程序、頭文件可以是多個(gè)文件分開(kāi)編寫。自動(dòng)生成或編寫idf文件，（生成“文件名.idf”文件）。

在程序編寫完成后，使用Build Project對(duì)程序進(jìn)行編譯，如果編譯不通過(guò)，需要對(duì)出錯(cuò)的程序修改，直到編譯通過(guò)為止。

如果編譯通過(guò)，就可以運(yùn)行程序，查看結(jié)果，假如結(jié)果不正確，需要對(duì)程序修改，再編譯，再運(yùn)行，直到結(jié)果正確為止。

圖1 創(chuàng)建工程和程序編譯運(yùn)行過(guò)程

4.2 數(shù)字信號(hào)源程序設(shè)計(jì)及流程

數(shù)字信號(hào)源程序設(shè)計(jì)需要考慮的主要參數(shù)為：信號(hào)的中心頻率，包絡(luò)形式（矩形，梯形，高斯包洛）、填充信號(hào)形式（CW，LFM）、脈沖寬度（如5~60 ms等），信號(hào)的周期（如0.5~5 s等）。

信號(hào)源生成有2種形式：一邊計(jì)算一邊輸出，這種方法計(jì)算占用了一定的時(shí)間，產(chǎn)生和輸出一個(gè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不止4條指令能夠完成，所以，只能適應(yīng)低頻信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是，波形參數(shù)改變方便靈活。所用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量小。另一種方法是，把要輸出的波形計(jì)算好，放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，這種方法能適應(yīng)低頻，高頻信號(hào)，數(shù)據(jù)可以反復(fù)使用。不足之處是，當(dāng)波形的1個(gè)參數(shù)改變時(shí)，就得重新計(jì)算。所用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量大。

本文中采用1次計(jì)算生成所需波形，放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后反復(fù)使用。為了使編寫程序簡(jiǎn)單采用ADSP21160匯編和標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言結(jié)合的方式編寫程序。流程如圖2所示。

圖2中虛線部分為工程應(yīng)用中所必須的重要步驟，信號(hào)生成后，需要反復(fù)測(cè)量，并對(duì)程序中的參數(shù)進(jìn)行修正，直到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求為止。由于條件的限制，該文中這部分沒(méi)有進(jìn)行。對(duì)于使用ADSP21160的Simulator中的plot畫圖功能，可以參考該軟件的使用手冊(cè)，圖形可以顯示在屏幕上，可以存儲(chǔ)，可以打印，使用方便。論文中介紹程序設(shè)計(jì)的方法和流程，在實(shí)際應(yīng)用中還要具體情況具體分析。

圖2 程序設(shè)計(jì)調(diào)試流程圖

5 程序運(yùn)行結(jié)果

圖3~圖6給出了部分單頻信號(hào)（CW）、矩形包絡(luò)、梯形包絡(luò)、高斯包絡(luò)、不同脈寬、不同頻率的比較圖。

圖7~圖11 給出了部分線性調(diào)頻信號(hào)（LFM）、矩形包絡(luò)、梯形包絡(luò)、高斯包絡(luò)、不同脈寬、不同頻率的比較圖。

圖12是部分多脈沖信號(hào)圖。

5.1 單頻脈沖信號(hào)（CW）部分波形圖

單頻脈沖信號(hào)（CW）部分波形圖，如圖3~圖6 所示。

5.2 線性調(diào)頻脈沖信號(hào)（LFM）部分波形圖

線性調(diào)頻脈沖信號(hào)（LFM）各種波形圖，如圖7~圖11所示。

5.3 多脈沖信號(hào)

多脈沖信號(hào)如圖12 所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

利用ADSP21160數(shù)字信號(hào)處理芯片，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)源的設(shè)計(jì)，比模擬信號(hào)源有其獨(dú)特的優(yōu)越性，波形改變非常容易，只要輸入不同的參數(shù)，利用不同的算法，通過(guò)不同的輸出延時(shí)就可以產(chǎn)生不同的頻率、不同幅度、不同周期、不同脈寬、不同包絡(luò)的信號(hào)波形，靈活、方便、信號(hào)形式多樣化。

圖3 初相位為0°和90°的CW信號(hào)

圖4 矩形包絡(luò)脈沖信號(hào)

本文中所有的信號(hào)波形都是使用ADSP21160的Simulator仿真軟件的plot畫圖功能，畫出程序運(yùn)行產(chǎn)生的部分波形，由于該軟件的固有坐標(biāo)的限制，以及其他因素的限制（例如保密）各種信號(hào)的具體參數(shù)不能展現(xiàn)給讀者。

圖5 不同頻率的單頻（CW）梯形脈沖信號(hào)

圖6 不同頻率的單頻（CW）梯形脈沖信號(hào)

在實(shí)際應(yīng)用中，由于應(yīng)用的對(duì)象不同，對(duì)信號(hào)的要求不同，要采用圖2中的虛線部分的流程，對(duì)所產(chǎn)生的信號(hào)的幅度、相位、中心頻率、脈沖寬度、信號(hào)周期反復(fù)測(cè)量，對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行反復(fù)修改，直到所需信號(hào)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。

圖7 正線性調(diào)頻信號(hào)

圖8 不同頻率的正線性調(diào)頻信號(hào)

圖9 不同脈寬的調(diào)頻（LFM）梯形包絡(luò)脈沖信號(hào)

圖10 不同脈寬線性調(diào)頻（LFM）高斯包絡(luò)脈沖信號(hào)

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圖11 不同頻率線性調(diào)頻（LFM）高斯包絡(luò)脈沖信號(hào)

圖12 單頻（CW）梯形包絡(luò)雙脈沖和三脈沖信號(hào)（LFM）

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文