蔣璐遙

（華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430070）

0 前言

近幾年，電子信息工程快速發(fā)展，越來(lái)越多“高精尖”電子信息工程技術(shù)產(chǎn)品被推出，為提升社會(huì)生活質(zhì)量、效率提供了動(dòng)力。但是就我國(guó)當(dāng)前電子信息工程的發(fā)展情況來(lái)說(shuō)，電子信息工程起步時(shí)間較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家仍然存在較大的差距，現(xiàn)存問(wèn)題較多。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用可以提高電子信息工程的數(shù)據(jù)處理能力，保證電子信息工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程可控，助力電子信息工程的發(fā)展。因此，探究數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在電子信息工程領(lǐng)域的應(yīng)用具有非常重要的意義。

1 數(shù)字信號(hào)處理與電子信息工程

1.1 數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)處理是信號(hào)處理的子領(lǐng)域，特指使用計(jì)算機(jī)或?qū)I(yè)數(shù)字信號(hào)處理器執(zhí)行多種類型、多種形態(tài)的數(shù)字信號(hào)處理操作。相應(yīng)數(shù)字信號(hào)均為表述空域、時(shí)域以及頻域內(nèi)連續(xù)變量樣本的系列數(shù)字，也是信息在物流層面的體現(xiàn)方式[1]。

1.2 電子信息工程

電子信息工程特指應(yīng)用計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)、電子技術(shù)以及通信技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)開(kāi)展電子信息處理、電子信息控制的基礎(chǔ)，包括信息獲取與處理、電子設(shè)備與信息系統(tǒng)的應(yīng)用與集成以及電子設(shè)備與信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等方面[2]。

2 數(shù)字信號(hào)處理的架構(gòu)

2.1 電路

數(shù)字信號(hào)處理電路包括數(shù)字輸出層、鏈路層和處理器層3 個(gè)部分[3]。數(shù)字輸出層主要是對(duì)7 個(gè)電流、5 個(gè)電壓互感器的二次變換器進(jìn)行合并，滿足全部現(xiàn)場(chǎng)一次信號(hào)向數(shù)字量串行輸出轉(zhuǎn)換的要求。由IEC 數(shù)字輸出協(xié)議可知，數(shù)字輸出層電流、電壓互感器的二次變換器連接方式為單相點(diǎn)對(duì)點(diǎn)；鏈路層主要選擇數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)完整且契合DL/T 634.5124—2009中FT3 格式的數(shù)據(jù)幀；處理器層主要是進(jìn)行模擬變換器采樣后的數(shù)字信號(hào)處理。一般多路模擬變換器轉(zhuǎn)換用信號(hào)相同，當(dāng)從地面低壓端向高壓端持續(xù)不間斷地發(fā)出脈沖信號(hào)時(shí)，低壓側(cè)數(shù)據(jù)輸出模式為串行，接收前需要將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)[4]。進(jìn)而在緩沖器內(nèi)緩沖，保證機(jī)器在周期內(nèi)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

2.2 軟件

由《IEC 61850 工程電能計(jì)量應(yīng)用模型》（DL/T 1783—2017）標(biāo)準(zhǔn)可知，在數(shù)字信號(hào)處理程序運(yùn)行過(guò)程中，需要以數(shù)字信號(hào)串并轉(zhuǎn)換為前提，將數(shù)據(jù)寫入高速緩存單元。同時(shí)，向互感器發(fā)送中斷信號(hào)，互感器響應(yīng)后可以接收多路數(shù)據(jù)信號(hào)并讀取數(shù)據(jù)，讀取后將數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)單元內(nèi)。在存儲(chǔ)單元內(nèi)根據(jù)處理器層格式編碼，編碼內(nèi)容為電壓、額定電流、狀態(tài)碼以及延遲時(shí)間。同時(shí)，為每個(gè)數(shù)字信號(hào)傳輸通道配置1個(gè)先進(jìn)先出緩存器。先進(jìn)先出緩存器包括2 個(gè)等級(jí)，其中一個(gè)等級(jí)為讀口訪問(wèn)，負(fù)責(zé)從源口將數(shù)據(jù)讀取到通道的先進(jìn)先出緩存器；另外一個(gè)等級(jí)為寫口訪問(wèn)，負(fù)責(zé)從通道的先進(jìn)先出緩存器將數(shù)據(jù)寫入目標(biāo)接口。

在數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中，數(shù)字低通濾波器是核心模塊，需要利用在時(shí)域內(nèi)直接求解卷積的手段，在數(shù)字信號(hào)處理軟件包內(nèi)求取濾波器系數(shù)。一般模擬變換器采樣頻率為320 Hz，每點(diǎn)字節(jié)長(zhǎng)度為16 位，傳輸速率為256 kbit/s，通帶截止頻率為5.00 kHz，采樣頻率為16.00 kHz。在確定濾波器參數(shù)后，可以利用設(shè)計(jì)的數(shù)字低通濾波器將輸入信號(hào)、濾波器系數(shù)相乘后再相加，更新包括新的采樣在內(nèi)的全部信號(hào)緩沖器[5]。內(nèi)部循環(huán)重復(fù)“乘－累加”指令，輸出數(shù)字并存入輸出緩沖器內(nèi)。在下一次迭代中，系統(tǒng)指針將從首個(gè)分支開(kāi)始，新輸入的采樣將取代信號(hào)緩沖器內(nèi)最“老舊”的采樣。

3 數(shù)字信號(hào)處理在電子信息工程領(lǐng)域的踐行

3.1 寬帶中的數(shù)字信號(hào)處理

寬帶在某種角度上指相對(duì)帶寬（信號(hào)寬帶、中心頻率比值超過(guò)1/4），在雷達(dá)領(lǐng)域、天線領(lǐng)域有較大的應(yīng)用范圍。在雷達(dá)領(lǐng)域，寬帶數(shù)字處理技術(shù)主要是以精確復(fù)制的形式存儲(chǔ)頻域內(nèi)與信號(hào)相關(guān)的信息[6]。即在下頻域、中頻域轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，利用高速模擬變換器完成獲取信號(hào)、數(shù)字類型信號(hào)的轉(zhuǎn)換并存入高速存儲(chǔ)器內(nèi)。同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的干擾式調(diào)制；數(shù)字信號(hào)處理在天線領(lǐng)域主要是通過(guò)設(shè)計(jì)多波束圖、零點(diǎn)圖等方向圖，在方向圖內(nèi)分析線性陣列的相對(duì)帶寬。

在部分情況下，寬帶也指絕對(duì)帶寬，在電子對(duì)抗領(lǐng)域有較大的應(yīng)用范圍。寬帶信息的應(yīng)用離不開(kāi)寬帶采集、數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)。前者的重點(diǎn)是寬帶數(shù)字管理，包括觀察數(shù)字、干擾數(shù)字2 個(gè)方面。在寬帶采集階段，需要根據(jù)奈奎斯特采樣定理，利用模擬變換器對(duì)中頻周邊輸入信號(hào)進(jìn)行量化處理。模擬變換器采樣主要利用若干個(gè)并行的比較器離散化處理采集數(shù)據(jù)信號(hào)，模擬變換器位數(shù)是比較器個(gè)數(shù)的1/2。同時(shí)，為避免因信號(hào)產(chǎn)生頻率折疊而干擾寬帶樣本量化的精確性，整個(gè)過(guò)程需要控制樣本頻率是模擬變換器的輸入帶寬的2 倍，電子信息工程領(lǐng)域常用的方式是將采樣頻率設(shè)定為常規(guī)輸入帶寬的2.20～2.50 倍。在后續(xù)模擬變換器采樣頻率向高水平發(fā)展的背景下，瞬時(shí)輸入數(shù)字系統(tǒng)帶寬也將朝著高水平發(fā)展。此時(shí)，就需要利用級(jí)聯(lián)的方式解決模擬變換器硬件所存在的問(wèn)題。例如，當(dāng)比較器個(gè)數(shù)為256 個(gè)時(shí)，可以利用2 個(gè)4 位模擬變換器級(jí)聯(lián)，將比較器個(gè)數(shù)縮減為32 個(gè)（2×16）。

除高速模擬變換器采樣以外，還可以選擇光采樣。光采樣主要是將持續(xù)時(shí)間較短的光脈沖、采集的光信號(hào)相乘后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，獲得光脈沖響應(yīng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度。當(dāng)前常用的方法為4 個(gè)8 位10 Gsps 光模擬變換器并行運(yùn)算8 位40 Gsps的光模擬變換器。

3.2 電子設(shè)備故障診斷中的數(shù)字信號(hào)處理

在電子信息工程技術(shù)日趨成熟的背景下，電子設(shè)備工作原理日益復(fù)雜，集成度日益提升，發(fā)生故障風(fēng)險(xiǎn)的概率也急劇提升。但現(xiàn)有基于專家?guī)焯卣髌ヅ涞碾娮釉O(shè)備故障處理、基于粒子群優(yōu)化算法的電子設(shè)備故障處理以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子設(shè)備故障診斷等方法并無(wú)法保證對(duì)設(shè)備故障變化特征的準(zhǔn)確表述，且存在實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，極易輸出錯(cuò)誤的設(shè)備故障診斷結(jié)果。因此，可以引入數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)電子設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)電子設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行去噪處理。在信號(hào)去噪后，從信號(hào)中提取電子設(shè)備故障特征向量，進(jìn)而將電子設(shè)備故障特征向量視為極限學(xué)習(xí)機(jī)，結(jié)合極限學(xué)習(xí)參數(shù)的設(shè)定，構(gòu)建電子設(shè)備故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)描述電子設(shè)備故障類型的目標(biāo)，提高電子設(shè)備故障診斷的成功率，為電子設(shè)備故障處理提供支持。具體過(guò)程如圖1 所示。

圖1 電子設(shè)備故障診斷中數(shù)字信號(hào)流程

由圖1 可知，在利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)收集電子設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，需要利用傳感器實(shí)時(shí)采集、感知電子設(shè)備狀態(tài)信號(hào)。在完成電子設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的采集工作后，需要利用數(shù)模轉(zhuǎn)換的方式將采集的電子設(shè)備信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并存入存儲(chǔ)單元，最終經(jīng)控制模塊輸出電子設(shè)備狀態(tài)信號(hào)。同時(shí)，由于電子設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)中存在噪聲，極易干擾后續(xù)的數(shù)據(jù)特征提取工作，因此，可以引入傅里葉變換方程對(duì)電子設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行噪聲去除處理，為電子設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)處理質(zhì)量的提升奠定基礎(chǔ)[7]。在部分情況下，也可以利用多項(xiàng)式擬合方法去除采集信號(hào)中存在的隨時(shí)間變化的趨勢(shì)項(xiàng)，如公式（1）所示。

式中：x（n）為長(zhǎng)度為n的序列估值，n=1，2，3；M為多項(xiàng)式階次；CM（n）為去除采集信號(hào)中存在趨勢(shì)項(xiàng)，CM的選擇要與最小均方誤差準(zhǔn)則相符。

在電子設(shè)備故障狀態(tài)特征提取環(huán)節(jié)，因?yàn)檫\(yùn)行階段的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)高度復(fù)雜，采集的有價(jià)值信號(hào)極易被多頻率成分的信號(hào)調(diào)制，單純依靠傅里葉變換以及多項(xiàng)式擬合并無(wú)法滿足故障精準(zhǔn)診斷的要求，所以需要利用小波包分析算法，分解去除噪聲后的電子設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)。例如，某調(diào)制波形sin50°8×sin500°中存在500 Hz 的高頻成分，必須利用小波包分析法，將高頻成分濾除，如公式（2）所示。

式中：H{x（t）}為小波包分析后信號(hào)；x（τ）為高頻成分；t為時(shí)間；τ為常數(shù)。

通過(guò)在公式（2）中應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理可以獲得1 個(gè)完整且無(wú)高頻成分的子帶信號(hào)包。

在獲得多個(gè)頻率不一、能量特征存在差異的子帶信號(hào)后，根據(jù)子帶信號(hào)頻率、能量特征會(huì)隨電子設(shè)備的故障狀況而升高的特征，可以設(shè)計(jì)電子設(shè)備故障診斷訓(xùn)練樣本，經(jīng)拉格朗日函數(shù)或獨(dú)立分量分析進(jìn)行求解，進(jìn)而經(jīng)求仿真處理后獲得正確率高達(dá)95.00%的電子設(shè)備故障診斷輸出。以獨(dú)立分量分析為例，基于電子設(shè)備故障的線性混合模型如公式（3）所示。

式中：X為獲得信號(hào)觀測(cè)向量為m維零均值隨機(jī)觀測(cè)信號(hào)；A為m×n階矩陣；S為每個(gè)觀測(cè)分量的源信號(hào)，每個(gè)分量相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，且含有1 個(gè)高斯分布。

基于S中每個(gè)分量相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立特性，可以在系數(shù)矩陣A、源信號(hào)S不明的情況下，尋找分解矩陣（A的逆矩陣）W，如公式（4）所示。

式中：Y為變換后的輸出分量，是源信號(hào)S的估計(jì)。

在公式（4）中，可以增設(shè)約束條件，設(shè)定幅值為1，采樣頻率與信號(hào)頻率相等，通過(guò)在1 個(gè)周期內(nèi)多次重復(fù)，可以獲得相位角的最佳匹配，形成系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)電子設(shè)備故障信號(hào)的響應(yīng)模型，為模擬源信號(hào)的最佳匹配提供支持。

3.3 短波通信中的數(shù)字信號(hào)處理

短波通信是電子信息工程至關(guān)重要的部分，短波通信的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)數(shù)字信號(hào)處理在信道數(shù)字化、音頻信號(hào)處理、傳真以及靜態(tài)圖像傳輸中的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，數(shù)字信號(hào)處理可以模擬短波通信前端射頻信號(hào)，借助中頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)輸出?；诋?dāng)前無(wú)線電子具有通信難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，可以利用AD 變換器技術(shù)以及數(shù)字變頻技術(shù)等常用的數(shù)字信號(hào)處理方法，完成電子通信結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工作。在應(yīng)用AD 變換器技術(shù)的過(guò)程中，可以綜合處理無(wú)線電短波通信階段部分關(guān)鍵信息，將短頻信號(hào)向中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換，為無(wú)線電通信失真問(wèn)題的解決提供依據(jù)。

由電磁場(chǎng)理論可知，信號(hào)輻射能力提升，信號(hào)頻率的平方值也提升，接收端接收信道在零頻周邊響應(yīng)不佳，影響了基帶信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，此時(shí)，就需要完成基帶信號(hào)與攜帶信息的高頻載波——頻帶信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，即調(diào)制、解調(diào)。當(dāng)?shù)皖l信號(hào)為a（t）時(shí)，幅度調(diào)制信號(hào)為x（t）。如果a（t）恒定，則x（t）為相位調(diào)制信號(hào)，x（t）的Hilbert 變換過(guò)程如公式（5）所示。

式中：Ω1為數(shù)字信號(hào)接收端同步不佳時(shí)的角頻率；Δφ為相位。

當(dāng)在短波通信中應(yīng)用數(shù)字變頻技術(shù)時(shí)，由于短波通信主要負(fù)責(zé)語(yǔ)音傳輸，而人體聽(tīng)覺(jué)器官對(duì)相位信息敏感度較低，因此在多數(shù)情況下僅需要完成幅值信息的提取任務(wù)。同時(shí)，鑒于幅值大小與數(shù)字信號(hào)接收端角頻率、相位無(wú)較大關(guān)系，可以經(jīng)信息變頻轉(zhuǎn)換，確?？梢皂樌⒏咝实赝瓿蔁o(wú)線通信任務(wù)。即以允許數(shù)字信號(hào)接收端載波、發(fā)送端載波存在較大差異為前提，促使公式（6）的通道信號(hào)可以順利經(jīng)過(guò)低通。同時(shí)，利用低檔接收機(jī)促使x（n）通過(guò)數(shù)字復(fù)載波下變頻、復(fù)低通濾波、實(shí)部與虛部處理操作，完成通道分離。

3.4 太赫茲高速通信中的數(shù)字信號(hào)處理

在電子信息工程領(lǐng)域，信息通信系統(tǒng)至關(guān)重要。在無(wú)線電子通信高速發(fā)展的過(guò)程中，現(xiàn)有頻譜資源匱乏態(tài)勢(shì)顯現(xiàn)，開(kāi)發(fā)無(wú)線電子通信的新頻段成為解決這一問(wèn)題的有效手段。太赫茲高速通信系統(tǒng)是近幾年發(fā)展較為迅速的通信系統(tǒng)。太赫茲波特指100.00 GHz～10.00 ×103GHz 的電磁波，處于傳統(tǒng)電子學(xué)、光子學(xué)研究頻段的特殊區(qū)位[8]。為了實(shí)現(xiàn)太赫茲通信，必須對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理。即利用矩陣并行化表示數(shù)字信號(hào)處理算法，進(jìn)而基于矩陣張量積思想，以張量積表示兩級(jí)迭代并行濾波算法。將兩級(jí)迭代并行濾波算法分解后，獲得多級(jí)迭代的并行濾波算法，為提高系統(tǒng)應(yīng)用的并行化率提供依據(jù)。一般利用多級(jí)迭代的并行濾波算法對(duì)5.00 Gbps的16.00QAM 信號(hào)進(jìn)行32 路并行處理，可以促使誤碼率誤差小于0.05 dB。具體操作的核心是將以往待輸入串行序列進(jìn)行“串行——并行”轉(zhuǎn)換?？紤]迭代并行濾波算法在實(shí)現(xiàn)2并行或者3 并行等并行路數(shù)處于較低水平的并行手段時(shí)，消耗的乘法器數(shù)量處于較大的數(shù)值，而乘法器硬件實(shí)現(xiàn)階段強(qiáng)運(yùn)算的特征，也決定了極大的數(shù)字信號(hào)處理誤差。因此，可以在串行并行轉(zhuǎn)換以及并行輸出序列分解過(guò)程中進(jìn)行并行序列的等效轉(zhuǎn)換，如公式（7）所示。

式中：H0、H0+H1以及H1為子濾波器；Y0、Y1為公式中的因變量；X0、X1為公式中的自變量。

整個(gè)后處理矩陣對(duì)應(yīng)子濾波器的后延時(shí)模塊，通過(guò)迭代并行快速濾波算法的轉(zhuǎn)置變換可以盡可能減少太赫茲通信中硬件資源的使用量。對(duì)相對(duì)較高階并行情況下的數(shù)字信號(hào)處理來(lái)說(shuō)，為避免轉(zhuǎn)置變換工作量過(guò)大導(dǎo)致的差錯(cuò)，可以首先利用級(jí)聯(lián)處于較低水平的并行度n獲得n+1 個(gè)子濾波器，進(jìn)而在子濾波器內(nèi)使用n+1 迭代并行快速濾波算法，經(jīng)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)并行濾波的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，數(shù)字信號(hào)處理是一種靈活穩(wěn)定、可重復(fù)的技術(shù)。通過(guò)在電子信息工程中應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以在提高電子信息工程開(kāi)展效率的同時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)局部或整體故障，保障電子信息工程的安全。因此，根據(jù)電子信息工程領(lǐng)域太赫茲高速通信、無(wú)線短波通信以及電子設(shè)備故障診斷的要求，可以在硬件電路優(yōu)化設(shè)置的基礎(chǔ)上，恰當(dāng)利用迭代并行快速濾波算法、小波包分析算法等數(shù)字信號(hào)處理算法，進(jìn)一步推動(dòng)電子信息工程的發(fā)展。