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数字信号处理应用
数字信号处理应用【1】
摘 要:宽带数字信号处理是电子战研究的主题之一。
相对于窄带而言,宽带会导致数字动态、灵敏度、多信号处理等变差。
针对这些问题,结合现代先进的电子技术,介绍了宽带数字信号处理中的宽带采集、阵列处理、数字信道化以及数字储频干扰等技术,分析了宽带对这些技术的影响,探讨了宽带数字信号处理技术在电子战中的应用及发展方向,为研究数字信号处理技术的工程师提供有益的参考。
关键词:宽带 数字信号处理 数字波束形成 电子对抗 数字信道化
1 对宽带数字和信号的处理介绍
对宽带数字和信号的处理,有数据采集和信息处理两大部分。
其中数据采集进行信号处理的前提,是后期对信号进行处理时必须先要完成的阶段和过程。
而对于所采集的数据进行处理,可以实现很多不同的功能,本文仅对当前常用的数字天线、数字信号的干扰和数字侦察等方面加以分析和介绍。
1.1 宽带信号采集
宽带信号的采集就是指在对输入的信号在中频波段附近加以数字量化,最常用的方法是借助模数变换器,这又可以简称为ADC。
根据奈奎斯特的定理可以知道,要想不至于发生因信号的频率重叠而产生模糊或失真,ADC在输入时的带宽一定要不大于采样频率的1/2倍。
在工程应用中,采样频率的值一般为带宽值的2.3倍左右。
当ADC的值增加时,输入带宽的瞬时值则也可以适当有所提高。
对于宽带采集的方法,最常用的有3种:一是ADC高速采样;二是利用示波器进行采样;三是借助于光采样。
其中,ADC高速采样是通过若干个并行的比较器实现输入信号的离散化,ADC的位数(b)和比较器数量(Ⅳ)的倍数是N=2。
为了使实现的难度降低,一般要采用级联方式,以便获得较大的ADC位数。
例如,当ADC为8位时,需要的比较器的个数为256,而如果采用2个4位的ADC进行级联,形成一个8位ADC时,就可以把比较器的个数减少为32。
一般说来,与高速率采样相比,低速率采样要容易得多。
当采样位数和频率增加时,在硬件角度上实现的难度就会增大。
1.2 宽带数字侦收技术
所谓数字宽带侦收,其目标是为了准时或实时对输入数据进行处理,对所采用的处理算法来说,最重要的计算速度问题。
利用改进算法来提高处理数据速度的方法大体有以下几种:(1)把大数据率变换成小数据率,例如数字信道化的形式等;(2)实现快速化的信号处理和算法,例如快速FFT方法等。
在数字信道化中,当信道的个数是M时,那么单个子信道的数据率值就降为先前的1/M,这样,就为输入数据的准时或实时处理和计算提供了充足的时间,可是,当每一个信道都要加以关注时,就要对各个信道进行并行处理,就会在硬件的设计方面增加难度。
在工程应用中,一般是将全部接收的信号利用编码技术,折合到一部分信道内,从而不去对所有的信道进行关注。
对于N点的FFT,在运算时,可以把呈离散状态的FFT的次复数乘法减少到(N/2)log2N次,当N较大时,就会使运算速度明显提高。
1.3 宽带数字射频存储技术
当需要对相参雷达实施数字储频式干扰时,要是不能把频域内出现的全部信息加以保存,就难以对其进行精确地复制,从而不能实施有效的干扰。
而宽带数字射频,又称为RF,则可以实现把频域内出现的全部信息进行存储这一功能。
其步骤如下:首先,把输入的信号变换为中频信号,通过快速的A/D变换,成为数字式信号,然后再写入相对高速的存储器,同时实施干扰调制。
如果需要把这种信号重新发布时,就可以方便地通过控制器读出,然后再通过高速D/A技术,转换为相应的模拟信号,得到适合射频的输出信号,从而完成存储和转发整个过程。
宽带数字射频存储技术,又称作DRFM。
其主要功能是依据需要,利用存储的数据实施干扰调制,然后把调制好的数据借助于高速D/A技术,再转换成相应的干扰模拟信号,从而可以实现在距离、速度两个方面的波门拖引,设置假目标进行欺骗等方面的干扰作用。
为了使这种干扰更加有效,采用的瞬时带宽要大于雷达信号的带宽。
瞬时带宽的值,决定了正常工作时的ADC速率以及DAC速率,这种速率越高,对存储器在存储方面的要求就越高,导致对其体积和功耗就越大,成本也就相应地越高。
2 宽带数字处理应用于电子战的途径
宽带可以改善雷达在距离上的分辨能力;可以增加在通信时传输信息的容量;在现代电子战中,宽带还有更多的应用,例如,友军的电子支援,敌我双方的电子对抗,都是最常用的途径和手段。
在电子战中,宽带和灵敏度之间存在着一种矛盾。
对于灵敏度,可以利用如下公式进行计算。
P=-114+F+lgB+D (1)
式中:F为噪声系数;B为接收带宽;D为识别系数。
从公式可以看出,在其余参数不变时,带宽增大,灵敏度就要降低。
当接收带宽条件不变时,可以借助以下两处方法提高其灵敏度:缩小噪声系数,减少识别系数。
对于前者,没有多少潜力可以挖掘,相应地,减少识别系数就成为最常用的方法。
3 发展趋势
在现代电子战中,对宽带数字和信号的处理技术越来越重要,在各个军事领域中都有重要的作用,其中以下方面将成为在今后一个时期内的重要发展方向。
在工程应用中,宽带和数据的传输、存储和实时处理的速度方面存在着一定的矛盾,为了解决这一问题,需要对信号的电光转换和处理进行大力的研究,才能有所突破。
因为利用光信号处理,可以使瞬时带宽加大,加快处理的速度,比如,利用透镜就可以实现FFT,其计算的时间甚至可以完全忽略不计。
4 结语
在现代电子战中,宽带数字式信号的处理是必不要少的方式。
本文对于宽带技术中的信号采集、信号侦收、数字天线、信号储频等几个方面的内容进行了简单的分析,论述了常用的关键技术以及发展趋势,能够为宽带工程技术人员提供相应的参考。
参考文献
[1] 徐海源,周一宇,冯道旺.滑动DFT在宽带数字接收机中的应用[J].现代雷达,2007,29(9).
[2] 祁雪梅,潘冬明.LabVIEW在数字信号处理教学中的应用[J].现代电子技术,2006(14).
[3] 陈兴文,李敏,刘燕.LabVIEW在数字信号处理实践教学中的应用[J].高师理科学刊,2007(6).
数字信号处理【2】
摘 要：数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，DSP发展非常迅速，其应用领域也逐渐开展到了通信、计算机、消费类电子产品等多个领域，为数字化时代的到来奠定了基础。
关键词：数字信号处理;应用
数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到逊色的发展。
数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。
以前数字信号的处理主要依赖微处理器(MPU)来完成。
但是，MPU的运算速度很低，无法满足高速、实时的要求，而且处理系统庞大，成本高昂，限制了数字信号处理系统的应用和发展。
直到l970年代末，有人提出了数字信号专用处理器(DSP)的理论和算法。
众所周知，数字电路具有便于集成、成本低廉、更新换代迅速、使用方便等优点，而数字信号在传输和处理过程中具有保密性好，便于纠错和处理等优点。
所以在诸多的应用场合，尤其是今天的数字化时代，许多模拟信号都是转为数字信号进行处理的。
这就是DSP数字信号处理器大显身手的原因。
随着微电子技术，尤其是大规模集成电路工艺技术水平和设计水平的飞速提高，DSP发展非常迅速，其应用领域也逐渐开展到了通信、计算机、消费类电子产品等多个领域，为数字化时代的到来奠定了基础。
在急需对收集的图像、语音进行处理的军事侦察和航空航天等军事领域方面，DSP应用的最早。
例如，侦察卫星收集到了由照相机或摄像机的模拟图像资料后，必须对它们进行处理以便去除背景噪声，获得有用的信息，同时还要发回地面接收站。
在整个过程中，以数字化形式处理信号具有显而易见的优势。
DSP可以使用这些信号以加密的方式，高速传回地面。
DSP用于GPS制导系统中，可以高速分析定位卫星信号并将指令传给飞行器，大大提高了制导效率和制导精度。
另外，军事通信、数据处理和传输都是DPS的应用范围。
在民用方面，数字移动蜂窝电话是DPS应用的最重要领域。
由于DSP具有强大的计算能力以及低廉的价格，使得数字移动通信系统迅速普及，原来笨重而又昂贵的“大砖头”让位给了小巧玲珑、价格合理的GSM手机。
另外，由于采用DSP技术，蜂窝电话的升级换代更加方便，只要在统一的硬件平台上就可以通过软件进行，这就是新款手机不断推出的主要原因。
Modem是DSP应用较早的领域。
早在1987年TI的DSP芯片就用到了Modem上。
现在，56Kb/s的Modem已经是拨号上网的标准配置。
最近，又开发了ADSL Modem.以及Cable Modem等产品，在这个过程中，DSP芯片扮演了至关重要的角色。
ADSL Modem对于因特网可以说是有着划时代意义的，它的下行传输速度可以高达6.3Mb/s，使得传输动态图象成为可能。
这样一来，制约因特网发展的速度太慢的问题就得到解决，因特网可以开展一些诸如视频点播，会议电视等新业务，从而使之成为真正的商业化传媒。
目前的硬盘容量不断增大，而价格却没有上升，这主要得益于CDSP的出现。
预计，在不远的将来，一个DSP就可以完成PC机所有多媒体动能。
在消费电子方面，DSP也有极大的发展潜力。
数字化的音响设备由于DSP的存在，其更新换代极为迅速;在视频处理上，DPS不仅大量用于JPEG等静止图象，还用在MPEG动态图象系统中，为我们的生活增添了色彩。
如今，集成度较高的DSP芯片不仅在图像处理、语音处理、通信、计算机等领域得到广泛应用，而且已经逐渐渗透到我们生活的各个方面，比如汽车驾驶控制(TI为凯迪拉克设计的自动驾驶控制芯片)，甚至是玩具(TI为World of Wonder设计的用于洋娃娃的DSP芯片)。
随着DSP深入到各种应用领域，系统设计人员和用户也对它提出了更高要求。
所以DSP厂家面临下面几个问题：
首先，进一步缩小DSP芯片的尺寸，使得系统级DSP成为可能。
现在，DSP厂家纷纷采用新工艺，将几个DSP芯核、MPU、专用处理单元、外围电路和存储单元等都集成在一个芯片上，成为系统的DSP。
TI的TMS320C80是目前集成水平的芯片，它集成了四个DSP，一个RISC处理器，一个传输控制器，二个视频控制器。
但这样的规模和功能依然不能满足系统飞速发展的要求，所以还需要进一步提高系统集成度。
第二，提高DSP的灵活性、可扩充性。
可编程DSP为DSP应用厂家提供了极大地舞台。
不同的厂家可以在同一个DSP平台上开发出用于不同场合的系统。
同时，还可以为这些系统的升级留有相当大的空间。
因而，这些厂家对于可编程DSP的编程工具、DSP自身价格设计都提出了更高的要求，以便满足迅速变化的市场。
第三，更高的运算速度是人们永无止境的追求。
目前的TI TMS320C6x是运算速度最快的DSP芯片，该芯片采用VLIW(Very Long Instruction Word超长指令字)技术，其速度高达1600MIPS。
现在的DSP大都采用0.5ram―0.35mm CMOS技术。
但随着这项大规模集成电路技术的发展，DSP芯片可以进一步变的更小，速度也会越来越快。
从理论上讲，DSP芯片速度再提高100倍应是可以的，但这需要DSP的生产厂家付出艰苦的努力。
业内人士称，DSP将是未来集成电路领域发展最快的电子产品，并成为电器产品更新换代的决定性因素，它将彻底改变人们的工作、学习和生活方式。
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