基于数字中频和DSP的自适应数字陷波器设计

出处：eaw 发布于：2007-09-28 11:54:10

摘??? 要：本文提出了一种在直接序列扩频通信系统中抑制多个强窄带干扰的数字陷波器的实现方法，详细叙述了以AD6620为的数字中频处理模块和以TMS320C6701为的基带窄带干扰抑制模块，并给出了详细的硬件解决方案及算法实现流程。

关键词：窄带干扰；陷波；DSP；数字中频

引言

直接序列扩频通信系统以其良好的抗干扰能力和保密性而在军事通信领域备受青睐。但由于处理增益受到传输带宽和系统复杂度的限制，仅靠扩频增益已不足以对干扰进行抑制。本文所讨论的多窄带干扰自适应数字陷波器，采用频域LMS算法实现对直接序列扩频信号中强窄带干扰的自适应抑制，并取得了良好的效果。

系统硬件结构及软件实现

该系统主要包括三个部分：中频处理部分，系统逻辑控制部分以及DSP基带处理部分。其硬件连接如图1所示。

系统中的“Input”向带通滤波器SAW851547输入中频模拟信号，经滤波后送入AD9042中，“Encode”给AD9042提供40.096MSPS的采样时钟。AD9042采样后的结果通过并行的数据线输出给数字下变频器AD6620。AD6620的时钟由AD9042提供。

中频处理部分

该部分的主要功能模块有：抗混叠滤波器SAW851547、ADC (AD9042)、数字下变频芯片(AD6620)等。其中AD9042在单一的+5V电源下工作，可以对双极性模拟信号进行数字化处理；其具有模数转换所需的全部功能，且片内含有跟踪保持电路和参考电压。为了获得可能的动态范围，还需要选择能驱动AD9042的放大器,如AD9631等。

可编程数字下变频器AD6620主要包括4个信号处理模块：一个频率变换器、两个数据抽取滤波器(CIC2和CIC5)和一个可编程滤波器。它的主要功能是提取窄带信号并把它转换到基带，并以并行方式输出。首先，输入中频数字信号与正交本振信号相乘下混频，然后I、 Q两路信号分别经过高抽取滤波器CIC2和CIC5, FIR滤波后，经过输出数据模式转换后输出。

系统逻辑控制及初始化

该部分主要完成系统的控制逻辑以及对AD6620的初始化。在系统正常工作前，需要将大量的数据写入AD6620的控制寄存器和RAM，对其进行初始化，可以用FPGA或DSP实现。本系统选用了FPGA+PROM模式。FPGA选用了Xilinx公司Spartan-II系列的XC2S30。

下面主要就AD6620的一些重要参数的初始化设置进行讨论。

1. NCO频率值的设定

NCO的频率可由下式决定：

???? (1)

式中，mod()的作用是取操作数的小数部分；fCH为信号的中心频率；fSAMP为ADC的采样速率。根据系统的要求，系统输入信号的中心频率fCH=70MHz，信息带宽BW=2.048 MHz，选定ADC的采样率fSAMP = 40.96MHz，由(1)式可得NCO_FREQ的二进制表示为：10101100110111010010101 011000000，结果存在地址为303H的NCO频率字寄存器中。

2. 各级抽取因子的选择

AD6620的抽取率由3级组成：积分梳状抽取滤波器CIC2(抽取范围2~16)、CIC5(抽取范围1~32)和可编系数抽取滤波器RCF(抽取范围1~32)。设系统总抽取因子为Msys，则

??? (2)

式中，MCIC2、MCIC5和MRCF分别表示CIC2、CIC5和RCF的抽取系数。在应用中，各级抽取因子的选取还应充分考虑到各级抽取滤波器的特性和相互之间的制约关系。

在本设计中，AD6620需将40.96Mbps的数据率降至4.096Mbps，总的抽取因子为10。因此选定MCIC2=5，MCIC5=1，MRCF=2。

3. RCF滤波器系数的设定

ADI公司针对AD6620提供了一套对RCF系数进行计算和仿真的软件fltrdsn，在采样率fSAMP、抽取率MCIC2、MCIC5、MRCF及通带、阻带特性确定的情况下,通过fltrdsn可以很方便地计算出满足要求的RCF的阶数NTAPS及单位冲激响应h(n)(n=0~NTAPS-1)。将NTAPS和h(n)分别写入地址为30C和000H~0FF(前NTAPS个)的寄存器中即可。

当各级寄存器值确定后，将其编程后的数据烧入PROM中，系统上电后，FPGA即可从PROM中数据到AD6620对其进行初始化。

DSP基带自适应处理模块

该部分采用浮点DSP芯片TMS320C6701。本设计中DSP主要对前端AD6620输出的基带信号中的窄带干扰进行抑制。其算法采用频域LMS算法，即利用FFT将信号变换到频域，再用LMS算法对窄带干扰进行自适应抑制。

FFT变换的阶数N取64。DSP通过MCBSP接收前端送来的基带采样数据，DMA将采样值传送到DSP内部指定的数据存储空间，当DMA传输完一帧(64个采样值)数据后，程序进入DMA中断服务程序执行频域LMS算法。因此，程序由两部分组成：主程序和DMA中断服务子程序。主程序主要完成变量的初始化以及MCBSP和DMA通道的配置。对于程序中需要使用到的变量，在主程序中均以全局变量的形式出现。这些全局变量有些在定义时已经赋了值，对于全局数组则在主程序中进行初始化。MCBSP口每接收一帧数据就触发DMA，使DMA把接收到的采样值传输到内存中，因此DMA的原地址寄存器的值就是MCBSP的接收寄存器的地址0x018C0000。本设计使用的FFT和IFFT函数均是TI公司提供的dsplib库中自带的函数。DMA中断是6701默认的中断之一，对应的中断号是INT8，因此主程序中就没有修改中断复用寄存器MUXL和MUXH。中断服务程序采用C语言编写，在中断服务程序中调用其他子程序。

本设计中FFT变换的阶数N=64时，中断服务程序运行需要2400多个周期，TMS320C6701的时钟周期是6.7ns，运行整个中断服务程序耗时16?s左右，如果采样周期为1MHz，程序可以满足实时性要求。

图2是仿真系统产生的加入了7个不同类型窄带干扰以及白噪声的中频信号和经过自适应抑制后的基带信号的功率谱。由图可知，无论对于何种类型的干扰，该自适应数字陷波器都能对其进行较好的抑制，抑制深度可达到30~40dB，实现了直接序列扩频通信系统中对多个强窄带干扰的自适应抑制。

结语

本文探讨了使用频域自适应滤波算法实现多窄带干扰抑制的数字陷波器的实现。仿真结果表明该陷波器能够对直接序列扩频通信系统中的多个不同类型窄带干扰进行有效抑制。

(陈行于吉涛谢胜利)