基于DSP+FPGA平台的PSM 数字调制器设计浅析

摘 要

调制器是大功率PSM短波发射机的“心脏”，调制器的设计水平也直接决定着整部发射机的技术水平。本文对其软硬件的设计方案进行了分析并对未来数字调制器的发展前景进行了展望。

【关键词】调制器 音频处理算法 DSP+FPGA

1 引言

PSM短波发射机调制器是大功率PSM短波发射机的“心脏”，整部发射机的技术水平先进与否也直接取决于调制器的设计水平。

我国目前大功率短波发射机使用的调制器基本上还是仿70年代美国大陆公司调制器的设计原理设计的，受当时整体条件的局限，其无论在设计原理上还是设计理念上都已经比较落后。在IT技术飞速发速的今天看来，无线广播发送设备软硬件的集成化、数字化已是未来发展的趋势。

2 数字调制器设计简介

PSM短波发射机数字调制器软硬件设计先进：软件上大量使用了数字信号处理技术，硬件上则使用了计算能力、处理速度最强大的DSP+FPGA硬件平台，用软件的方法实现PSM型短波发射机数字调制器的功能，使其功能模式更加丰富，工作效率也有了显著提高。由现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）组合而成的实时信号处理系统具有处理大数据量的能力，DSP+FPGA结构最大的特点是结构灵活，适于模块化设计，适合于实时信号处理，能够提高算法效率。实时信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用FPGA进行硬件实现。而高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。

通过软件设置后，本调制器可以直接应用在100KW、150KW及500KW等我国目前在用的主流短波发射机上，其高速稳定的硬件平台和先进的数字音频补偿算法保证整机的关键指标有了突破性的提高，使国产短波发射机指标可媲美代表目前世界最高水平的TSW2500型发射机。

3 数字调制器音频算法分析

PSM短波发射机数字调制器的核心技术在于其采用了先进的音频处理算法，该方案依托高效的DSP+FPGA的组合硬件平台和先进的数字信号处理技术得到了完美实现。

图1描述的是PSM系统音频采样过程，正弦波代表音频信号，横坐标表示的是采样点，纵坐标表示幅度量化台阶电压（一个台阶代表开启一路700伏功率模块）。由图1可知目前PSM机型中700伏的功率模块是固定为48个的（目前大部分PSM机型功率模块均为48块），也就是说纵坐标幅度最大为0-48，PSM发射机后端功率模块要求相邻两次采样点对应的纵坐标量化份数最大步进为1，由图1可推算出采样频率至少为音频信号的96倍过采样。如果音频信号在7K赫兹范围内，则采样率需要96*7K=672K，而目前最快的音频AD转换器件的采样频率也在200K以内，所以单纯依靠硬件无法实现理想的音频采样，想要满足要求其音频处理算法只能通过内插和数字滤波技术来提高采样频率。在本方案中的实现方法如下：为了达到（或超过）672K的采样频率，在这里选用了一款高采样率的AD器件（CS5361，其采样率为96K），采样后的样点值输入到DSP内进行8倍（可调）内插处理，通过内插处理后，音频采样率提高为768K（96*8），完全达到系统要求。而由于内插处理造成的信息在频域里的混叠，则需要通过数字滤波技术进行滤波处理。经过上述内插、滤波处理过的音频信号已经完全可以满足相邻两次采样点对应的纵坐标量化份数最大步进为1的要求，即对大台阶电压的分辨率，但是由于此时台阶数相等，对于落在同一台阶内的两次采样，如果不加任何特殊处理，发射机功率模块的开关动作将无法描述出真实的音频信号，这样将会产生对发射机的音频指标产生很大的影响。如图2所示，通过在前文中所述实现大台阶处理的基础上增加了基于面积相等的补偿算法，完美解决了这个问题。图2的三幅图基本说明了音频处理过程中的误差产生及其相应的补偿方法。图2中第一幅图是音频误差分析图，D1、D2是对一段音频信号的相邻两点采样值，该两点对应纵坐标的电压量化值都处于同一台阶U-U1之间，所有实际开启的大台阶高度仍然为U，如图2补偿前所示。

也就是说D1、D2出的采样值|D1D4|、|D2D3|由于没有达到一个量化大台阶电压高度U而没有被识别，这就是误差造成的原因，而D1、D2时间范围内的音频曲线与横坐标围成的面积就是误差面积，因为D1、D2时间极短，所以弧线D3D4可以认为是条直线，这样误差面积就可以定义为一梯形面积S梯形D1D2D3D4。误差面积可以准确计算后，再考虑相应的补偿面积，根据信号处理的采样理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果是基本相同的，冲量即指窄脉冲的面积。这样只要在误差产生的时间范围内产生另一块与其面积相等的冲量就可以对误差进行准确的补偿。如第一幅音频误差分析图所示，在两采样点 D1D2时间范围内取一段时间T1T2作为宽，大台阶量化电压U作为长构成的图示阴影部分矩形的面积就是构造补偿冲量，只要满足关系：

S梯形D1D2D3D4 = S矩形

而S梯形 =・T采 其中 d1 = |D1D4| d2 = |D2D3| TD1D2为采样时间间隔

S矩形 = U ・T补 其中U为大台阶量化电压，T补为补偿时间长度

所以有：・TD1D2 =U ・T补

T补 = ・T采 其中Um = 为两采样的平均值

因为Um取值范围在【0，U】，所以T补的范围在【0，T采】，理论上可以做到在采样T采时间内的任意宽度补偿冲量，在实际处理中把一定的采样时间分成64或者更多等份（可变），这样用来补偿的矩形面积就会在64种中间变化，T采对应的是内插后速度为768K的采样速率，64等份后就是大约50M的处理速率，算法本身要求时序严格对齐，因此仅有DSP硬件平台无法满足设计要求。而在DSP+FPGA组合硬件平台中，FPGA芯片可以胜任如此高速的信号处理。每一种补偿矩形面积（如图2中第三幅）其实对应的是开启一定时间的大台阶电压，而这64种时间变化不等的大台阶电压形成的冲量效果其实就相当于对大台阶量化电压U的64等分。补偿前大台阶电压量化进度U对应开启700V电压模块，则补偿后量化电压可以精确到11V，这样大台阶电压再加上脉冲补偿电压就可以更接近音频信号，减少了失真并大大改善了PSM发射机的音频处理性能。

4 总结

综上所述，基于数字系统DSP+FPGA硬件平台实现的PSM调制器具有极高的信号处理精度，用软件算法代替硬件实现的技术手段，显著的提高整机的性能指标，并增强了系统的稳定性，使得硬件系统更具数字化。其先进的设计理念和基于软件无线电的实现思想，比起模拟调制器具有诸多优点。可以预见，在不久的将来，PSM数字调制器将会完全取代模拟调制器装备到国内系列短波发射机上，加快我国无线广播行业数字化前进的步伐。

作者简介

张学兵 （1981-），男，河北省清河县人。大学本科学历。现为国家新闻出版广电总局2023台工程师。研究方向为广播发送技术。

作者单位

国家新闻出版广电总局2023台 海南省临高县 571800