基于DSP的過采樣技術的應用

  1　引言

　　模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換通常是數(shù)字信號處理應用中的第一步，依據(jù)應用的不同，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）也有不同的要求，衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最重要的標準是它的轉(zhuǎn)換速率、分辨率和精度。因此，使用過采樣技術，再加上適當?shù)臄?shù)字濾波和抽取，就可以得到比原有的ADC更高的分辨率。

　　在數(shù)字信號處理器（DSP）中應用過采樣技術需要快速ADC以非?？斓乃俣葋聿蓸幽M信號，并且需要快速DSP來執(zhí)行數(shù)字低通濾波和抽取。TI公司出品的DSP芯片TMS320LF2407采用3.3V供電，30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短至33ns，內(nèi)置有10位的AD轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為500ns，這些為在DSP中應用過采樣技術創(chuàng)造了條件。

　　2　過采樣降低對模擬抗混疊濾波器的限制

　　在采樣過程中首要的問題是采樣頻率的選擇，NyquiST采樣定理指出：若連續(xù)信號x（t）是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為fc，對x（t）采樣時，若保證采樣頻率fs≥2fc，那么，就可由采樣信號恢復出x（t）。在實際對x（t）作采樣時，首先要了解x（t）的最高截止頻率fc，以確定應選取的采樣頻率fs。若x（t）不是有限帶寬的，在采樣前應使用抗混疊（anti－aliasing）濾波器對x（t）作模擬濾波，以去掉f＞fc的高頻成分。

　　因此，在AD轉(zhuǎn)換前就需要模擬低通濾波器具有尖銳的滾降特性，來限制模擬信號的頻譜。一個理想的濾波器應能讓所有低于fs／2的頻率通過，而完全阻隔掉所有大于fs／2的頻率。通常，濾波器和采樣頻率的選擇是將我們感興趣的頻帶限制在DC和fs／2之間。

　　用更高的采樣頻率可以降低對低通濾波器的限制，圖1所示為以2倍的原采樣頻率對模擬信號進行采樣，在這種情況下，濾波器的截頻為fs／2，阻帶的起始頻率為fs，這樣就可以讓所有我們感興趣的頻率通過，而抑制掉所有高于fs的頻率。但這樣做違反了Nyquist采樣定理，所以還需要用ADC后的數(shù)字濾波器來將信號的頻率限制到fs／2以下。采用了過采樣后的這種抗混迭濾波器可以得到簡化，允許的通帶到阻帶的過渡區(qū)很寬。

　　3　過采樣提高信噪比

　　經(jīng)模擬濾波后，模擬信號被采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，因為數(shù)字域僅包含有限的字長，若要用它來表示連續(xù)信號，就要引入量化誤差，最大量化誤差為±0.5LSB。因為一個N位的ADC的輸入范圍被分成2N個離散的數(shù)值，每一個數(shù)值由一個N位的二進制數(shù)表示，所以，ADC的輸入范圍和字長N是最大量化誤差的一個直接表示，也是分辨率的一個直接表示。代表數(shù)字值的字長決定了信噪比，因此通過增加信噪比可以增加轉(zhuǎn)換的分辨率。加入三角波信號可提高信噪比（詳見TI公司的資料：Oversampling techniques Using theTMS320C24x Family，June 1998）。

　　如果輸入信號在兩個量化步長q1與q0之間，則它將被量化成q1或q0。當增加一個適當?shù)娜遣ㄐ盘?，并高速采樣，將會量化出一系列的q1與q0，這兩個值出現(xiàn)的比例就代表了此輸入信號在兩個量化步長之間的相對位置。要應用這種方法得到比較好的效果，三角波信號的幅度必須為（n＋0.5）LSB，其中，n＝0，1，2，…

　　因為有了高采樣速率，輸入信號的變化相對來說比較緩慢，圖2中，輸入信號為0.6 LSB，一個典型的AD轉(zhuǎn)換器將采樣這個信號并把它轉(zhuǎn)換成1 LSB。當用一個三角波信號與此輸入信號進行疊加，并高速采樣時，轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一系列的0或1采樣值。0和1出現(xiàn)的比例就表示了這個在0和1 LSB之間的實際值。[!--empirenews.page--]

　　圖2中的采樣因子K為16，采樣值為0.563，得到了比原轉(zhuǎn)換結(jié)果更小的量化誤差。使用三角波調(diào)制過采樣技術所增加的信噪比可以表示為：

　　用該法產(chǎn)生的信噪比和分辨率的增加見表1。

　　使用增加三角波信號的過采樣每加一倍過采樣速率，就可以增加6 dB的分辨率。然而這種方法需要輸入信號與三角波信號不相關，如果不能做到這一點，那信號在一個過采樣周期內(nèi)變化不能超過±0.5 LSB。

　　4　用TMS320LF2407來實現(xiàn)過采樣

　　圖3為利用TMS320LF2407來實現(xiàn)過采樣，虛線框部分都可以用LF2407來實現(xiàn)。PWM信號輸出可以用來產(chǎn)生三角波信號，數(shù)字濾波和抽取用軟件來實現(xiàn)。

　　圖4為三角波信號產(chǎn)生以及與輸入信號疊加的電路圖。PWM信號的占空比在0和100％之間。R3和C1作為積分器產(chǎn)生一個0到3V之間的三角波信號輸入到運放。輸出信號連至ADC的輸入。

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　　5　過采樣的軟件實現(xiàn)

　　實現(xiàn)過采樣的DSP軟件包括以下6個主要模塊。

　　5.1　外設初始化

　　采用EVA模塊的TIMER1來啟動ADC轉(zhuǎn)換并且提供PWM輸出，TIMER1工作于連續(xù)增計數(shù)模式，周期寄存器的值等于AD轉(zhuǎn)換速率，由周期匹配事件來啟動AD轉(zhuǎn)換。

　　5.2　三角波信號產(chǎn)生

　　由前面論述可知，三角波信號由PWM信號產(chǎn)生，PWM信號的占空比由編程TIMER1的比較寄存器（T1CMPR）決定。為了得到三角波信號，T1CMPR中的值需要由某一步長（STEP）來不斷地增加和減少，而這一步長由定時器周期寄存器（T1PR）和過采樣因子（K）決定，其計算公式如下：

　　用一標志（FLAG）表示三角波的上升或下降，它用來決定比較寄存器中的值被STEP增加還是減少了。CURRENT代表當前定時器比較寄存器中的值。用軟件改變PWM占空比的流程如圖5所示。

　　5.3　數(shù)據(jù)采集

　　AD轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷，在中斷服務子程序中讀出每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，作為數(shù)字低通濾波的輸入。

　　5.4　數(shù)字濾波

　　采用FIR結(jié)構(gòu)的滑動平均濾波器（MovingAverage Filter），滑動平均濾波器的Z變換為：

　　從輸入xi計算輸出yi的表達式為：

　　5.5　抽取

　　抽取過程將以K倍來降低最后的數(shù)據(jù)率。一般來說，抽取操作是和數(shù)字濾波結(jié)合在一起的，即，只需在數(shù)字濾波中計算每K個輸出值。

　　5.6　中斷服務程序

　　在中斷服務程序中執(zhí)行以下幾個操作：調(diào)整PWM占空比、讀出AD轉(zhuǎn)換值、數(shù)字濾波（其中包括抽?。?。

　　6　結(jié)語

　　隨著DSP在各種信號處理領域中的廣泛應用，過采樣技術在其中的應用也將日益廣泛，因此，如何進一步發(fā)展利用過采樣技術，也將值得觀望。