基于DSP的过采样技术的应用
1 引言
模数（AD）转换通常是数字信号处理应用中的第一步，依据应用的不同，对模数转换器
转换器
转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备，它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上，让人们可以在电视上学电脑，上网，玩游戏，做商业演示，看股票等等。 [全文]
（ADC）也有不同的要求，衡量模数转换器模数转换器模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统，是一个滤波、采样保持和编码的过程。模拟信号经带限滤波，采样保持电路，变为阶梯外形信号，然后通过编码器，使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。 [全文]
的最重要的标准是它的转换速率、分辨率和精度。因此，使用过采样技术，再加上适当的数字滤波和抽取，就可以得到比原有的ADC更高的分辨率。 在数字信号处理器（DSPDSP
dsp是digital signal processor的简称，即数字信号处理器。它是用来完成实时信号处理的硬件平台，能够接受模拟信号将其转换成二进制的数字信号，并能进行一定形式的编辑，还具有可编程性。由于强大的数据处理能力和快捷的运行速度，dsp在信息科学领域发挥着越来越大的作用。 [全文]
）中应用过采样技术需要快速ADC以非常快的速度来采样模拟信号，并且需要快速DSP来执行数字低通滤波和抽取。TI公司出品的DSP芯片TMS320LF2407采纳3.3V供电，30MIPS的执行速度使得指令周期缩短至33ns，内置有10位的AD转换器，最小转换时间为500ns，这些为在DSP中应用过采样技术制造了条件。 2 过采样降低对模拟抗混叠滤波器 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信装备和各类操纵系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最复杂要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 [全文]滤波器
在采样过程中首要的问题是采样频率的选择，NyquiST采样定理指出：若连续信号x（t）是有限带宽的，其频谱的最高频率为fc，对x（t）采样时，若保证采样频率fs≥2fc，那么，就可由采样信号恢复出x（t）。在实际对x（t）作采样时，首先要了解x（t）的最高截止频率fc，以确定应选取的采样频率fs。若x（t）不是有限带宽的，在采样前应使用抗混叠（anti－aliasing）滤波器对x（t）作模拟滤波，以去掉f＞fc的高频成分。
因此，在AD转换前就需要模拟低通滤波器低通滤波器
低通滤波器是指车载功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的中音和高音成分，增强低音成分以驱动扬声器的低音单元。由于车载功放大部分都是全频段功放，通常采纳AB 类放大设计，功率损耗比较大，所以滤除低频段的信号，只推动中高频扬声器是节省功率、保证音质的最佳选择。此外高通滤波器经常和低通滤波器成对出现，不论哪一种，都是为了把一定的声音频率送到应该去的单元。 [全文]
具有尖锐的滚降特性，来限制模拟信号的频谱。一个理想的滤波器应能让所有低于fs／2的频率通过，而完全阻隔掉所有大于fs／2的频率。通常，滤波器和采样频率的选择是将我们感爱好的频带限制在DC和fs／2之间。用更高的采样频率可以降低对低通滤波器的限制，图1所示为以2倍的原采样频率对模拟信号进行采样，在这种情况下，滤波器的截频为fs／2，阻带的起始频率为fs，这样就可以让所有我们感爱好的频率通过，而抑制掉所有高于fs的频率。但这样做违反了Nyquist采样定理，所以还需要用ADC后的数字滤波器来将信号的频率限制到fs／2以下。采纳了过采样后的这种抗混迭滤波器可以得到简化，同意的通带到阻带的过渡区很宽。
3 过采样提高信噪比
经模拟滤波后，模拟信号被采样并转换成数字值，因为数字域仅包含有限的字长，若要用它来表示连续信号，就要引入量化误差，最大量化误差为±0.5LSB。因为一个N位的ADC的输入范围被分成2N个离散的数值，每一个数值由一个N位的二进制数表示，所以，ADC的输入范围和字长N是最大量化误差的一个直接表示，也是分辨率的一个直接表示。代表数字值的字长决定了信噪比，因此通过增加信噪比可以增加转换的分辨率。加入三角波信号可提高信噪比（详见TI公司的资料：Oversampling techniques Using theTMS320C24x Family，June 1998）。
假如输入信号在两个量化步长q1与q0之间，则它将被量化成q1或q0。当增加一个适当的三角波信号，并高速采样，将会量化出一系列的q1与q0，这两个值出现的比例就代表了此输入信号在两个量化步长之间的相对位置。要应用这种方法得到比较好的效果，三角波信号的幅度必须为（n＋0.5）LSB，其中，n＝0，1，2，…
因为有了高采样速率，输入信号的变化相对来说比较缓慢，图2中，输入信号为0.6 LSB，一个典型的AD转换器将采样这个信号并把它转换成1 LSB。当用一个三角波信号与此输入信号进行叠加，并高速采样时，转换器产生一系列的0或1采样值。0和1出现的比例就表示了这个在0和1 LSB之间的实际值。
图2中的采样因子K为16，采样值为0.563，得到了比原转换结果更小的量化误差。使用三角波调制过采样技术所增加的信噪比可以表示为：
用该法产生的信噪比和分辨率的增加见表1。
使用增加三角波信号的过采样每加一倍过采样速率，就可以增加6 dB的分辨率。然而这种方法需要输入信号与三角波信号不相关，假如不能做到这一点，那信号在一个过采样周期内变化不能超过±0.5 LSB。
4 用TMS320LF2407来实现过采样
图3为利用TMS320LF2407来实现过采样，虚线框部分都可以用LF2407来实现。PWM信号输出可以用来产生三角波信号，数字滤波和抽取用软件来实现。
图4为三角波信号产生以及与输入信号叠加的电路图。PWM信号的占空比在0和100％之间。R3和C1作为积分器产生一个0到3V之间的三角波信号输入到运放。输出信号连至ADC的输入。
5 过采样的软件实现
实现过采样的DSP软件包括以下6个主要模块。
5.1 外设初始化
采纳EVA模块的TIMER1来启动ADC转换并且提供PWM输出，TIMER1工作于连续增计数模式，周期寄存器的值等于AD转换速率，由周期匹配事件来启动AD转换。
5.2 三角波信号产生
由前面论述可知，三角波信号由PWM信号产生，PWM信号的占空比由编程TIMER1的比较寄存器（T1CMPR）决定。为了得到三角波信号，T1CMPR中的值需要由某一步长（STEP）来不断地增加和减少，而这一步长由定时器定时器
定时器是装有时段或时刻操纵机构的开关装置。它有一个频率稳定的振荡源,通过齿轮传动或集成电路分频计数,当将时间累加到预置数值时，或指示到预置的时刻处，定时器即发送信号操纵执行机构。 [全文]
周期寄存器（T1PR）和过采样因子（K）决定，其计算公式如下：
用一标志（FLAG）表示三角波的上升或下降，它用来决定比较寄存器中的值被STEP增加还是减少了。CURRENT代表当前定时器比较寄存器中的值。用软件改变PWM占空比的流程如图5所示。
5.3 数据采集
AD转换完成后产生中断，在中断服务子程序中读出每次转换的结果，作为数字低通滤波的输入。
5.4 数字滤波
采纳FIR结构的滑动平均滤波器（MovingAverage Filter），滑动平均滤波器的Z变换为：
从输入xi计算输出yi的表达式为：
5.5 抽取
抽取过程将以K倍来降低最后的数据率。一般来说，抽取操作是和数字滤波结合在一起的，即，只需在数字滤波中计算每K个输出值。
5.6 中断服务程序
在中断服务程序中执行以下几个操作：调整PWM占空比、读出AD转换值、数字滤波（其中包括抽取）。
6 结语
随着DSP在各种信号处理领域中的广泛应用，过采样技术在其中的应用也将日益广泛，因此，如何进一步进展利用过采样技术，也将值得观望。
来源:alexe
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