蔣璐遙

（華中科技大學，湖北 武漢 430070）

0 前言

近幾年，電子信息工程快速發(fā)展，越來越多“高精尖”電子信息工程技術(shù)產(chǎn)品被推出，為提升社會生活質(zhì)量、效率提供了動力。但是就我國當前電子信息工程的發(fā)展情況來說，電子信息工程起步時間較晚，與發(fā)達國家仍然存在較大的差距，現(xiàn)存問題較多。數(shù)字信號處理技術(shù)的應用可以提高電子信息工程的數(shù)據(jù)處理能力，保證電子信息工程目標實現(xiàn)過程可控，助力電子信息工程的發(fā)展。因此，探究數(shù)字信號處理技術(shù)在電子信息工程領(lǐng)域的應用具有非常重要的意義。

1 數(shù)字信號處理與電子信息工程

1.1 數(shù)字信號處理

數(shù)字信號處理是信號處理的子領(lǐng)域，特指使用計算機或?qū)I(yè)數(shù)字信號處理器執(zhí)行多種類型、多種形態(tài)的數(shù)字信號處理操作。相應數(shù)字信號均為表述空域、時域以及頻域內(nèi)連續(xù)變量樣本的系列數(shù)字，也是信息在物流層面的體現(xiàn)方式[1]。

1.2 電子信息工程

電子信息工程特指應用計算機、信息技術(shù)、電子技術(shù)以及通信技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)開展電子信息處理、電子信息控制的基礎(chǔ)，包括信息獲取與處理、電子設(shè)備與信息系統(tǒng)的應用與集成以及電子設(shè)備與信息系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)等方面[2]。

2 數(shù)字信號處理的架構(gòu)

2.1 電路

數(shù)字信號處理電路包括數(shù)字輸出層、鏈路層和處理器層3 個部分[3]。數(shù)字輸出層主要是對7 個電流、5 個電壓互感器的二次變換器進行合并，滿足全部現(xiàn)場一次信號向數(shù)字量串行輸出轉(zhuǎn)換的要求。由IEC 數(shù)字輸出協(xié)議可知，數(shù)字輸出層電流、電壓互感器的二次變換器連接方式為單相點對點；鏈路層主要選擇數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)完整且契合DL/T 634.5124—2009中FT3 格式的數(shù)據(jù)幀；處理器層主要是進行模擬變換器采樣后的數(shù)字信號處理。一般多路模擬變換器轉(zhuǎn)換用信號相同，當從地面低壓端向高壓端持續(xù)不間斷地發(fā)出脈沖信號時，低壓側(cè)數(shù)據(jù)輸出模式為串行，接收前需要將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)[4]。進而在緩沖器內(nèi)緩沖，保證機器在周期內(nèi)對數(shù)字信號進行實時處理。

2.2 軟件

由《IEC 61850 工程電能計量應用模型》（DL/T 1783—2017）標準可知，在數(shù)字信號處理程序運行過程中，需要以數(shù)字信號串并轉(zhuǎn)換為前提，將數(shù)據(jù)寫入高速緩存單元。同時，向互感器發(fā)送中斷信號，互感器響應后可以接收多路數(shù)據(jù)信號并讀取數(shù)據(jù)，讀取后將數(shù)據(jù)送入存儲單元內(nèi)。在存儲單元內(nèi)根據(jù)處理器層格式編碼，編碼內(nèi)容為電壓、額定電流、狀態(tài)碼以及延遲時間。同時，為每個數(shù)字信號傳輸通道配置1個先進先出緩存器。先進先出緩存器包括2 個等級，其中一個等級為讀口訪問，負責從源口將數(shù)據(jù)讀取到通道的先進先出緩存器；另外一個等級為寫口訪問，負責從通道的先進先出緩存器將數(shù)據(jù)寫入目標接口。

在數(shù)字信號處理過程中，數(shù)字低通濾波器是核心模塊，需要利用在時域內(nèi)直接求解卷積的手段，在數(shù)字信號處理軟件包內(nèi)求取濾波器系數(shù)。一般模擬變換器采樣頻率為320 Hz，每點字節(jié)長度為16 位，傳輸速率為256 kbit/s，通帶截止頻率為5.00 kHz，采樣頻率為16.00 kHz。在確定濾波器參數(shù)后，可以利用設(shè)計的數(shù)字低通濾波器將輸入信號、濾波器系數(shù)相乘后再相加，更新包括新的采樣在內(nèi)的全部信號緩沖器[5]。內(nèi)部循環(huán)重復“乘－累加”指令，輸出數(shù)字并存入輸出緩沖器內(nèi)。在下一次迭代中，系統(tǒng)指針將從首個分支開始，新輸入的采樣將取代信號緩沖器內(nèi)最“老舊”的采樣。

3 數(shù)字信號處理在電子信息工程領(lǐng)域的踐行

3.1 寬帶中的數(shù)字信號處理

寬帶在某種角度上指相對帶寬（信號寬帶、中心頻率比值超過1/4），在雷達領(lǐng)域、天線領(lǐng)域有較大的應用范圍。在雷達領(lǐng)域，寬帶數(shù)字處理技術(shù)主要是以精確復制的形式存儲頻域內(nèi)與信號相關(guān)的信息[6]。即在下頻域、中頻域轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，利用高速模擬變換器完成獲取信號、數(shù)字類型信號的轉(zhuǎn)換并存入高速存儲器內(nèi)。同時，對數(shù)據(jù)進行必要的干擾式調(diào)制；數(shù)字信號處理在天線領(lǐng)域主要是通過設(shè)計多波束圖、零點圖等方向圖，在方向圖內(nèi)分析線性陣列的相對帶寬。

在部分情況下，寬帶也指絕對帶寬，在電子對抗領(lǐng)域有較大的應用范圍。寬帶信息的應用離不開寬帶采集、數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)。前者的重點是寬帶數(shù)字管理，包括觀察數(shù)字、干擾數(shù)字2 個方面。在寬帶采集階段，需要根據(jù)奈奎斯特采樣定理，利用模擬變換器對中頻周邊輸入信號進行量化處理。模擬變換器采樣主要利用若干個并行的比較器離散化處理采集數(shù)據(jù)信號，模擬變換器位數(shù)是比較器個數(shù)的1/2。同時，為避免因信號產(chǎn)生頻率折疊而干擾寬帶樣本量化的精確性，整個過程需要控制樣本頻率是模擬變換器的輸入帶寬的2 倍，電子信息工程領(lǐng)域常用的方式是將采樣頻率設(shè)定為常規(guī)輸入帶寬的2.20～2.50 倍。在后續(xù)模擬變換器采樣頻率向高水平發(fā)展的背景下，瞬時輸入數(shù)字系統(tǒng)帶寬也將朝著高水平發(fā)展。此時，就需要利用級聯(lián)的方式解決模擬變換器硬件所存在的問題。例如，當比較器個數(shù)為256 個時，可以利用2 個4 位模擬變換器級聯(lián)，將比較器個數(shù)縮減為32 個（2×16）。

除高速模擬變換器采樣以外，還可以選擇光采樣。光采樣主要是將持續(xù)時間較短的光脈沖、采集的光信號相乘后進行光電轉(zhuǎn)換，獲得光脈沖響應對應的信號幅度。當前常用的方法為4 個8 位10 Gsps 光模擬變換器并行運算8 位40 Gsps的光模擬變換器。

3.2 電子設(shè)備故障診斷中的數(shù)字信號處理

在電子信息工程技術(shù)日趨成熟的背景下，電子設(shè)備工作原理日益復雜，集成度日益提升，發(fā)生故障風險的概率也急劇提升。但現(xiàn)有基于專家?guī)焯卣髌ヅ涞碾娮釉O(shè)備故障處理、基于粒子群優(yōu)化算法的電子設(shè)備故障處理以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡的電子設(shè)備故障診斷等方法并無法保證對設(shè)備故障變化特征的準確表述，且存在實時性差的問題，極易輸出錯誤的設(shè)備故障診斷結(jié)果。因此，可以引入數(shù)字信號處理技術(shù)對電子設(shè)備工作狀態(tài)信號進行實時采集，并對電子設(shè)備工作狀態(tài)信號進行去噪處理。在信號去噪后，從信號中提取電子設(shè)備故障特征向量，進而將電子設(shè)備故障特征向量視為極限學習機，結(jié)合極限學習參數(shù)的設(shè)定，構(gòu)建電子設(shè)備故障診斷模型，實現(xiàn)精準描述電子設(shè)備故障類型的目標，提高電子設(shè)備故障診斷的成功率，為電子設(shè)備故障處理提供支持。具體過程如圖1 所示。

圖1 電子設(shè)備故障診斷中數(shù)字信號流程

由圖1 可知，在利用數(shù)字信號處理技術(shù)收集電子設(shè)備數(shù)據(jù)時，需要利用傳感器實時采集、感知電子設(shè)備狀態(tài)信號。在完成電子設(shè)備狀態(tài)信號的采集工作后，需要利用數(shù)模轉(zhuǎn)換的方式將采集的電子設(shè)備信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并存入存儲單元，最終經(jīng)控制模塊輸出電子設(shè)備狀態(tài)信號。同時，由于電子設(shè)備工作狀態(tài)信號中存在噪聲，極易干擾后續(xù)的數(shù)據(jù)特征提取工作，因此，可以引入傅里葉變換方程對電子設(shè)備工作狀態(tài)信號進行噪聲去除處理，為電子設(shè)備工作狀態(tài)信號處理質(zhì)量的提升奠定基礎(chǔ)[7]。在部分情況下，也可以利用多項式擬合方法去除采集信號中存在的隨時間變化的趨勢項，如公式（1）所示。

式中：x（n）為長度為n的序列估值，n=1，2，3；M為多項式階次；CM（n）為去除采集信號中存在趨勢項，CM的選擇要與最小均方誤差準則相符。

在電子設(shè)備故障狀態(tài)特征提取環(huán)節(jié)，因為運行階段的機械設(shè)備狀態(tài)高度復雜，采集的有價值信號極易被多頻率成分的信號調(diào)制，單純依靠傅里葉變換以及多項式擬合并無法滿足故障精準診斷的要求，所以需要利用小波包分析算法，分解去除噪聲后的電子設(shè)備工作狀態(tài)信號。例如，某調(diào)制波形sin50°8×sin500°中存在500 Hz 的高頻成分，必須利用小波包分析法，將高頻成分濾除，如公式（2）所示。

式中：H{x（t）}為小波包分析后信號；x（τ）為高頻成分；t為時間；τ為常數(shù)。

通過在公式（2）中應用數(shù)字信號處理可以獲得1 個完整且無高頻成分的子帶信號包。

在獲得多個頻率不一、能量特征存在差異的子帶信號后，根據(jù)子帶信號頻率、能量特征會隨電子設(shè)備的故障狀況而升高的特征，可以設(shè)計電子設(shè)備故障診斷訓練樣本，經(jīng)拉格朗日函數(shù)或獨立分量分析進行求解，進而經(jīng)求仿真處理后獲得正確率高達95.00%的電子設(shè)備故障診斷輸出。以獨立分量分析為例，基于電子設(shè)備故障的線性混合模型如公式（3）所示。

式中：X為獲得信號觀測向量為m維零均值隨機觀測信號；A為m×n階矩陣；S為每個觀測分量的源信號，每個分量相互統(tǒng)計獨立，且含有1 個高斯分布。

基于S中每個分量相互統(tǒng)計獨立特性，可以在系數(shù)矩陣A、源信號S不明的情況下，尋找分解矩陣（A的逆矩陣）W，如公式（4）所示。

式中：Y為變換后的輸出分量，是源信號S的估計。

在公式（4）中，可以增設(shè)約束條件，設(shè)定幅值為1，采樣頻率與信號頻率相等，通過在1 個周期內(nèi)多次重復，可以獲得相位角的最佳匹配，形成系統(tǒng)內(nèi)部對電子設(shè)備故障信號的響應模型，為模擬源信號的最佳匹配提供支持。

3.3 短波通信中的數(shù)字信號處理

短波通信是電子信息工程至關(guān)重要的部分，短波通信的實現(xiàn)離不開數(shù)字信號處理在信道數(shù)字化、音頻信號處理、傳真以及靜態(tài)圖像傳輸中的應用。在實際應用過程中，數(shù)字信號處理可以模擬短波通信前端射頻信號，借助中頻信號實現(xiàn)音頻信號輸出?；诋斍盁o線電子具有通信難度大、結(jié)構(gòu)復雜的特點，可以利用AD 變換器技術(shù)以及數(shù)字變頻技術(shù)等常用的數(shù)字信號處理方法，完成電子通信結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工作。在應用AD 變換器技術(shù)的過程中，可以綜合處理無線電短波通信階段部分關(guān)鍵信息，將短頻信號向中頻信號轉(zhuǎn)換，為無線電通信失真問題的解決提供依據(jù)。

由電磁場理論可知，信號輻射能力提升，信號頻率的平方值也提升，接收端接收信道在零頻周邊響應不佳，影響了基帶信號的遠距離傳輸，此時，就需要完成基帶信號與攜帶信息的高頻載波——頻帶信號的相互轉(zhuǎn)換，即調(diào)制、解調(diào)。當?shù)皖l信號為a（t）時，幅度調(diào)制信號為x（t）。如果a（t）恒定，則x（t）為相位調(diào)制信號，x（t）的Hilbert 變換過程如公式（5）所示。

式中：Ω1為數(shù)字信號接收端同步不佳時的角頻率；Δφ為相位。

當在短波通信中應用數(shù)字變頻技術(shù)時，由于短波通信主要負責語音傳輸，而人體聽覺器官對相位信息敏感度較低，因此在多數(shù)情況下僅需要完成幅值信息的提取任務。同時，鑒于幅值大小與數(shù)字信號接收端角頻率、相位無較大關(guān)系，可以經(jīng)信息變頻轉(zhuǎn)換，確?？梢皂樌?、高效率地完成無線通信任務。即以允許數(shù)字信號接收端載波、發(fā)送端載波存在較大差異為前提，促使公式（6）的通道信號可以順利經(jīng)過低通。同時，利用低檔接收機促使x（n）通過數(shù)字復載波下變頻、復低通濾波、實部與虛部處理操作，完成通道分離。

3.4 太赫茲高速通信中的數(shù)字信號處理

在電子信息工程領(lǐng)域，信息通信系統(tǒng)至關(guān)重要。在無線電子通信高速發(fā)展的過程中，現(xiàn)有頻譜資源匱乏態(tài)勢顯現(xiàn)，開發(fā)無線電子通信的新頻段成為解決這一問題的有效手段。太赫茲高速通信系統(tǒng)是近幾年發(fā)展較為迅速的通信系統(tǒng)。太赫茲波特指100.00 GHz～10.00 ×103GHz 的電磁波，處于傳統(tǒng)電子學、光子學研究頻段的特殊區(qū)位[8]。為了實現(xiàn)太赫茲通信，必須對數(shù)據(jù)信號進行處理。即利用矩陣并行化表示數(shù)字信號處理算法，進而基于矩陣張量積思想，以張量積表示兩級迭代并行濾波算法。將兩級迭代并行濾波算法分解后，獲得多級迭代的并行濾波算法，為提高系統(tǒng)應用的并行化率提供依據(jù)。一般利用多級迭代的并行濾波算法對5.00 Gbps的16.00QAM 信號進行32 路并行處理，可以促使誤碼率誤差小于0.05 dB。具體操作的核心是將以往待輸入串行序列進行“串行——并行”轉(zhuǎn)換?？紤]迭代并行濾波算法在實現(xiàn)2并行或者3 并行等并行路數(shù)處于較低水平的并行手段時，消耗的乘法器數(shù)量處于較大的數(shù)值，而乘法器硬件實現(xiàn)階段強運算的特征，也決定了極大的數(shù)字信號處理誤差。因此，可以在串行并行轉(zhuǎn)換以及并行輸出序列分解過程中進行并行序列的等效轉(zhuǎn)換，如公式（7）所示。

式中：H0、H0+H1以及H1為子濾波器；Y0、Y1為公式中的因變量；X0、X1為公式中的自變量。

整個后處理矩陣對應子濾波器的后延時模塊，通過迭代并行快速濾波算法的轉(zhuǎn)置變換可以盡可能減少太赫茲通信中硬件資源的使用量。對相對較高階并行情況下的數(shù)字信號處理來說，為避免轉(zhuǎn)置變換工作量過大導致的差錯，可以首先利用級聯(lián)處于較低水平的并行度n獲得n+1 個子濾波器，進而在子濾波器內(nèi)使用n+1 迭代并行快速濾波算法，經(jīng)級聯(lián)實現(xiàn)并行濾波的目標。

4 結(jié)語

綜上所述，數(shù)字信號處理是一種靈活穩(wěn)定、可重復的技術(shù)。通過在電子信息工程中應用數(shù)字信號處理技術(shù)可以在提高電子信息工程開展效率的同時及時發(fā)現(xiàn)局部或整體故障，保障電子信息工程的安全。因此，根據(jù)電子信息工程領(lǐng)域太赫茲高速通信、無線短波通信以及電子設(shè)備故障診斷的要求，可以在硬件電路優(yōu)化設(shè)置的基礎(chǔ)上，恰當利用迭代并行快速濾波算法、小波包分析算法等數(shù)字信號處理算法，進一步推動電子信息工程的發(fā)展。