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DSP FILTER 數位式訊號處理濾波器

No.30   1995 July   p54~57,   by 文伯詮 Frank Wen / KM2X (寄自美國紐約)



Fig 01
圖一:收集一枚正弦波的樣本。最上圖表示輸入訊號的波形,最下是該訊號在不同時間內的樣本的總和。

    自有無線電以來,妨害收聽最嚴重的份子計有三項,即噪音 (NOISE)、他台干擾 (QRM)、自然界的影響 (QRN),稱之為通訊三大害,真是名符其實。

    數十年來,有不少專家、學者、工程師,為要除此三害,絞盡腦汁,從研究電子在導線中流動時所產生的噪音,繼而改良收訊第一級高週波所用的電晶體和真空管內部的構造,與中間頻率 (IF)、成音頻率 (AF) 諸級間,加裝各式各樣的濾波器 (FILTER),特殊線路等,但效果都不大。直到最近,靠高科技之助,才得來一個革命性的突破。這便是本文所要介紹的「數位式訊號處理器」 (DSP, DIGITAL SIGNAL PROCESSING)。


工作原理

    簡單地說,DSP 的基本工作原理是將收訊機喇叭輸出端的成音音波 (AUDIO WAVE),予以數位化式處理 (DIGITAL PROCESSING),然後濾去不要的份子,最後才將有用的數位,還原成音波。

    數位處理的方法,是先將一個音波切截成很多小段,這每一小段便是一個「樣本」 (SAMPLE),見圖一。這便是所謂「取樣」或「樣本收集」 (SAMPLING)。樣本收集越多,越能代表該波形的真實性。一般情形,每秒鐘內收集數千個樣本;再將這些樣本逐個轉變成數位 (DIGITS);然後將這些數位輸送進入 DSP 機內,依指定的程式處理。

    DSP 能有此功能者,是因為它本身即是一具小型強力高速的電腦計算機,使用一枚特製的中央處理集成電晶片 (CPU CHIP)。表一是該晶片的品號和製造廠名稱。處理後的數位再還原成為音波,由喇叭放出。整個流程可由圖二簡單示意。

Fig 02
圖二:數位式訊號處理器 (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR, DSP) 工作流程圖。

Manufacturer DSP Chip Word Size (Bits)
Fixed Point
Analog Devices ADSP2100 series 16
Motorola DSP56000 series 32
Texax Instruments TMS320 16
 
Floating Point
Analog Devices ADSP21020 32
Motorola DSP96002 32
Texax Instruments TMS320 series 32
表一:中央處理集成電晶片 (CPU CHIP) 晶片的品號和製造廠名稱。



基本功能與優點

    DSP 的基本功能是它可以將背景噪音 (BACKGROUND NOISE) 壓低 20dB (有如自大叫大喊的聲音降至耳語的程度);以及可以很有效地自動追蹤,並消除因外差 (兩台干擾) 所產生的叫聲 (HETERODYNE TONES)。

    DSP 的另一優點是可以依照設計人或使用人的特殊需要功能,如波段的寬度 (BAND WIDTH)、高低通濾波器 (HIGH/LOW PASS FILTERS)、鑿型濾波器 (NOTCH FILTER)、自動增益調整 (AGC, AUTOMATIC GAIN CONTROL) 等特殊線路,加設在 DSP 機內,而且效果很顯著。

    鑒於 DSP 的功能一鳴驚人,因此,近日業餘市場上,如雨後春筍般,突然冒出很多不同廠商、不同型式的 DSP。有的自成單獨一座 (如圖三,略),可加接在現有的收訊機上。

    在收發兩用機上也有新的品種,如美國名牌 TEN-TEC 廠的 OMNI-VI 機、日本 KENWOOD 廠的 TS-95OSDX 機、ICOM 廠最新的 IC-775DSP 等,都在出廠前,在機內已安裝有 DSP;更有些廠出售零件組 (PARTS KIT),供喜歡自己動手的火腿們,自行裝配 (註一)。

    諸廠的 DSP,各有其優點,價格低的固然設計比較簡單,功能也有限;但是價格高的並不就此表示比較好。選擇 DSP 要做各人的需要和喜愛而定。綜合說來,DSP 的功能可包括:

Fig 04
圖四:DSP 的典型工作曲線。該曲線兩側的傾斜度近乎垂直,在曲線外邊的他台訊號即使能「潛」入工作波段寬度之內,其強度也被殺弱數十個 dB。

  1. 有效消除起因各異的噪雜音,收聽 SSB 談話,可直比當地 FM 中繼台的清淨度。
  2. 能將兩個互相交疊干擾的 SSB 訊號分開。
  3. 能將遠地微弱電台從強力電台的 QRM 中隔濾鉤出。可將近旁僅距離 75Hz 電波的強度壓下 -60dB,即一千倍!見圖四。
  4. 成音 (AUDIO) 部份的「中央」頻率可在 300~3500Hz 範圍內移動。聲波能通過的頻率寬度 (BAND WIDTH) 可由 30-2000Hz 範圍內,依需要而調整。
  5. 濾波器調窄到 30Hz 時,仍沒有其他型式濾波器所產生的惱人鈴聲 (RINGING)。
  6. 可加裝各項專用濾波器,以用於 SSB, AM, CW, PACKET, AMTOR, PACTOR, RTTY, SSTV, WeFAX, FAX 等通訊方式。
  7. 在成音部份,可加裝自動增益控制 (AGC, AUTOMATIC GAIN CONTROL)。在 QSB (訊號忽強忽弱) 的收聽情況下,非常有效。進來的訊號強弱相差甚至達到 18dB 之鉅,DSP 的 AGC 可有能力將成音的響亮度拉均勻,使收聽無困難。相差 18dB 的訊號,在收訊機的訊號強度表 (S-METER) 上是為三個 S 度 (每 S 度是 6dB)。相若於對方發射電力飄動於 3-100 瓦特之間 (每三個 dB,電力增加一倍)。



改變發話人的原音

    DSP 唯一的缺點是在 SSB 通話時,會將發話人的原音改變。這是因為濾波的關係。但是可以將談話的內容在無噪雜音及干擾的情形下,傳達給對方,所以這微小的失真損失是值得的。


趣聞三則

    本文既然談噪雜音,憶起真實故事二則和傳說一則。特誌於下,以娛我讀者。

    大約十年前,在業餘波段內,不時可聽到一個強大的木魚聲,西人稱之為「啄木鳥」 (WOODPECKER),聲震全球,妨害他人通訊,莫此為甚,令人恨之入骨。紛紛向 FCC (美國政府的電訊署) 與其他國家相同機構投訴,請求「捉拿」這不法的啄木鳥,經調查後得知,這是蘇聯的一個強大的雷達站所發出的電波。但蘇聯一秉強硬的習性,對 FCC 及其他各國的請求、投訴相應不理。FCC 束手無策,只得繼續挨打。

    這「篤、篤、篤」的木魚聲,聲聲打進耳鼓,有如挨打一般,極不好受。本文介紹的 DSP 消滅這類衝擊性的噪音,實是遊刃有餘。可惜發明得太遲;蘇聯解體後,這木魚聲也很少再聽聞。

    第二個故事是美國一位火腿,他的收訊機每隔數分鐘,便為一電氣火花的噪音所打擾。三番數次勘察家中以及四鄰的電冰箱、冷氣器、電鬍刀等等,甚至換了一台新的收訊機,也查不出噪音的來源。山窮水盡之際,有一天,這位火腿無意中查到病源。

    原來他的老祖母平日總坐在一張搖椅上,椅上放了數層毯子、椅墊之類;其中夾了一張尺餘見方的舊式電熱毯。老年人很喜用電毯,可舒解風濕等痛。老祖母插上電源後,也就忘了這回事,這電毯內的老式自動恆溫開關,在一開一關時所產生的火花,便是這噪音的來源。這位火腿做夢也沒想到,追蹤雜音,竟追到老祖母的搖椅上,亦奇聞也。

    殿後的一則傳說,完全是一個捏造的故事。有位總督大人的公子,博學多才,醉心科學,並深深愛上業餘無線電。每當這位公子 ON AIR 的時候,隨從的副官會派勤務兵,四出關照鄰近所有的理髮店、工廠等,不准使用吹風機、馬達等會產生火花的電器用具。

    這般正本清源式的雜音消除的方法,絕對保證有效,因為沒人膽敢去打擾這位少爺的玩興。據聞故事中的公子,於多年前移居美國,現在 QRT 中 (註二),希望能再度 ON AIR。

    註一:「德州儀器公司」 (TEXAS INSTRUMENTS) 有一入門零件組 (DSP STARTER KIT),價在 100 美元左右,「土山包封業餘無線電公司」 (TUCSON AMATEUR PACKET RADIO, INC.) 有 DSP-93 組件。

    註二:QRT 是關掉機器的意思。 SILENT KEY 是「靜止的鍵」,用於對逝去的火腿的一項尊敬、懷念的稱呼。每期美國業餘協會的月刊上,都有半頁刊登最近靜止的鍵。二者不可錯用。 END



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