本发明涉及数字信号处理技术领域，尤其涉及一种基于脉冲采样的极简形式spwm数字生成系统及方法。
背景技术：
经典的spwm波形实现系统普遍采用正弦波与一个三角载波相比较的方法，根据比较方式的不同分为自然采样法、对称规则采样法、不对称规则采样法三种。这几种方法均需要产生三角载波和比较器，使模拟电路部分面积增大。水下通信电子设备低功耗、小体积的发展趋势要求我们在设计电路时必须在满足设计功能前提下，尽量减小电路板面积，尤其是在深水环境中，更换电源困难，小尺寸、低功耗成为必须考虑的因素。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中模拟电路面积尺寸较大，且功耗较高的缺陷，基于水下通信节点小体积、低功耗设计趋势，提供一种基于脉冲采样的极简形式spwm数字生成系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于脉冲采样的极简形式spwm数字生成系统，该系统通过dsp硬件平台的软件控制流程，实现基于脉冲采样点的spwm波生成算法，该算法通过采用与spwm波同频率的采样脉冲对模拟信号进行采样，以当前的采样值为标准计算spwm波占空比，实现spwm波的生成。
进一步地，本发明的该系统包括以下单元：
发射信号波形生成单元，用于在dsp内部生成所需要的发送信号的离散形式，确定发送数据所需要的具体格式；
spwm占空比计算单元，用于根据信号形式及功率放大系统的发射性能选择合适的占空比范围和spwm波频率，并采用基于脉冲采样点的spwm波生成算法计算占空比数据；
定时器轮询单元，用于将dsp内部定时器配置为循环计数模式，通过轮询的方式查询定时器当前值，以此判断spwm是否发送完一个整周期；
gpio逻辑控制单元，用于根据系统外设差异，制定gpio逻辑判定准则，通过比较定时器当前值与占空比数据的幅度大小，决定gpio输出电平及持续时间。
进一步地，本发明的该系统中基于脉冲采样点的spwm波生成算法的实现方法具体为：
通过与spwm波同频率的采样脉冲对模拟信号进行采样，以当前的采样值为标准计算spwm波占空比，占空比简易计算公式：
其中，d为占空比，s为信号当前采样值，p为spwm波周期。
本发明提供一种基于脉冲采样的极简形式spwm数字生成方法，该方法包括以下步骤：
s1、发射信号波形生成：在dsp内部生成所需要的发送信号的离散形式，确定发送数据所需要的具体格式；
s2、spwm占空比计算：根据信号形式及功率放大系统的发射性能选择合适的占空比范围和spwm波频率，并采用采样点法计算占空比数据；
s3、定时器轮询：dsp内部定时器配置为循环计数模式，通过轮询的方式查询定时器当前值，以此判断spwm是否发送完一个整周期；
s4、gpio逻辑控制：根据系统外设差异，制定gpio逻辑判定准则，通过比较定时器当前值与占空比数据的幅度大小，决定gpio输出电平及持续时间。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于脉冲采样的极简形式spwm数字生成系统及方法，模拟电路大面积缩减，减小产品体积；对算法进行优化，采用采样点法进行计算，计算量的增加在可接受范围内；对微处理器外设要求较低，仅需要一个定时器与可编程的gpio；电子芯片的减少使系统成本下降可观，功耗降低。相对于传统的三角波截取法，采样点法在优化算法的同时，信号频率成分损失和匹配滤波器检测能量损失只有2％左右。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是经典spwm调制信号生成系统
图2是截取法生成spwm原理示意图
图3是采样点法生成spwm原理示意图
图4是两种方法相关主峰值幅度对比；
图5是两种方法相关主峰值与第一旁瓣能量比；
图6是采样点法相对截取法相关峰值损失能量；
图7是匹配滤波器输出峰值与spwm频率、最小占空比的关系图；
图8是基于tms320c6748平台的极简spwm生成系统图；
图9是极简spwm生成系统软件控制流程图；
图10是示波器采集gpio输出波形细节；
图11是gpiospwm与截取法频谱对比；
图12是gpiospwm与截取法匹配滤波器输出对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的基于脉冲采样的极简形式spwm数字生成系统，该系统通过dsp硬件平台的软件控制流程，实现基于脉冲采样点的spwm波生成算法，该算法通过采用与spwm波同频率的采样脉冲对模拟信号进行采样，以当前的采样值为标准计算spwm波占空比，实现spwm波的生成。
本发明实施例中的dsp采用的是tms320c6748。该系统包括以下单元：
发射信号波形生成单元，用于在dsp内部生成所需要的发送信号的离散形式，确定发送数据所需要的具体格式；
spwm占空比计算单元，用于根据信号形式及功率放大系统的发射性能选择合适的占空比范围和spwm波频率，并采用基于脉冲采样点的spwm波生成算法计算占空比数据；
定时器轮询单元，用于将dsp内部定时器配置为循环计数模式，通过轮询的方式查询定时器当前值，以此判断spwm是否发送完一个整周期；
gpio逻辑控制单元，用于根据系统外设差异，制定gpio逻辑判定准则，通过比较定时器当前值与占空比数据的幅度大小，决定gpio输出电平及持续时间。
如图1所示，经典spwm调制信号生成系统主要由数字处理器、三角波发生器、比较器等部分组成。
在现有系统的基础上，为了减小运算环节和运算量，对现有spwm产生方法进行改进对比，方法示意图如图2、图3所示。
对改进前后的两种方法-截取法和采样点法，进行性能对比。如图4、图5、图6所示，可以看出，在最小占空比0～0.4范围内，两种方法产生的spwm波经过低通滤波后，均能通过匹配滤波器识别到相关峰；采样点法相对三角波截取法能量损失在2％左右，基本性能相当，用采样点法生成spwm波可行。相关峰峰值随最小占空比成反比关系，当最小占空比升高时，相关峰值随成比例下降。spwm波占空比愈趋向极值，功放电路输出波形愈差。根据功放的差异选择合适的最小占空比，在功放输出波形不畸变的前提下，使spwm信号能量损失尽量小。从结果上看，基于脉冲采样值的spwm波生成法是可以被实际应用的。
匹配滤波器的输出的相关峰值，可以看做是spwm波频率与最小占空比的函数：
pmatch＝f(fp,dmin)
其仿真结果如图7所示。从图7可以看出匹配滤波器输出峰值随最小占空比减小而增大，随spwm频率增大而增大。实际应用中可以根据功放电路的最小占空比和可接受的能量损失范围，选择合适的最小占空比和spwm波频率进行参数计算。
如图8所示，本发明系统结构是基于tms320c6748平台，将spwm生成工作转换为软件控制。软件控制流程如图9所示。
具体工作流程如下：
(1)发射信号波形生成
首先在dsp内部生成所需要的发送信号的离散形式，确定发送数据所需要的具体格式。
(2)spwm占空比计算
根据信号形式及功率放大系统的发射性能选择合适的占空比范围和spwm波频率，并采用采样点法计算占空比数据。
(3)定时器轮询
dsp内部定时器配置为循环计数模式，通过轮询的方式查询定时器当前值，以此判断spwm是否发送完一个整周期。
(4)gpio逻辑控制
根据系统外设差异，制定gpio逻辑判定准则，通过比较定时器当前值与占空比数据的幅度大小，决定gpio输出电平及持续时间。
基于脉冲采样点的spwm波生成算法设计如下：
这里简称“采样点法”，即以与spwm波同频率的采样脉冲对模拟信号进行采样，以当前的采样值为标准计算spwm波占空比。占空比简易计算公式：
其中，d为占空比，s为信号当前采样值，p为spwm波周期。
采样点法推导过程：
下面以线性调频(linearfrequencemodulation，lfm)信号为例对比两种方法。
lfm信号一般表达式：
其中a(t)为lfm信号包络；f0为lfm信号起始频率；
在数字处理过程中，将lfm信号时域表达式改写为离散形式：
其中，a(n)为信号包络；d与a(n)控制lfm信号的幅值与pwm最小占空比；fs为采样率；n＝fsτ，为信号总采样点数。
pwm波周期包含采样点数：
其中，fp为spwm波频率，即用fp频率的脉冲对lfm信号进行重采样得到采样值。
用lfm重采样值计算spwm占空比，需要将lfm信号幅值进行约束：
其中，dmin为最小占空比，由功放电路变压器输出状态决定，一般而言pwm波占空比愈趋于极值，功放输出波形愈差。由此约束可计算出a(n)与d的值。
最终得到spwm波占空比数据：
其中，nre为原始信号经过频率为fp脉冲采样的重采样点。
截取法与采样点法对lfm信号分别进行spwm调制后，通过低通滤波与匹配滤波，对匹配相关峰数据进行比较，得到两种方法的性能差异。
最小占空比定义为：
duty_spwm∈[dmin,1-dmin]
其中，duty_spwm表示spwm输出波形占空比范围，dmin为最小占空比。
基于上述方法、流程在dsp中进行实际实验，dspgpio采集波形如图10所示，gpiospwm与截取法频谱对比如图11所示，匹配滤波器输出对比如图12所示。实验结果表明，通过脉冲采样点法控制gpio模拟输出的spwm波与三角波截取法生成的spwm波均包含lfm完整的频率信息8k～12khz，且两者频谱基本重合，还原lfm信号频率成分的能力基本相当。两种方法匹配滤波器输出相关峰峰值均达到第一旁瓣的4.8倍，lfm信号能够很好地被匹配滤波器检测到。同时两种方法匹配滤波输出峰值基本重合，脉冲采样点法相对于三角波截取法的峰值能量损失为1.8％，能量损失控制良好。可得出结论，在spwm频率远大于信号频率的条件下，基于脉冲采样点生成spwm的方法能够替代三角波截取法，在实际应用中能够在数字处理器中快速实现。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。