一種基于FPGA的信道化接收機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

　　2．1 系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的時(shí)鐘由一個(gè)晶振產(chǎn)生，也可以由外部提供。本系統(tǒng)采用102．4 MHz的晶振。晶振需要同時(shí)給FPGA和AD6645提供時(shí)鐘，為了防止其驅(qū)動(dòng)力不足，設(shè)計(jì)中采用了CYPRESS公司的高速時(shí)鐘分配器件CY2309，而AD6645的時(shí)鐘輸入為差分(LVPECL)形式，倍頻器件ICS8735可以提供LVPECL電平的差分信號(hào)。所以晶振輸出的102．4 MHz時(shí)鐘首先通過時(shí)鐘分配器件CY2309將其分為5路，每路均與輸入相同，其中3路直接提供給3片FPGA，一路接到時(shí)鐘輸出接口，供下級(jí)板子使用，一路經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器件ICS8375轉(zhuǎn)為3路差分時(shí)鐘提供給3片AD6645作為采樣時(shí)鐘。由于CY 2309和ICS8375都是零延遲器件，這樣可以使多板之間保持時(shí)鐘同步，減小因延遲帶來(lái)的誤差。

　　2．2 AD采樣電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是AD6645(14位)，其最高采樣率為105 MS／s，在中頻為70 MHz時(shí)的SNR是73．5 dB，SFDR是89 dBc，模擬帶寬高達(dá)200 MHz。

　　AD采樣率為102．4 MS／s，采樣時(shí)鐘要求質(zhì)量高且相位噪聲低，如果時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)較大，信噪比容易惡化，很難保證有效采樣位數(shù)的精度。在布線時(shí)，應(yīng)保證從晶振到時(shí)鐘輸入腳距離盡量短并且在其周圍用地包圍起來(lái)，提供充分的最短回流路徑，采樣電路與其他數(shù)字電路盡量隔離。模數(shù)混合電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了分區(qū)不分割的方案，以提高系統(tǒng)的電磁兼容性。在整個(gè)采樣電路下應(yīng)大面積敷銅接地，以降低可能受到的電磁干擾，同時(shí)也可降低對(duì)其他電路的干擾。為了優(yōu)化性能，時(shí)鐘信號(hào)采用差分形式供給，要求交流耦合。

　　2．3 FPGA部分設(shè)計(jì)

　　FPGA器件選用了Altera公司StratixⅡ系列的EP2S60。StratixⅡ器件采用基于1．2V、90 nm的先進(jìn)的SRAM工業(yè)制造，功耗低。EP2S60F6 72有48 352個(gè)ALUT，等價(jià)LE60440個(gè)，2 544 192 bit RAM，18x18的乘法器144個(gè)，12個(gè)PLL。

　　FPGA配置器件選擇的是EPC16，采用同步并行配置方式(FPP)加載FPGA，用JTAG的方式可以給級(jí)聯(lián)的3片F(xiàn)PGA依次加載程序，也可以給EPC-I6加載程序。

　　3 FPGA內(nèi)部信道化模塊實(shí)現(xiàn)

　　基于多相濾波的信道化模塊是本系統(tǒng)的重點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)，多相濾波信道化結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3中分支上的信號(hào)xk(n)與輸入信號(hào)x(n)，以及分支濾波器Ek(n)與原型低通濾波器h0(n)之間的關(guān)系為：xk(n)=x(nD-k)，Ek(n)=h0(nD+k)k=0，1，…，D-1。所以，進(jìn)入分支上的數(shù)據(jù)與分支濾波器系數(shù)各是輸入信號(hào)和原型低通濾波器系數(shù)的延時(shí)抽取得來(lái)。分支濾波器的長(zhǎng)度定義為多相因子，本系統(tǒng)的多相因子為8。

　　多相濾波的原型低通濾波器由MATLAB產(chǎn)生，采用函數(shù)REMEZ優(yōu)化FIR濾波器估計(jì)算法，這里設(shè)計(jì)出來(lái)的濾波器通帶截止頻率為12．5 kHz，過渡帶寬為11 kHz，阻帶衰減為一100 dB。階數(shù)為16 383階。

　　圖3所示的基于多相濾波器組的高效信道化結(jié)構(gòu)，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)各個(gè)支路共用一個(gè)低通FIR濾波器，減小FPGA用于存儲(chǔ)系數(shù)的RAM資源；2)DFT可以用快速傅里葉變換FFT實(shí)現(xiàn)，提高計(jì)算效率；3)由于采用多相濾波結(jié)構(gòu)，計(jì)算量上極大地減少，可實(shí)現(xiàn)性增強(qiáng)。這些優(yōu)點(diǎn)為信道化結(jié)構(gòu)的工程實(shí)現(xiàn)提供很好途徑。