FPGA在數(shù)字式頻分多路副載波解調(diào)器中的應(yīng)用

摘要：提出了一種基于FPGA的數(shù)字式頻分多路遙測系統(tǒng)副載波解調(diào)器的設(shè)計方案。詳細(xì)論述了如何利用FPGA的特點來解決多路調(diào)頻信號的解調(diào)問題。這種解調(diào)器容易和計算機相結(jié)合形成數(shù)字式FM-FM遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以適應(yīng)現(xiàn)代遙測技術(shù)的發(fā)展需要。

關(guān)鍵詞：FPGA 遙測 時分復(fù)用 解調(diào)器

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和微型計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機化已經(jīng)成為遙測技術(shù)發(fā)展的方向和特征。傳統(tǒng)的模擬式頻分多路遙測系統(tǒng)已越來越無法適應(yīng)現(xiàn)代遙測技術(shù)的發(fā)展。因為它具以下致命的缺點：（1）解調(diào)輸出的模擬信號無法直接供計算機處理和分析；（2）系統(tǒng)參數(shù)一旦設(shè)定，就無法改變，系統(tǒng)靈活性差。為了克服以上缺點，有必要對模擬式頻分多路遙測系統(tǒng)進行根本性的變革，研制新型的數(shù)字式頻分多路副載波解調(diào)器。

幸運的是，數(shù)字信號處理技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為我們設(shè)計數(shù)字式頻分多路副載波解調(diào)器提供了新思路和新方法。近幾年來，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）因其具有集成度高、處理速度快以及執(zhí)行效率高等優(yōu)點[1]，在數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。本文所提及的數(shù)字式頻分多路副載波解調(diào)器就是利用FPGA技術(shù)來實現(xiàn)的。

1 總體設(shè)計方案

設(shè)計的數(shù)字式頻分多路遙測系統(tǒng)副載波解調(diào)器是ITIG-CBW-E標(biāo)準(zhǔn)的，即通道中心頻率分別為128、256、384、512、640和768kHz，頻偏為32kHz，調(diào)制信號頻率范圍為100Hz～25kHz。

1.1 系統(tǒng)組成

該數(shù)字式頻分多路副載波解調(diào)器應(yīng)用了數(shù)字信號處理技術(shù)和頻譜搬移的思想，先將模擬調(diào)頻信號數(shù)字化，再對其進行數(shù)字式解調(diào)。解調(diào)后輸出的是數(shù)字信號，可以直接供數(shù)字化設(shè)備進行存儲和分析。另外，也可將該數(shù)字信號進行模擬重建，恢復(fù)出原始模擬信號。其組成框圖如圖1所示。

由圖1可見，數(shù)字式頻分多路載波解調(diào)器主要由模擬前端、數(shù)字解調(diào)器和模擬重建部分第三部分構(gòu)成。其中，模擬前端包括ACC電路、抗混迭濾波器及A/D變換器。

模擬前端作為模擬部分和數(shù)字部分的接口電路，主要完成多路調(diào)頻信號的預(yù)處理和A/D變換。模擬重建部分包括D/A變換器和平滑濾波器。它將解調(diào)后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。并放大到所需電平。

數(shù)字解調(diào)器是系統(tǒng)的核心。它由數(shù)字式分路濾波器、數(shù)字式鑒頻器以及數(shù)字式低通濾波器三部分構(gòu)成。它將完成多路調(diào)頻信號的分路濾波和解調(diào)任務(wù)。圖2給出了單路數(shù)字式解調(diào)器的數(shù)學(xué)模型。

由圖2可以看出，我們并沒有采用數(shù)字式鎖相環(huán)，而是采用數(shù)字信號處理（DSP）算法來實現(xiàn)解調(diào)。這種方案更適合用FPGA來實現(xiàn)。

1.2 硬件電路設(shè)計

為了便于調(diào)試，在進行硬件電路設(shè)計時，將數(shù)字解調(diào)器、A/D及D/A三部分分別放在不同的電路板上，通過雙排插頭進行連接。A/D變換器是依據(jù)數(shù)字解調(diào)器的采樣頻率和數(shù)據(jù)寬度進行選擇的。因數(shù)字解調(diào)器的采樣頻率為2.56kHz，數(shù)據(jù)位寬為8位，故選擇了易于調(diào)試的8位高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510。D/A變換器選用了Maxim公司的MX7545。而數(shù)字解調(diào)器選用了Altera公司的FLEX10K系列器件。利用MAX+plusⅡ進行硬件仿真時，單路數(shù)字解調(diào)器共需三塊FLEX10K50，且其利用率可達(dá)75%以上。若重復(fù)采用相同的方法進行多路信號的解調(diào)，必須會使硬件資源成倍增加。顯然，這是不經(jīng)濟和不可行的。因此，如何在不增加或少增加系統(tǒng)硬件規(guī)模的前提下，完成對多路信號的解調(diào)，則成為設(shè)計過程中要著重解決的關(guān)鍵問題。

2 關(guān)鍵技術(shù)

為了在盡可能節(jié)省系統(tǒng)資源的前提下，完成多路信號的解調(diào)任務(wù)，采用了時分復(fù)用的方法。利用FPGA實現(xiàn)數(shù)字式解調(diào)器，具備了時分復(fù)用的條件。

一方面，采用的FPGA其處理數(shù)據(jù)的速度可達(dá)100MSPS，而本系統(tǒng)采樣率為2.56MHz，即要求處理速度為2.56MSPS，所以從理論上說，利用它同時處理30路以上的信號是有可能的?？紤] 到實際系統(tǒng)不可能工作在最大處理速度下，假定只能達(dá)到最大速度的1/3，則采用時分復(fù)用后，至少也能同時處理10路以上的信號。

另一方面，由于每一路分路濾波器（包括同相支路和正交支路）都采用64階FIR低通濾波器，其帶寬、過渡帶帶寬和阻帶衰減完全相同，也就是說沖激響應(yīng)完全相同，所以構(gòu)成FIR濾波器的矢量乘法器可以重復(fù)利用。每一路輸出低通濾波器也都具有相同的電路結(jié)構(gòu)。在原理上，它與分路濾器完全相同，因此這里只以分路濾波器為例進行討論。FIR濾波器主要由移位寄存器、相加器及矢量乘法器構(gòu)成[2]，其中矢量乘法在FIR濾波器中占用了大部分硬件資源。因此，節(jié)省矢量乘法器，便可以節(jié)省系統(tǒng)資源。由此可見，時分復(fù)用的實質(zhì)是指矢量乘法器的時分復(fù)用。

下面以實例說時分復(fù)用的實現(xiàn)方法。

為討論方便，假定FIR濾波器的階數(shù)為8階，時分復(fù)用的路數(shù)k=2。設(shè)FIR濾波器的沖源響應(yīng)為h（n），第一路輸入信號為x1(n)，第二路輸入信號為x2(n)，濾波器的作頻率為2倍輸入數(shù)據(jù)率。兩路信號經(jīng)復(fù)合器形成組合信號，其時序如圖3所示。

由圖3可以看出，復(fù)合器輸出的組合信號實際上是將第一路信號和第二路信號進行了交織，在奇數(shù)時刻出現(xiàn)的為第一路信號，在偶數(shù)時刻出現(xiàn)的為第二路信號。為使同一路信號同時從移位相加器中輸出到矢量乘法器，必須保證在奇數(shù)時刻移位相加器輸出的信號都為第一路信號，而偶數(shù)時刻輸出的信號都為第二路信號。此外還要保證兩路數(shù)據(jù)都能夠在時鐘的控制下順序移位。為了滿足上述條件，設(shè)計了兩路信號復(fù)用的FIR濾波器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

該濾波器只是在8階FIR濾波器的基礎(chǔ)上增加了8個移位寄存器[3]，正是這8個移位寄存器使得矢量乘法器計算第一路信號時，第二路信號得以緩存；而在下一時刻到來時，才將和二路信號輸出給矢量乘法器。這樣就完成了兩路信號的同時濾波。濾波后的信號仍以交織的形式輸出，可利用分路器將它們分開。

同理，如果同時進行k路濾波，則濾波器中移位寄存器的個數(shù)將是單路FIR濾波器中移位寄存器個數(shù)的k倍。即假定FIR濾波器的階數(shù)為N，則單路濾波器需要移位寄存器的個數(shù)為N，K路濾波器需要的移位寄存器個數(shù)為k·N。

另外，值得注意的是：采用時分復(fù)用方法后，整個系統(tǒng)就工作于不同的時鐘頻率下。假定系統(tǒng)采樣頻率為fs，進行時分復(fù)用后同時處理k路信號，則非時分復(fù)用部分的時鐘頻率為fs，時分復(fù)和部分的時鐘頻率為k·fs為使系統(tǒng)能夠正常工作，還要在系統(tǒng)中加上時鐘和控制電路，以控制系統(tǒng)的時鐘和同步。圖5給出了分路濾波器的時分復(fù)用框圖。

利用MAX+plusⅡ?qū)陕沸盘枏?fù)用濾波器的AHDL源代碼進行編譯，發(fā)現(xiàn)兩路信號復(fù)用港督波器比單路濾波器多用的硬件資源不到單路硬件資源的20%。所以說，利用時分復(fù)用的方法達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

這種基于FPGA的數(shù)字式解調(diào)器的優(yōu)點是容易和計算機相結(jié)合形成數(shù)字式FM-FM遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。一方面，遙測數(shù)據(jù)可以傳送給計算機，進行存儲、分析和顯示；另一方面，計算機也可以給數(shù)字式解調(diào)器加載不同的程序，以改變解調(diào)器的參數(shù)設(shè)置，使之適合于IRIG的全部標(biāo)準(zhǔn)。

但是，該數(shù)字式解調(diào)器仍有其不足之處，即運算精度不夠高，因為利用FPGA難以進行浮點運算。如果濾波器用FPGA實現(xiàn)，數(shù)據(jù)寬度取12bit,鑒頻器用DSP實現(xiàn)，采用浮點運算，則系統(tǒng)精度必會得到改善，但付出的代價是系統(tǒng)復(fù)雜度增加。