基于FPGA的PCM-FM遙測中頻接收機設計與實現(xiàn)
摘要:本文設計實現(xiàn)了一款基于FPGA的PCM-FM遙測中頻接收機,在FPGA中實現(xiàn)遙測信號解調(diào)、位同步、幀同步等功能,系統(tǒng)碼速率、幀長、幀同步碼可靈活設置。接收機硬件結(jié)構(gòu)簡單,主要包括FPGA、ADC、電源轉(zhuǎn)換芯片、USB接口芯片等常用器件,可單板實現(xiàn),達到低成本、小型化設計要求。性能測試表明,中頻接收機滿足設計指標要求,目前該接收機已服務于多個項目。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/274756.htmPCM-FM遙測系統(tǒng)[1]在航空、航天等領域得到廣泛應用,國內(nèi)外遙測廠家均致力于高碼率、功能可擴展的遙測產(chǎn)品設計,多功能、通用化、小型化遙測接收系統(tǒng)應用需求越來越迫切,更小、更快、更靈活成為遙測接收技術(shù)的又一發(fā)展方向。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其是FPGA技術(shù)的發(fā)展,遙測中頻接收機小型化設計得以實現(xiàn)。本文設計了一款基于FPGA的PCM-FM遙測中頻接收機,實現(xiàn)70MHz中頻輸入PCM-FM遙測信號的下變頻、載波跟蹤、解調(diào)、位同步、幀同步,并最終通過USB接口將數(shù)據(jù)傳給計算機用以數(shù)據(jù)的存儲及分析,接收機碼速率、字長、幀長、幀同步碼等均可由上位機軟件通過USB接口進行設置,所有處理均在FPGA中完成,硬件電路僅由FPGA、AD、電源芯片、晶振等構(gòu)成,可單板實現(xiàn),達到小型化設計目的。
1 系統(tǒng)組成與工作原理
本文設計的PCM/FM遙測中頻接收機原理框圖如圖1所示。
由圖1可以看出,PCM/FM遙測中頻接收機主要包括A/D采樣、數(shù)字下變頻、鑒頻、位同步、幀同步及USB接口等功能模塊。70MHz中頻輸入信號經(jīng)40MHz帶通采樣送入FPGA進行處理,在FPGA中產(chǎn)生兩路正交信號對A/D采樣信號進行數(shù)字正交下變頻生成基帶I、Q信號,I、Q信號分別進行低通濾波后送入鑒頻模塊,通過叉積鑒頻完成解調(diào)得到PCM碼流,按上位機事先設置的碼速率、幀同步碼、幀長、時間碼等,依次完成PCM碼流的位同步、幀同步、時間碼合并,最后通過USB接口送入上位機進行遙測數(shù)據(jù)的存貯和處理。
2 系統(tǒng)詳細設計
2.1 數(shù)字下變頻與FM解調(diào)
數(shù)字下變頻與FM解調(diào)模塊主要包括數(shù)控振蕩器(NCO)、鑒頻器、環(huán)路濾波器的設計,數(shù)字控制振蕩器(NCO)是數(shù)字下變頻器(DDC)的重要組成部分,它的作用是產(chǎn)生正弦和余弦信號。正、余弦信號如(1)、(2)式所示:
(1)
(2)
式中,fL0為NCO頻率;fs為輸入信號的采樣頻率。由于設計采用帶通采樣,信號頻譜發(fā)生搬移。當fs=40MHz時,經(jīng)過AD采樣后,在10MHz、30MHz、70MHz等中心頻率上都有所需的有用信號,本設計選擇對中心頻率為10MHz的有用信號進行混頻,此時,fL0為10MHz。在FPGA實現(xiàn)時,采用查表法產(chǎn)生正、余弦信號,建立兩個ROM表分別存儲0o~90o的正、余弦量化值,通過頻率控制字累加值的高兩位判斷當前的正、余弦值處于哪個象限,對查表輸出值進行相應處理,最終得到正、余弦信號[2] 。余弦、正弦信號分別與AD采樣輸入混頻得到I、Q基帶信號,經(jīng)低通FIR濾波器濾波后送入數(shù)字鑒頻器[3]。假設瞬時頻率為f(t),瞬時相位為,同相分量為I(t),正交分量為Q(t),由:
, (3)
得到:
(4)
對應的數(shù)字域表達式為:
(5)
數(shù)字鑒頻模塊的實現(xiàn)框圖見圖2,鑒頻輸出即為FM解調(diào)得到的PCM碼流
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