基于FPGA的PCM-FM遙測中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款基于FPGA的PCM-FM遙測中頻接收機(jī)，在FPGA中實(shí)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(shè)置。接收機(jī)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(shí)現(xiàn)，達(dá)到低成本、小型化設(shè)計(jì)要求。性能測試表明，中頻接收機(jī)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，目前該接收機(jī)已服務(wù)于多個(gè)項(xiàng)目。

　　PCM-FM遙測系統(tǒng)^[1]在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外遙測廠家均致力于高碼率、功能可擴(kuò)展的遙測產(chǎn)品設(shè)計(jì)，多功能、通用化、小型化遙測接收系統(tǒng)應(yīng)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(jī)小型化設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)了一款基于FPGA的PCM-FM遙測中頻接收機(jī)，實(shí)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(jì)算機(jī)用以數(shù)據(jù)的存儲及分析，接收機(jī)碼速率、字長、幀長、幀同步碼等均可由上位機(jī)軟件通過USB接口進(jìn)行設(shè)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(shí)現(xiàn)，達(dá)到小型化設(shè)計(jì)目的。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

　　本文設(shè)計(jì)的PCM/FM遙測中頻接收機(jī)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(jī)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(jìn)行處理，在FPGA中產(chǎn)生兩路正交信號對A/D采樣信號進(jìn)行數(shù)字正交下變頻生成基帶I、Q信號，I、Q信號分別進(jìn)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(jī)事先設(shè)置的碼速率、幀同步碼、幀長、時(shí)間碼等，依次完成PCM碼流的位同步、幀同步、時(shí)間碼合并，最后通過USB接口送入上位機(jī)進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)的存貯和處理。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)，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，f_L0為NCO頻率;f_s為輸入信號的采樣頻率。由于設(shè)計(jì)采用帶通采樣，信號頻譜發(fā)生搬移。當(dāng)f_s=40MHz時(shí)，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(shè)計(jì)選擇對中心頻率為10MHz的有用信號進(jìn)行混頻，此時(shí)，f_L0為10MHz。在FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用查表法產(chǎn)生正、余弦信號，建立兩個(gè)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(dāng)前的正、余弦值處于哪個(gè)象限，對查表輸出值進(jìn)行相應(yīng)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(shè)瞬時(shí)頻率為f(t)，瞬時(shí)相位為，同相分量為I(t)，正交分量為Q(t)，由：

, (3)

　　得到：

(4)

　　對應(yīng)的數(shù)字域表達(dá)式為：

(5)

　　數(shù)字鑒頻模塊的實(shí)現(xiàn)框圖見圖2，鑒頻輸出即為FM解調(diào)得到的PCM碼流