基于FPGA的全新數(shù)字化PCM中頻解調(diào)器設(shè)計(jì)

摘要：為了對(duì)中頻PCM信號(hào)進(jìn)行直接解調(diào)，提出一種全新的數(shù)字化PCM中頻解調(diào)器的設(shè)計(jì)方法。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用大規(guī)模的FPGA芯片對(duì)位幀同步器進(jìn)行了融合，便于設(shè)備的集成化和小型化。這種新型的中頻解調(diào)器比傳統(tǒng)的基帶解調(diào)器具有硬件成本低和誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：FPGA；PCM；中頻；解調(diào)器

    在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收處理流程中，遙測(cè)接收機(jī)將接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行兩次下變頻到零中頻，然后經(jīng)過(guò)D／A輸出基帶信號(hào)；PCM數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)位同步、幀同步后恢復(fù)出數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高速A／D芯片的出現(xiàn)和大容量FPGA芯片的成熟應(yīng)用，高度集成的數(shù)字化解調(diào)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，筆者提出了一種基于FPGA的全新數(shù)字化的PCM中頻解調(diào)器的設(shè)計(jì)方
案。本方案具有高度的集成性，較低的誤碼率，硬件資源少、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1 功能和設(shè)計(jì)要求
1．1 中頻解調(diào)器的功能
    中頻解調(diào)器主要完成對(duì)接收機(jī)70 M中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，然后通過(guò)位同步器重建碼元時(shí)鐘、恢復(fù)串行數(shù)據(jù)和碼型轉(zhuǎn)換；通過(guò)幀同步器完成字、幀同步，對(duì)齊幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)格式，并將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流；最后通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。其主要功能組成如圖1所示。

1．2 中頻解調(diào)器的技術(shù)要求
    中頻解調(diào)器的位速率、幀長(zhǎng)等多項(xiàng)指標(biāo)都是可編程設(shè)置的，具體指標(biāo)如下：
    1)輸入頻率：70MHz；
    2)輸入信號(hào)強(qiáng)度：(-10±5)dBm；
    3)位速率范圍100 kbps～5Mbps可編程；
    4)碼型：NRZ_L／M／S可選擇；
    5)字長(zhǎng)：8；
    6)幀長(zhǎng)：8～10224可編程；
    7)同步碼長(zhǎng)度：4～32位；
    8)同步碼位置：在前或在后；
    9)輸出：USB接口輸出。

2 設(shè)計(jì)思路和方案
2．1 高速A／D采樣設(shè)計(jì)
    自軟件無(wú)線電的概念提出后，模擬信號(hào)數(shù)字化是軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵所在。在軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)中，A／D模塊完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，A／D采樣頻率的選擇會(huì)對(duì)原有信號(hào)以及后面數(shù)字信號(hào)處理產(chǎn)生重要的影響，所以如何選擇合適的采樣頻率是中頻解調(diào)器的關(guān)健設(shè)計(jì)之一。采樣定理主要包括Nyquist采樣定理和帶通采樣定理，對(duì)于信號(hào)頻譜分布在頻帶(fL，fH)上的帶通信號(hào)進(jìn)行采樣，通常采用帶通采樣定理，來(lái)選取合適的采樣頻率。
    根據(jù)帶通信號(hào)采樣理論公式，采樣速率fs滿(mǎn)足：
   
    式中，n取能滿(mǎn)足fs≥2(fH-fL)的最大正整數(shù)，則用fs進(jìn)行等間隔采樣所得到的信號(hào)采樣值能準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號(hào)。
    本系統(tǒng)中頻帶寬最大為10 M，因此ADC模塊選用40 MHz的采樣頻率、12位量化。
2．2 數(shù)宇變頻及濾波器設(shè)計(jì)
    變頻模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一。如圖2所示，該模塊由NCO、CIC濾波器、半帶濾波器和FIB濾波器組成。NCO通過(guò)與A／D之后的中頻信號(hào)進(jìn)行混頻，從而得到基帶頻率的I、O兩路正交信號(hào)，這兩路信號(hào)分別通過(guò)CIC濾波器、半帶濾波器以及FIR濾波器的抽取和濾波，最終得到要求速率的數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)由中頻頻率到基帶頻率的轉(zhuǎn)變。

2．3 鑒頻單元設(shè)計(jì)
    從理論上來(lái)說(shuō)，可以直接利用頻率是相位對(duì)時(shí)間的微分關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)鑒頻。假設(shè)瞬時(shí)頻率為f(t)，瞬時(shí)相位為φ(t)，同相分量為I(t)，正交分量為Q(t)，則根據(jù)：

    這就是利用I(n)、Q(n)計(jì)算瞬時(shí)頻率f(n)的近似公式。
    數(shù)字鑒頻單元實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2．4 跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是均勻采樣二階DPLL。
    典型均勻采樣二階DPLL相位模型可以用圖4來(lái)表示，它由相位檢測(cè)器PD、數(shù)字環(huán)路濾波器(Digital Loop Filter)和數(shù)字控制本振(Numeri cally Control Oscillator)組成。在這個(gè)DPLL中，相位檢測(cè)器PD根據(jù)輸入相位或計(jì)算相位誤差。相位誤差通過(guò)數(shù)字環(huán)路濾波DLF并用于控制數(shù)字控制本振RCO的瞬時(shí)輸出相位。在圖4中，系數(shù)C1和C2是數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)的參數(shù)，是影響環(huán)路帶寬和環(huán)路響應(yīng)時(shí)間的重要參數(shù)，而C是確定DPLL中心頻率的常數(shù)。這種DPLL的最大優(yōu)點(diǎn)就是具有線性相位，從而保證了捕獲時(shí)間小和鎖相范圍大的性能。

    均勻采樣二階DPLL誤差傳遞函數(shù)幅頻特性具有明顯的高通特性，而且通帶截止頻率基本上和環(huán)路自由振蕩頻率一致，所以理論上只要恰當(dāng)?shù)剡x擇環(huán)路自由振蕩頻率就可以得到我們所希望的等效高通濾波器。特別是當(dāng)通帶截止頻率很小時(shí)，高通特性的性能會(huì)更好，因?yàn)橥◣⒏悠教?。所以用這種方法實(shí)現(xiàn)窄帶高通濾波器要比常規(guī)的FIR和HR濾波器都經(jīng)濟(jì)。因此，利用均勻采樣二階DPLL誤差傳遞函效的高通特性濾除緩慢變化的載波頻偏和多譜勒頻率成份，實(shí)現(xiàn)等效的開(kāi)環(huán)頻率跟蹤。
2．5 位同步設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)方案中的位同步器主要由同相、正交積分環(huán)路、數(shù)字序列濾波器、分頻器和碼型變換器幾部分組成。其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示，下面將分別說(shuō)明各個(gè)主要組成部分的原理與實(shí)現(xiàn)的功能。

    同相正交積分環(huán)路主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)和同步信號(hào)的鑒相，利用匹配濾波的原理，比較接收到的信號(hào)和晶振產(chǎn)生經(jīng)過(guò)分頻后的信號(hào)兩者之間的相位差，輸出超前或滯后脈沖，用于調(diào)整位同步脈沖的相位。同相積分器在清除時(shí)刻的采樣輸出極性，取決于輸入碼元的極性，而與同步與否以及相位誤差的極性無(wú)關(guān)。因此，可以將同相積分器的輸出經(jīng)過(guò)保持電路后再進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)來(lái)得到碼元轉(zhuǎn)換的信息。
    當(dāng)存在噪聲時(shí)，如果超前、滯后脈沖直接用于環(huán)路相位調(diào)節(jié)，將產(chǎn)生相位抖動(dòng)，特別是在信噪比低或接近予零的情況下，問(wèn)題更加嚴(yán)重。為此，環(huán)路中需要使用序列濾波器。這種濾波器專(zhuān)門(mén)用于鑒相器輸出的超前或滯后脈沖的情況。它由計(jì)數(shù)容量為2N的可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    可逆計(jì)數(shù)器對(duì)超前脈沖進(jìn)行向上計(jì)數(shù)，對(duì)滯后脈沖進(jìn)行向下計(jì)數(shù)。在開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為N，當(dāng)超前脈沖比滯后脈沖多N個(gè)時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)到容量2N，同時(shí)輸出一個(gè)推后控制脈沖，以便用它去控制本地估算信號(hào)的相位推后一步。與此同時(shí)，或門(mén)就輸出一個(gè)脈沖，將可逆計(jì)數(shù)量N，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。而當(dāng)滯后脈沖比超前脈沖多N個(gè)時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為0，同時(shí)輸出一個(gè)提前控制脈沖，以便用它去控制本地估算信號(hào)的相位前移一步。這時(shí)，或門(mén)也輸出一個(gè)脈沖，將可逆計(jì)數(shù)置N，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。
    當(dāng)鎖相環(huán)路進(jìn)入同步狀態(tài)之后，超前或滯后脈沖產(chǎn)生的概率趨于相等。而由噪聲引起的超前或滯后脈沖也是等概率的。因此，在這種情況下，計(jì)數(shù)器在N值上下徘徊，超前脈沖和滯后脈沖之差達(dá)到計(jì)數(shù)容量N的概率是很小的。所以，在鎖相環(huán)路同步的狀態(tài)下，序列濾波器通常是沒(méi)有輸出的。這就減少了由噪聲引起的對(duì)鎖相環(huán)路的誤控作用。濾波器有效的濾除了噪聲對(duì)環(huán)路的干擾，而且在同步狀態(tài)下不產(chǎn)生附加的相位抖動(dòng)。計(jì)數(shù)容量N的取值很重要，直接影響著環(huán)路的過(guò)渡過(guò)程。N取得大，對(duì)抑制噪聲有利，但同時(shí)又加大了環(huán)路進(jìn)入同步狀態(tài)的時(shí)間，使得環(huán)路帶寬變窄。反之，N取得小，可以加速環(huán)路的同步，而對(duì)噪聲的抑制能力就隨之降低，環(huán)路帶寬變寬。因此根據(jù)實(shí)際情況以及不同的信噪比，選擇不同的N值。本設(shè)計(jì)的隨機(jī)徘徊濾波器采用可變模(N值可編程)設(shè)計(jì)，加大了可編程碼同步器的靈活性。但是，加入數(shù)字序列濾波器后，雖然抗干擾性能有改善，但卻使相位調(diào)整速度減慢了。若位同步脈沖的相位超前較多，鑒相器數(shù)要輸出N個(gè)超前脈沖才能使位同步脈沖的相位調(diào)整一次，調(diào)整時(shí)間增加了N倍。為此給出了一種縮短相位調(diào)整時(shí)間的原理圖如圖7所示。

    當(dāng)輸入連續(xù)超前(滯后)脈沖多于N個(gè)后，數(shù)字序列濾波器輸出一超前(滯后)脈沖，使觸發(fā)器GI(C2)輸出高電平，打開(kāi)與門(mén)1(與門(mén)2)，輸入的超前滯后脈沖就通過(guò)與門(mén)加至相位調(diào)整電路，如果鑒相器還連續(xù)的輸出超前(滯后)脈沖，那么此時(shí)觸發(fā)器的輸出已使與門(mén)打開(kāi)，這些脈沖就可以連續(xù)的送至相位調(diào)整電路，而不需要再等待N個(gè)。對(duì)隨機(jī)干擾來(lái)說(shuō)，輸出的使零星的超前(滯后)脈沖，這會(huì)使觸發(fā)器置“0”，這時(shí)電路的作用和數(shù)字序列濾波器相同，仍具有良好的抗干擾性能。N次分頻器是一個(gè)簡(jiǎn)單的除N計(jì)數(shù)器。N次分頻器對(duì)脈沖加減電路的輸出脈沖再進(jìn)行N分頻，得到整個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)路輸出的位同步時(shí)鐘信號(hào)fclk。同時(shí)，因?yàn)閒clk=CLK／2N，因此通過(guò)改變分頻值N可以得到不同的環(huán)路中心頻率。
2. 6 幀同步設(shè)計(jì)
    輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)串／并轉(zhuǎn)換后，與本地幀同步碼進(jìn)行同或運(yùn)算，產(chǎn)生32位相關(guān)結(jié)果再與屏蔽位相與，屏蔽掉無(wú)關(guān)位后進(jìn)入全加網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)全加運(yùn)算，以6位二進(jìn)制碼輸出，然后與門(mén)限值進(jìn)行比較。大于門(mén)限值表示接收到幀同步碼。三態(tài)邏輯電路保證幀同步器在3個(gè)固定模式(搜索、校核、鎮(zhèn)定)上工作。在搜索態(tài)，不使用窗口，符合相關(guān)器輸出即認(rèn)為是幀同步碼。一旦接收到幀同步碼，由搜索態(tài)轉(zhuǎn)入校核態(tài)。位／字計(jì)數(shù)器、字／幀計(jì)數(shù)器復(fù)位，二者開(kāi)始計(jì)數(shù)，這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到字／幀計(jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)定的字／幀數(shù)。這時(shí)字／幀計(jì)數(shù)器輸出一特定信號(hào)至窗口產(chǎn)生器，以預(yù)期檢測(cè)位為中心產(chǎn)生窗口脈沖。利用幀同步碼的周期性，下一個(gè)檢測(cè)位應(yīng)落在窗口脈沖寬度內(nèi)，三態(tài)邏輯產(chǎn)生第二個(gè)幀標(biāo)志脈沖。若在窗口范圍內(nèi)，沒(méi)有幀碼，在統(tǒng)計(jì)意義上多半是虛警，三態(tài)邏輯從校核重新返回到搜索態(tài)。在校核態(tài)，只有連續(xù)通過(guò)預(yù)定的校核幀數(shù)，幀同步器才進(jìn)入鎖定態(tài)。在鎖定態(tài)，即使在幀同步碼發(fā)生漏檢或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的情況下，幀標(biāo)志脈沖也由本地產(chǎn)生。從而避免了由于幀同步碼的漏檢而造成的數(shù)據(jù)丟失。連續(xù)漏檢超過(guò)預(yù)定的保護(hù)幀數(shù)，幀同步即返回搜索態(tài)，否則將重新計(jì)數(shù)，一直保持在鎖定態(tài)。

3 測(cè)試結(jié)果和分析
    在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用一個(gè)性能指標(biāo)較高的下變頻器和該設(shè)備配合進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看該設(shè)備能夠在1～3Mbps的位速率范圍內(nèi)完成數(shù)據(jù)的可靠解調(diào)，誤碼率在允許范圍之內(nèi)。

    在后續(xù)長(zhǎng)時(shí)間拷機(jī)測(cè)試過(guò)程中，該解調(diào)器工作性能穩(wěn)定。在使用信號(hào)源對(duì)該解調(diào)器測(cè)試時(shí)，輸入信號(hào)強(qiáng)度在0～30dBm內(nèi)范圍變化，輸入調(diào)制信號(hào)頻率在100 kbps～5Mbps范圍內(nèi)變化時(shí)，該解調(diào)器也能夠很好地工作，說(shuō)明了全新數(shù)字化中頻解調(diào)器的設(shè)計(jì)是穩(wěn)定可靠的，可以進(jìn)行下一步工程化研制。而該設(shè)計(jì)的集成度高、體積尺寸小，便于小型化設(shè)計(jì)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)了該設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，將來(lái)必定會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)
    目前應(yīng)用范圍較廣的解調(diào)器解調(diào)位速率比本設(shè)計(jì)要高，在10Mbps以上，因此本設(shè)計(jì)的下一步的改進(jìn)方向是將解調(diào)能力進(jìn)行擴(kuò)展，這主要取決于所選擇的FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)的時(shí)鐘和FPGA的容量及數(shù)據(jù)處理速度。
    文中方法只是對(duì)從中頻直接進(jìn)行采樣、鑒頻、進(jìn)行位幀同步的驗(yàn)證，實(shí)踐證明該方法設(shè)計(jì)有效，測(cè)試結(jié)果接近理想值，下一步目標(biāo)是完成工程化研制，投入實(shí)踐應(yīng)用。