基于FPGA的電臺接口轉(zhuǎn)換模塊

摘要：目前市場上電臺接口轉(zhuǎn)換模塊大多都采用模擬電路，其帶來穩(wěn)定性差，工藝復(fù)雜等缺陷。通過采用數(shù)字信號處理技術(shù)來處理信號通信，提高信號的傳輸速率和降低傳輸?shù)恼`碼率，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)省信道資源。這里采用FPGA作為核心芯片來設(shè)計和開發(fā)，利用DSP Builder來仿真FFT實驗，用OuartusⅡ軟件開發(fā)設(shè)計此接口轉(zhuǎn)換模塊，最終獲得的模塊電路系統(tǒng)穩(wěn)定，PTT信號更純凈。

一般來說，無線電臺通信采用半雙工通信方式，一方在發(fā)送話音信號的同時，不能接收另一方的話音信號。因此電臺的通信接口分為兩部分，一部分為話音信號接口，用于發(fā)送接收話音，另一部分為PTT控制信號接口，用于控制電臺的發(fā)送接收狀態(tài)。然而，目前有許多通信設(shè)備，如民航、海事、鐵路交通的內(nèi)部通信以及應(yīng)急通信等，為了實現(xiàn)電臺的遠程遙控，并且節(jié)省信道資源，將PTT控制信號調(diào)制成已知的單頻信號與話音信號一起發(fā)送，確保PTT控制信號傳輸?shù)目煽啃浴．?dāng)內(nèi)通設(shè)備與電臺直接相連時，接口不兼容。因此需要設(shè)計一種電臺接口轉(zhuǎn)換模塊，能夠?qū)晤l信號與話音信號分離開來，實現(xiàn)電臺與內(nèi)通設(shè)備的通信。

現(xiàn)代的大規(guī)模FPGA既能處理過去DSP處理器領(lǐng)域的功能，同時又大大地降低專用集成電路方案的風(fēng)險和前期成本，因此采用FPGA作為核心芯片和先進的數(shù)字信號處理技術(shù)來開發(fā)將為開發(fā)帶來諸多的優(yōu)勢。

1 設(shè)計原理

基于FPGA的電臺接口轉(zhuǎn)換模塊是基于數(shù)字信號處理技術(shù)，將設(shè)備的話音信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)捷斎刖彌_區(qū)，數(shù)字話音信號一方面經(jīng)過FIR(Finite Impulse Response)帶阻濾波器，濾除某一已知的單頻信號，發(fā)送到輸出緩沖區(qū)，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為話音信號，傳輸給電臺；另一方面，通過時頻變換、閾值檢測以及穩(wěn)定處理三個步驟，檢測出單頻信號，據(jù)此產(chǎn)生PTT(Push-to-Talk)控制信號輸出，其接口轉(zhuǎn)換模塊功能框圖如圖1所示。

2 FFT處理器設(shè)計

在Altera可編程邏輯器件中數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計需要能夠同時具有高速運算以及硬件語言描述的開發(fā)工具。Altera DSP Builder集成了這些工具。Altera公司的DSP Builder大大縮短了DSP開發(fā)周期，在友好開發(fā)環(huán)境里它能幫助使用者生成一個有關(guān)DSP設(shè)計的高級硬件描述語言。IP中的FFT MegaCore function是一個具有良好性能，高度參數(shù)化的快速傅里葉變換的進程。該設(shè)計采用DSP Builder模型這個共享開發(fā)平臺中的Megacore functions完成FFT處理器和FIR陷波濾波器的設(shè)計。

I/O數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計如下：

在FFT MegaCore宏功能模塊中主要的參數(shù)指標(biāo)就是數(shù)據(jù)流相應(yīng)的時序規(guī)則，下面簡要介紹一下流結(jié)構(gòu)的時序原理圖，如圖2所示。

在圖2中，sink_valid是FFT模塊的輸出信號，它表示FFT處理器是否做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。sink_ready和sink_valid都處于高位時，F(xiàn)FT開始運行，等待sink_sop信號置位開始輸入數(shù)據(jù)，只要這兩個信號中任一個信號置低位，就表明FFT還未準(zhǔn)備好，F(xiàn)FT將處于等待狀態(tài)，直到這兩個信號都處于高位才開始運行。sink_sop是一幀信號傳輸?shù)钠鹗夹盘枺瑂ink_eop表示一幀信號傳輸結(jié)束信號。

3 FIR陷波濾波器的設(shè)計

窗函數(shù)設(shè)計法在設(shè)計常用FIR數(shù)字濾波器中有非常廣泛的應(yīng)用，正確的選擇窗函數(shù)可以提高所設(shè)計的數(shù)字濾波器的性能，或者在滿足技術(shù)指標(biāo)的條件下，減少FIR數(shù)字濾波器的階數(shù)。窗函數(shù)設(shè)計法主要目標(biāo)是獲得最窄的主瓣寬度和盡可能大的旁瓣衰減。若阻帶衰減不高，則濾除不干凈，衰減過高，可能將有用信號也一并濾除。據(jù)資料可知，矩形窗、漢寧窗的阻帶衰減很低，海明窗較好一點，布萊克曼窗應(yīng)該是最恰當(dāng)?shù)摹?/p>

圖3是加布萊克曼窗后的陷波濾波器，采用Matlab工具產(chǎn)生，橫坐標(biāo)為頻率范圍，縱坐標(biāo)為各頻率點上的幅度。

由圖3可知，陷波濾波器在頻率為2 kHz的地方幅度最低，達-60 dB，其過渡帶寬200 Hz，大體上能滿足設(shè)計的需求。

4 Cordic算法實現(xiàn)求模

目前實現(xiàn)Cordic算法主要有兩種基本的結(jié)構(gòu)：較為簡潔的狀態(tài)機和高速全流水線處理器。在此采用高速全流水線處理器。在流水線結(jié)構(gòu)中，各階段數(shù)據(jù)處理不影響后面數(shù)據(jù)的輸入，在每個時鐘周期到來是將各階段的數(shù)據(jù)不斷前移，后面的數(shù)據(jù)不斷輸入，猶如一個FIFO緩沖期，在每個時鐘周期到來時地址不斷向前移一位，后來的數(shù)據(jù)不斷的往里輸，在各時鐘周期不同地址間數(shù)據(jù)不會相互影響。這就保證了實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能不斷地流入而不會導(dǎo)致沖突。圖4所示為5級迭代快速Cordic流水線結(jié)構(gòu)：

如圖5所示，采用QuartusⅡ的SignalTap采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算其準(zhǔn)確率高達98%以上，能夠滿足設(shè)計的需求。根據(jù)圖5所示計算mmsource_ exp信號，此信號是指數(shù)修正信號，是有符號型，將其轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)的-2。先計算頭二組mmsource_real信號和mmource_imag信號數(shù)據(jù)。它們也是有符號數(shù)，因此將其轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為{-1，-80；-2，-17；-11，-53；26，-51}，而根據(jù)Cordic算法得出的結(jié)果從圖5中讀出，依次為{5 209；1 113；3 517；3 723}。而實際經(jīng)模修改后得到的標(biāo)準(zhǔn)值分別為{5 120；1 088；5 317；3 648}。

5 穩(wěn)定處理

FFT閾值法的原理是先對原始信號做FFT處理，適當(dāng)預(yù)設(shè)濾波閾值，將低于該閾值的頻帶設(shè)定為無效信號，定義為接收器沒有接收到信號。當(dāng)然閾值以下，并不能代表該周期產(chǎn)生了單頻信而由于信道上或者硬件本身的干擾，單檢測周期的測量值超過閾值或者在號或沒產(chǎn)生。僅憑單檢測周期的閾值檢測而產(chǎn)生PTT控制信號會帶來話音控制的不穩(wěn)定性。

設(shè)計的算法能極大地提高閾值測試的穩(wěn)定性。具體處理如下，流程如圖6所示。

為實現(xiàn)該功能，需自定義一個計數(shù)器，初始值為0，計數(shù)器值定義在0到T(T>0)之間。若在加操作中使計數(shù)器值大于T，則將計數(shù)器值飽和到T；若在減操作中使計數(shù)器小于0，則將計數(shù)器值飽和到0。

第一步，檢測測量值是否過閾值。若過閾值，計數(shù)器值加m，進行第二步；若不過閾值，計數(shù)器值減n，進行第四步。

第二步，若計數(shù)器值大于T，則飽和到T值。進行第三步。

第三步，檢測計數(shù)器值，若計數(shù)器值等于T，則啟動輸出PTT控制信號，結(jié)束流程；若計數(shù)器值小于T，則維持上一次的PTT控制信號輸出狀態(tài)，結(jié)束流程。

第四步，若計數(shù)器值小于0，則飽和到0值。進行第五步。

第五步，檢測計數(shù)器值，若計數(shù)器值等于0，則取消輸出PTT控制信號，結(jié)束流程；若計數(shù)器值大于0，則維持上一次的PTT控制信號輸出狀態(tài)，結(jié)束流程。

在流程中，m，n值的選擇取決于信道上或者硬件本身干擾的大小。若沒有單頻信號而誤檢出單頻信號的錯誤概率比較大，則m的取值應(yīng)較小；反之，若沒有單頻信號而誤檢出單頻信號的錯誤概率比較小，則m的取值可以較大。同理，若有單頻信號而未檢出單頻信號的錯誤概率比較大，則n的取值應(yīng)較小；反之，若有單頻信號而未檢出單頻信號的錯誤概率比較小，則n的取值可以較大。

圖7所示，在CycloneⅢ實驗板運行時采用SignalTapⅡ?qū)顟B(tài)機的各項內(nèi)容進行驗證，保證狀態(tài)機運行良好。將相關(guān)程序下載到Cyclone-Ⅲ芯片里，實時采集音頻數(shù)據(jù)對狀態(tài)機進行分析。

在圖7中，mmod在一個采樣周期結(jié)束后ostart信號被觸發(fā)，其獲得的總能量為1 427，比預(yù)設(shè)閾值要低，因此ocounter1的狀態(tài)不變，仍保持在第0狀態(tài)，而ocounter2的狀態(tài)則由第3狀態(tài)跳到第2狀態(tài)，這實踐的結(jié)果和理論都是保持一致的，可以說明程序的正確性，狀態(tài)機運行正常。

6 結(jié)語

本文可以用于一切需要PTT信號端的設(shè)備上，應(yīng)用極其廣泛，如：對講機、飛機場指揮塔的應(yīng)答系統(tǒng)以及目前已在美國推出的PTT手機業(yè)務(wù)等均運用到該技術(shù)。而在做該課題時遇到一些問題，如：陷波濾波器其阻帶帶寬偏大，需要尋求一種更好的算法來解決其帶寬問題；其次，F(xiàn)IR消耗內(nèi)存較大，這樣會消耗大部分的FPGA邏輯資源，會導(dǎo)致較大系統(tǒng)的資源不夠，因此需要設(shè)計更好的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)和算法來處理這個問題。這將是筆者以后需要繼續(xù)研究學(xué)習(xí)的。

作者：王宇杰 林明 姜黎 顧晶 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)