基于FPGA的寬帶數字信道化接收機的設計

2.3 FPGA應用

軟件模塊主要包括數字信道化過(guò)程和后續數據輸出整理兩部分。數字信道化部分主要由上述數學(xué)模型構建，包括：數據抽取、符號轉換、多相濾波和IFFT。后續數據處理主要根據信道化結果得到頻率和相位信息及對同時(shí)到達三路信號的判斷。FPGA內部處理模塊框圖如圖5所示。

圖5 FPGA內部處理模塊框圖

2.3.1 數據抽取變換

A／D輸出的240 MHz高速采樣差分信號進(jìn)入FPGA。根據上述模型，若信道數K=16，則抽取倍數M=8，FPGA通過(guò)LVDS接口的串并轉換實(shí)現8倍抽取。設計采用QuartusⅡ的LNDS模塊完成信號的串并轉換，降低信號及時(shí)鐘速率。設計中將模塊設置成INDS receiver形式，選擇8倍轉換因子，可得輸出信號16組以及和A／D的隨路時(shí)鐘同步的60 MHz時(shí)鐘。用該時(shí)鐘作為全局時(shí)鐘驅動(dòng)后續所有處理模塊。由于A(yíng)／D采樣輸出信號為偏移二進(jìn)制類(lèi)型，需經(jīng)符號變換模塊后變?yōu)槎M(jìn)制補碼類(lèi)型。

2.3.2 多相濾波器的設計與仿真

多相濾波器組采用具有穩定系統、可以實(shí)現線(xiàn)性相位的FIR型數字濾波器。FIR原型濾波器的設計主要考慮采樣頻率fs、通帶波紋rp、阻帶衰減rs以及過(guò)渡帶寬。例如采用fs=960 MHz，rp=0.1 dB，rs=63 dB，過(guò)渡帶起始頻率15 MHz，截止頻率30 MHz，得到原型濾波器幅頻特性曲線(xiàn)如圖6所示。該低通原型濾波器的階數為192階，將原型濾波器分為32相，每相濾波器為6階。由于采用50％交疊的結構需間隔插零，每相濾波器階數增至12階。設計使用程序編寫(xiě)乘法累加運算實(shí)現FIR濾波。FIR原型濾波器的系數通過(guò)MATLAB生成導出，量化后寫(xiě)入FPGA的濾波器程序中。

圖6 原型濾波器幅頻特性曲線(xiàn)

2.3.3 IFFT運算

IFFT運算采用按時(shí)間抽選的基-2算法。為了加快信號處理的速度，IFFT模塊采用多級流水線(xiàn)設計，并且運算模塊利用Quartus的宏產(chǎn)生。例如IFFT運算的核心蝶形運算可由Altmult_complex宏和lpm_add_sub宏實(shí)現。每次復數乘法會(huì )占用4個(gè)18x18 DSP乘法器資源，所以單路信道化的IFFT共需占用136個(gè)乘法器資源。

2.3.4 信道輸出

因為輸入的是實(shí)信號，經(jīng)IFFT得到16個(gè)信道的子帶信號。對每個(gè)信道采用旋轉數字計算機算法（CORDIC）計算每個(gè)信道信號的幅度及瞬時(shí)相位。根據CORDIC輸出的信號幅度判斷信號是否存在以及信號的起始點(diǎn)和結束點(diǎn)，給出對應的包絡(luò )脈沖。同時(shí)利用CORDIC輸出相位根據瞬時(shí)相位差法計算頻率。為了提升測頻的準確度，用脈沖上升沿平穩后的連續4個(gè)無(wú)模糊的相位差平均值測頻，輸出載頻編碼。用兩通道信號的CORDIC輸出相位測算兩通道信號的相位差，輸出相位差編碼。

為了節省對外接口資源，最多只輸出三路信號即同時(shí)處理三路不同信號，當某路信道上出現包絡(luò )脈沖時(shí)才將該信道的頻率碼和相位差碼輸出，否則不輸出。16個(gè)信道都要進(jìn)行判斷，確定是否輸出。具體流程如圖7所示，當判斷不成立或者語(yǔ)句執行結束時(shí)，結束程序。

圖7 輸出的判斷邏輯流程圖

3 系統硬件仿真與結果分析

本設計在EP3SE110F1152C4上完成了兩通道的信道化過(guò)程、信號包絡(luò )脈沖輸出及對載頻、相位差信息的編碼輸出。在硬件驗證仿真時(shí)，用到了內嵌式邏輯分析儀——SignalTapⅡLogic Analyzer。它是一種調試工具，能捕獲和顯示FPGA中的實(shí)時(shí)信號特性，通過(guò)JTAG接口下載FPGA配置數據和上載捕獲的信號數據，并在計算機中觀(guān)察FPGA內部節點(diǎn)信號，使用戶(hù)可以在整個(gè)設計工作過(guò)程中以系統級的速度觀(guān)察硬件和軟件的交互作用。FPGA芯片各項資源消耗情況如表1所示，共占用82％的資源，其中包括SignalTapⅡLogicAnalyzer所占用的資源。

表1 FPGA芯片各項資源消耗情況

A／D的采樣精度直接影響后面的精度，因此首先對A／D進(jìn)行性能測試。信噪比RSN定義為信號峰值點(diǎn)的功率與去掉零頻以及前五階諧波分量后的所有噪聲的功率比值。信號噪聲失真比SINAD定義為信號峰值點(diǎn)的功率與去掉零頻后的所有諧波及噪聲的功率比值，其值較信噪比小。無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR定義為單信號輸入時(shí)信號與最大的諧波或雜散的功率比值。