基于分布式算法和FPGA實(shí)現基帶信號成形的研究

摘要：提出了一種采用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）實(shí)現基帶信號成形的FIR數字濾波器硬件電路的方案。該方案基于分布式算法的思想，利用FPGA豐富的查找表資源，從時(shí)域上對基帶信號直接進(jìn)行成形。因為所采用的成形方法運算量小、精度高，所以適用于實(shí)時(shí)系統。所設計的電路通過(guò)硬件仿真，證明能夠滿(mǎn)足系統的要求，具有一定的理論和實(shí)際意義。 關(guān)鍵詞：FPGA 基帶信號成形 分布式算法 查找表 根據Nyquist第一準則，基帶信號成形能夠消除碼間串擾的影響。隨著(zhù)超高速數字集成電路的發(fā)展，成形濾波器已經(jīng)由過(guò)去的基帶頻域模擬成形濾波器變成現在的基帶時(shí)域數字成形濾波器。與基帶模擬成形濾波器相比，基帶數字成形濾波器具有高精度、高可靠性和高靈活性等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)還具有便于大規模集成、易于實(shí)現線(xiàn)性相位等特點(diǎn)。實(shí)現其帶數字成形的方法很多，與傳統算法相比，分布式算法可以極大地減少硬件電路的規模，提高電路的執行速度。本文采用基于分布式算法思想的時(shí)域成形方法來(lái)實(shí)現基帶信號成形。 1 分布式算法的基本原理 一個(gè)線(xiàn)性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò )的輸出可以用下式表示： 其中，y(n)為第n時(shí)刻網(wǎng)絡(luò )的輸出；xk（n）為第n時(shí)刻的第k個(gè)輸入變量；Ak為第k個(gè)輸入變量的權值。在線(xiàn)性時(shí)不變系統中，對于所有n時(shí)刻，Ak都是常量。如果該網(wǎng)絡(luò )表示為濾波器，常量Ak即為濾波器抽頭系數，變量xk為單一數據源的抽樣數據。仔細觀(guān)察（1）式可以看出，輸出單個(gè)y（n）需要將k個(gè)乘積累加，這種累加可以通過(guò)查找表來(lái)實(shí)現，大大提高了運算的效率。為了使乘法之后的數據寬度不至于展寬，先把數據源數據格式規定為浮點(diǎn)數2的補碼形式。需要注意的是，常量Ak不一定要進(jìn)行格式轉換來(lái)匹配輸入數據的格式，它可以根據要求的精度進(jìn)行定義。變量xk可用下式表示： 式中，xkb為二進(jìn)制數，即取值為0或1；xk0為符號位，“1”表示數據為負，“0”表示數據為正。式中，時(shí)間參數“n”已經(jīng)被省略掉，因為在以下的推導中與時(shí)間參數無(wú)關(guān)。將（2）式代入（1）式中，得： 將（3）式展開(kāi)，得： 從（4）式可以看出，每個(gè)方括號中進(jìn)行的是輸入變量的某一個(gè)數據位和所有常量A1～Ak的每一位進(jìn)行位相“與”然后求和，而指數部分則說(shuō)明了求和結果的位加權，這種加權可以通過(guò)移位來(lái)實(shí)現。而方括號中的計算可以通過(guò)建立查找表來(lái)實(shí)現，具體的操作通過(guò)所有輸入變量的同一位進(jìn)行尋址來(lái)完成。通過(guò)（4）式，（1）式就可以用加法、減少和二進(jìn)制除法來(lái)計算了，這樣就避免了頻繁地使用乘示器，從而節約了系統的資源，并且大大縮短了運算時(shí)間。 圖1 2 時(shí)域成形的原理 （4）式中的查找表方法中以縮短運算的時(shí)間，但是二進(jìn)制除法還是會(huì )消耗掉大量的系統時(shí)鐘。因為要設計的是基帶信號成形濾波器，所以可以通過(guò)直接在時(shí)域上成形的方法來(lái)完成。 如果輸入為二進(jìn)制雙極性數據，采用升余弦滾降濾波器進(jìn)行脈沖成形，其系統函數為： 若取截短長(cháng)度為輸入信號元寬度的4倍，則當輸入信號為“1111”時(shí)，系統的輸出波形如圖1所示。 圖中，h"(t)為h(t)的截短。由圖1可知，只需要求出Δ時(shí)間段的波形疊加值，依次輸出，就可以得到輸入信號的成形波形。若在段內抽樣8點(diǎn)，則每個(gè)樣點(diǎn)有2 4個(gè)可能值，共有2 4 x 8=128個(gè)數據。將這128個(gè)數據存入查找表中，用連續四個(gè)輸入信號進(jìn)行尋址，就可以不必計算二進(jìn)制除法，從而提高系統的運算速度。其硬件原理圖如圖2所示。 圖中，SSR是一個(gè)四位移位寄存器，數據串行輸入，并行輸出，初始狀態(tài)預置為“0000”，每一時(shí)鐘信號讀入一位數據，同時(shí)串行移位；計數器為8位，每次時(shí)鐘從000計數至111；ROM的寬度為7位，存儲2 7個(gè)數據，對應各個(gè)樣點(diǎn)的數值，每次時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，輸出8個(gè)10比特寬的數據。 3 用FPGA實(shí)現 由圖2可知，系統主要由移位寄存器、計數器和查找表組成，其中查找表（ROM）對系統運算速度的影響最大。如果直接用寬度為7的查找表進(jìn)行尋址的話(huà)，最長(cháng)的尋址路徑需要2 7個(gè)系統時(shí)鐘，這樣損失太大。所以考慮用尋址寬度小的查找表。假定系統輸入數據的碼速度為4.352Mbps，濾波器的滾降系數α=0.35，則用FPGA可實(shí)現成形濾波器。 圖3 3.1 輸入單元 輸入單元由移位寄存器和選擇網(wǎng)絡(luò )組成。移位寄存器是由四個(gè)帶異步復位端的D觸發(fā)器級連而成，數據串行輸入，并行輸出，共用同一個(gè)時(shí)鐘和異步復位信號，其作用是將輸入數據讀入查找表中。選擇網(wǎng)絡(luò )是為了減小查找表的尋址寬度，根據前三個(gè)輸入數據的值來(lái)選擇對應的查找表。選擇網(wǎng)絡(luò )的電路圖如圖3所示。 圖中的“F_SWITCH”模塊是一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，當使能端為高電平時(shí)，將輸入端的數據輸出，否則輸出端為高阻態(tài)。根據圖3的原理，當前三個(gè)輸入信號為100時(shí)，選中第5個(gè)開(kāi)關(guān)。這樣，只要將第5個(gè)開(kāi)關(guān)選通的查找表中數據依次輸出，就可以得到成形信號。這時(shí)查找表的尋址寬度為3位，大大節約了尋址時(shí)間。查找表尋址方式的電路圖如圖4所示。 圖4 在圖4中，計數器的作用是在第四位數據到來(lái)時(shí)，激勵查找表將其存儲的8個(gè)數據依次輸出。L_ROM是尋址寬度為3位的查找表。 3.2 查找表 在圖1中的Δ段內抽樣8點(diǎn)，且濾波器為升余弦滾降濾波器，則有下式成立： 所以這8個(gè)樣點(diǎn)值可由下式表示： 對（7）式進(jìn)行計算，列出所有可能的樣點(diǎn)值，如表1所示。 表1 成形濾波器的樣點(diǎn)值 信 號成形濾波器的樣點(diǎn)值 0000 -1 -0.96 -0.93 -0.91 -0.91 -0.93 -0.96 -1 0001 -1 -1.17 -1.25 -1.26 -1.21 -1.13 -1.06 -1 0010 1 0.97 0.80 0.50 0.13 -0.27 -0.66 -1 0011 1 0.76 0.48 0.16 -0.16 -0.48 -0.76 -1 0100 -1 -0.66 -0.27 0.13 0.50 0.80 0.97 1 0101 -1 -0.87 -0.59 -0.21 0.21 0.59 0.87 1 0110 1 12.7 1.45 1.55 1.55 1.45 1.27 1 0111 1 1.06 1.13 1.21 1.26 1.25 1.17 1 1000 -1 -1.06 -1.13 -1.21 -1.26 -1.25 -1.17 -1 1001 -1 -1.27 -1.45 -1.55 -1.55 -1.45 -1.27 -1 1010 1 0.87 0.59 0.21 -0.21 -0.59 -0.87 -1 1011 1 0.66 0.27 -0.13 -0.50 -0.80 -0.97 -1 1100 -1 -0.76 -0.48 -0.16 0.16 0.48 0.76 1 1101 -1 -0.97 -0.80 -0.50 -0.13 0.27 0.66 1 1110 1 1.17 1.25 1.26 1.21 1.13 1.06 1 1111 1 0.96 0.93 0.91 0.91 0.93 0.96 1 將表1中每一行的值轉化為二進(jìn)制補碼形式，寫(xiě)入尋址寬度為3位的16位值找表中。此查找表帶有使能端，當使能端為高電平時(shí)，輸出端選中數據，否則輸出端為高阻態(tài)。這種查找表對于時(shí)鐘上升沿的延時(shí)最大為14.5ns，而輸入信號的碼元周期為230ns，所以能夠很好地滿(mǎn)足系統的要求。 4 設計結果 用FLEX10k30A器件實(shí)現成形濾波器，將得到的輸出數據轉化為十進(jìn)制數，并畫(huà)出相應的波形。當輸入信號為“1010001”時(shí)，成形信號的時(shí)域波形如圖5所示。 由圖5可以看出，在各個(gè)取樣點(diǎn)碼之間串擾很小，達到了基帶信號成形的目的。 本設計基于分布式算法思想，在時(shí)域上對基帶信號直接成形。利用FPGA豐富的查找表資源，提出了一種高效的成形算法。通過(guò)FPGA驗證，證明工作正常，性能良好。