一種基于FPGA的群路信號數(shù)字分路實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

由于具有高集成度、高速、可編程等優(yōu)點，現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于中高速群路解調(diào)處理領(lǐng)域。數(shù)字分路技術(shù)是全數(shù)字群解調(diào)器的重要組成部分，也是群解調(diào)器實現(xiàn)過程中消耗硬件資源較大的部分，所以設(shè)計合理的分路實現(xiàn)結(jié)構(gòu)將對整個解調(diào)器的處理速度和硬件開銷產(chǎn)生較大影響。目前，采用FPGA實現(xiàn)數(shù)字分路主要存在的問題是FPGA芯片中乘法器資源受限。因此，在已知硬件FPGA芯片乘法器資源約束條件下，設(shè)計更為有效的數(shù)字分路實現(xiàn)結(jié)構(gòu)是目前重要的研究內(nèi)容。

1 算法結(jié)構(gòu)

針對輸入信號各子帶在頻域中是按偶型堆積排列和均勻分割的，如圖1所示，可采用均勻DFT濾波器組實現(xiàn)其有效數(shù)字分路。在圖1中，輸入信號的基本參數(shù)如下：(1)每路載波的符號速率為R=2 Msample·s-1;(2)載波間隔為△f=3.2 MHz;(3)采樣速率為Fs=32 MHz。

圖2給出了單個支路信號處理原理示意圖。輸入信號首先采用復(fù)指數(shù)序列e-jωk進(jìn)行調(diào)制(其中，ωk=，k=0，1，2，…，K-1為第k個子帶的中心頻率，K為分路路數(shù));然后再將調(diào)制后的信號經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行濾波;最后將濾波后的信號進(jìn)行降采樣(降采樣率為M)，得到第k個子帶信號。該數(shù)學(xué)模型可表示為

其中，x(n)表示輸入信號;h(n)表示分析濾波器;

;K表示分路路數(shù);M表示降采樣率。根據(jù)這一數(shù)學(xué)模型，基于均勻DFT濾波器組數(shù)字分路技術(shù)，有基于多相結(jié)構(gòu)和加權(quán)疊接-相加結(jié)構(gòu)兩種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

由于輸入信號速率為32 MHz，各子帶頻率間隔為3.2 MHz，則分路路數(shù)K=32/3.2=10。又由于每路輸出信號速率為2×4=8 MHz，則降采樣率M=32/8=4，因此邏輯上可以按照K=M(其中，I=2.5)形式的多相結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)字分路。

在式(1)中，通過變量置換n=rK+ρ，ρ=0，1，…，K-1，得到

式(5)的括號中定義了一個I個抽樣的內(nèi)插器，令yρ(m)是內(nèi)插器的輸出，則該項對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

根據(jù)式(5)所示，則基于均勻DFT濾波器組數(shù)字分路技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示，具體實現(xiàn)步驟如下

(1)對輸入信號x(n)進(jìn)行10路并行轉(zhuǎn)換，得到10路子信號xρ(r)，ρ=0，1，…，9，此時信號速率由fs=32 MHz變?yōu)閒=32 MHz/10=3.2 MHz。

(2)對每一路子信號xρ(r)進(jìn)行5倍速率內(nèi)插，并分別采用對應(yīng)的濾波器*

進(jìn)行濾波，得到10路輸出信號yρ(m)，每一路對應(yīng)的濾波器

可以由分析濾波器h(n)按照式(4)得到，此時信號yρ(m)的速率由3.2 MHz變?yōu)?.2 MHz×5=16 MHz。

(3)對10路yρ(m)信號分別進(jìn)行2倍下采樣，變?yōu)閦ρ(m)。

(4)對上述得到的10路并行信號進(jìn)行10點FFT計算，得到分路后的10路信號。

在圖4中，出現(xiàn)了10點FFT計算，為有效節(jié)省乘法器的資源，對10點FFT計算進(jìn)行變換處理，分解為5點FFT的計算。10點FFT變換可表示為式(6)

由式(8)可得，一個10點的FFT運算可等效為一級5點FFT和2點FFT的級聯(lián)運算。具體實現(xiàn)框圖如圖5所示。

5點FFT變換可表示為

將式(9)展開，得

2 FPGA實現(xiàn)及測試結(jié)果

根據(jù)上述算法分析，結(jié)合FPGA資源與速度互換的處理思路，對10路信號的數(shù)字分路FPGA實現(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，具體處理流程如圖6所示。

在圖6中，整個10路信號數(shù)字分路模塊共分為2大部分，第1部分是多相濾波計算單元，第2部分為10點FFT計算單元，兩個模塊在調(diào)度控制模塊的控制下工作。整個模塊的工作時鐘fclk=96 MHz，原型濾波器選用110階的匹配濾波器，濾波器的幅頻特性曲線如圖7所示。整個10點數(shù)字分路的FPGA處理流程如下。

(1)輸入信號同時進(jìn)入11組并行工作的RAM存儲區(qū)，每進(jìn)20個數(shù)據(jù)做一次流水處理，每個流水處理共有60個處理時鐘，共進(jìn)行5次10點FFT計算;也就是說每進(jìn)20個數(shù)，輸出50個數(shù)，每路5個點。

(2)調(diào)度控制模塊控制11個存儲RAM在每個時鐘周期產(chǎn)生11個不同數(shù)據(jù)，同時控制原型濾波器系數(shù)組產(chǎn)生11個多相濾波系數(shù)，11個數(shù)據(jù)和11個多相濾波系數(shù)進(jìn)行相乘及累加產(chǎn)生1個FFT計算輸入點;每10個FFT計算輸入點組成1個10點FFT計算組，并用使能信號標(biāo)識，串行送給10點FFT計算單元。

(3)根據(jù)10點FFT拆分為2個5點FFT和5個2點FFT計算流程及式(11)的數(shù)學(xué)計算公式，對多相濾波計算單元串行輸入的10個數(shù)據(jù)復(fù)制成相同的5組，第1組延遲4個時鐘周期輸出，第2～5組在調(diào)度控制模塊的控制下分時乘以不同的FFT計算系數(shù)，然后對5組輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行時延調(diào)整及累加求和，分別串行輸出2組5點FFT計算結(jié)果;對第1組數(shù)據(jù)在調(diào)度控制模塊的控制下分時乘以不同相位調(diào)整系數(shù)，對第2組延遲4個時鐘周期輸出;最后對2組輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行時延調(diào)整及累加求和，串行輸出10個FFT計算結(jié)果，并通過使能信號對10個FFT計算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)識，使能信號的上升沿代表第1路數(shù)據(jù)。

文中的10路信號數(shù)字分路結(jié)構(gòu)在Xilinx的Vitex-4器件上實現(xiàn)，具體型號是xc4vsx55-11ff148，圖8給出了10路信號數(shù)字分路的輸入輸出接口，表1給出了算法的硬件資源占用情況。

3 仿真驗證及實際測試結(jié)果

在ISE9.2.1環(huán)境下，采用VHDL完成了10路信號的數(shù)字分路模塊的開發(fā)，并采用ModeMm 6.2b軟件進(jìn)行仿真驗證。同時，為驗證設(shè)計的10路信號的數(shù)字分路模塊的正確性，將10路信號的數(shù)字分路模塊連同解調(diào)模塊在搭建的測試系統(tǒng)中進(jìn)行了實際測試。測試輸入信號源為10路QPSK信號，10路8PSK信號以及10路16APSK信號;測試輸出為10路信號的分路輸出星座圖及解調(diào)位同步后的星座圖。圖9為3種調(diào)制方式的分路輸出星座圖，圖10為3種調(diào)制方式位同步后的星座圖。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于FPGA的10路信號的數(shù)字分路實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，在ISE9.2.1環(huán)境下，采用VHDL語言進(jìn)行了實現(xiàn)，并在硬件平臺上對分路程序的性能進(jìn)行了測試。該結(jié)構(gòu)能夠有效降低FPGA的硬件資源消耗，尤其是乘法器的資源消耗，在全數(shù)字群解調(diào)器工程實現(xiàn)中有著良好的應(yīng)用前景。