基于分布式算法和FPGA實現(xiàn)基帶信號成形的研究

摘要：提出了一種采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)基帶信號成形的FIR數(shù)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，從時域上對基帶信號直接進行成形。因為所采用的成形方法運算量小、精度高，所以適用于實時系統(tǒng)。所設(shè)計的電路通過硬件仿真，證明能夠滿足系統(tǒng)的要求，具有一定的理論和實際意義。 關(guān)鍵詞：FPGA 基帶信號成形 分布式算法 查找表 根據(jù)Nyquist第一準(zhǔn)則，基帶信號成形能夠消除碼間串?dāng)_的影響。隨著超高速數(shù)字集成電路的發(fā)展，成形濾波器已經(jīng)由過去的基帶頻域模擬成形濾波器變成現(xiàn)在的基帶時域數(shù)字成形濾波器。與基帶模擬成形濾波器相比，基帶數(shù)字成形濾波器具有高精度、高可靠性和高靈活性等優(yōu)點；同時還具有便于大規(guī)模集成、易于實現(xiàn)線性相位等特點。實現(xiàn)其帶數(shù)字成形的方法很多，與傳統(tǒng)算法相比，分布式算法可以極大地減少硬件電路的規(guī)模，提高電路的執(zhí)行速度。本文采用基于分布式算法思想的時域成形方法來實現(xiàn)基帶信號成形。 1 分布式算法的基本原理 一個線性時不變網(wǎng)絡(luò)的輸出可以用下式表示： 其中，y(n)為第n時刻網(wǎng)絡(luò)的輸出；xk（n）為第n時刻的第k個輸入變量；Ak為第k個輸入變量的權(quán)值。在線性時不變系統(tǒng)中，對于所有n時刻，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(shù)，變量xk為單一數(shù)據(jù)源的抽樣數(shù)據(jù)。仔細(xì)觀察（1）式可以看出，輸出單個y（n）需要將k個乘積累加，這種累加可以通過查找表來實現(xiàn)，大大提高了運算的效率。為了使乘法之后的數(shù)據(jù)寬度不至于展寬，先把數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)格式規(guī)定為浮點數(shù)2的補碼形式。需要注意的是，常量Ak不一定要進行格式轉(zhuǎn)換來匹配輸入數(shù)據(jù)的格式，它可以根據(jù)要求的精度進行定義。變量xk可用下式表示： 式中，xkb為二進制數(shù)，即取值為0或1；xk0為符號位，“1”表示數(shù)據(jù)為負(fù)，“0”表示數(shù)據(jù)為正。式中，時間參數(shù)“n”已經(jīng)被省略掉，因為在以下的推導(dǎo)中與時間參數(shù)無關(guān)。將（2）式代入（1）式中，得： 將（3）式展開，得： 從（4）式可以看出，每個方括號中進行的是輸入變量的某一個數(shù)據(jù)位和所有常量A1～Ak的每一位進行位相“與”然后求和，而指數(shù)部分則說明了求和結(jié)果的位加權(quán)，這種加權(quán)可以通過移位來實現(xiàn)。而方括號中的計算可以通過建立查找表來實現(xiàn)，具體的操作通過所有輸入變量的同一位進行尋址來完成。通過（4）式，（1）式就可以用加法、減少和二進制除法來計算了，這樣就避免了頻繁地使用乘示器，從而節(jié)約了系統(tǒng)的資源，并且大大縮短了運算時間。 圖1 2 時域成形的原理 （4）式中的查找表方法中以縮短運算的時間，但是二進制除法還是會消耗掉大量的系統(tǒng)時鐘。因為要設(shè)計的是基帶信號成形濾波器，所以可以通過直接在時域上成形的方法來完成。 如果輸入為二進制雙極性數(shù)據(jù)，采用升余弦滾降濾波器進行脈沖成形，其系統(tǒng)函數(shù)為： 若取截短長度為輸入信號元寬度的4倍，則當(dāng)輸入信號為“1111”時，系統(tǒng)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(nèi)抽樣8點，則每個樣點有2 4個可能值，共有2 4 x 8=128個數(shù)據(jù)。將這128個數(shù)據(jù)存入查找表中，用連續(xù)四個輸入信號進行尋址，就可以不必計算二進制除法，從而提高系統(tǒng)的運算速度。其硬件原理圖如圖2所示。 圖中，SSR是一個四位移位寄存器，數(shù)據(jù)串行輸入，并行輸出，初始狀態(tài)預(yù)置為“0000”，每一時鐘信號讀入一位數(shù)據(jù)，同時串行移位；計數(shù)器為8位，每次時鐘從000計數(shù)至111；ROM的寬度為7位，存儲2 7個數(shù)據(jù)，對應(yīng)各個樣點的數(shù)值，每次時鐘到來時，輸出8個10比特寬的數(shù)據(jù)。 3 用FPGA實現(xiàn) 由圖2可知，系統(tǒng)主要由移位寄存器、計數(shù)器和查找表組成，其中查找表（ROM）對系統(tǒng)運算速度的影響最大。如果直接用寬度為7的查找表進行尋址的話，最長的尋址路徑需要2 7個系統(tǒng)時鐘，這樣損失太大。所以考慮用尋址寬度小的查找表。假定系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的碼速度為4.352Mbps，濾波器的滾降系數(shù)α=0.35，則用FPGA可實現(xiàn)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帶異步復(fù)位端的D觸發(fā)器級連而成，數(shù)據(jù)串行輸入，并行輸出，共用同一個時鐘和異步復(fù)位信號，其作用是將輸入數(shù)據(jù)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(jù)前三個輸入數(shù)據(jù)的值來選擇對應(yīng)的查找表。選擇網(wǎng)絡(luò)的電路圖如圖3所示。 圖中的“F_SWITCH”模塊是一個開關(guān)電路，當(dāng)使能端為高電平時，將輸入端的數(shù)據(jù)輸出，否則輸出端為高阻態(tài)。根據(jù)圖3的原理，當(dāng)前三個輸入信號為100時，選中第5個開關(guān)。這樣，只要將第5個開關(guān)選通的查找表中數(shù)據(jù)依次輸出，就可以得到成形信號。這時查找表的尋址寬度為3位，大大節(jié)約了尋址時間。查找表尋址方式的電路圖如圖4所示。 圖4 在圖4中，計數(shù)器的作用是在第四位數(shù)據(jù)到來時，激勵查找表將其存儲的8個數(shù)據(jù)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(nèi)抽樣8點，且濾波器為升余弦滾降濾波器，則有下式成立： 所以這8個樣點值可由下式表示： 對（7）式進行計算，列出所有可能的樣點值，如表1所示。 表1 成形濾波器的樣點值 信 號成形濾波器的樣點值 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(zhuǎn)化為二進制補碼形式，寫入尋址寬度為3位的16位值找表中。此查找表帶有使能端，當(dāng)使能端為高電平時，輸出端選中數(shù)據(jù)，否則輸出端為高阻態(tài)。這種查找表對于時鐘上升沿的延時最大為14.5ns，而輸入信號的碼元周期為230ns，所以能夠很好地滿足系統(tǒng)的要求。 4 設(shè)計結(jié)果 用FLEX10k30A器件實現(xiàn)成形濾波器，將得到的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)，并畫出相應(yīng)的波形。當(dāng)輸入信號為“1010001”時，成形信號的時域波形如圖5所示。 由圖5可以看出，在各個取樣點碼之間串?dāng)_很小，達到了基帶信號成形的目的。 本設(shè)計基于分布式算法思想，在時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FPGA驗證，證明工作正常，性能良好。