惠騰飛，楊 磊，龔險峰

(空間電子信息技術研究院通信技術研究室，陜西西安 710000)

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，F(xiàn)PGA)已經被廣泛應用于中高速群路解調處理領域。數字分路技術是全數字群解調器的重要組成部分［1］，也是群解調器實現(xiàn)過程中消耗硬件資源較大的部分，所以設計合理的分路實現(xiàn)結構將對整個解調器的處理速度和硬件開銷產生較大影響。目前，采用FPGA實現(xiàn)數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，設計更為有效的數字分路實現(xiàn)結構是目前重要的研究內容。32 MHz。

圖1 輸入信號各子帶頻譜分布示意圖

1 算法結構

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)其有效數字分路［2］。在圖1中，輸入信號的基本參數如下:(1)每路載波的符號速率為R=2 Msample·s－1;(2)載波間隔為Δf=3.2 MHz;(3)采樣速率為Fs=為第 k個子帶的中心頻率，K為分路路數);然后再將調制后的信號經過低通濾波器進行濾波;最后將濾波后的信號進行降采樣(降采樣率為M)，得到第k個子帶信號。該數學模型可表示為

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指數序列 e－jωk進行調制(其中，ωk=

圖2 DFT濾波器組分析器(分路)模型

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=MI(其中，I=2.5)形式的多相結構實現(xiàn)數字分路。

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個抽樣的內插器，令yρ(m)是內插器的輸出，則該項對應的數學模型如圖3所示［3］。

圖3 I個抽樣的內插器

根據式(5)所示，則基于均勻DFT濾波器組數字分路技術實現(xiàn)結構如圖4所示，具體實現(xiàn)步驟如下［4－5］

(1)對輸入信號x(n)進行10路并行轉換，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)?f=32 MHz/10=3.2 MHz。

圖4 基于均勻DFT濾波器組數字分路技術的多相結構實現(xiàn)示意圖

(2)對每一路子信號xρ(r)進行5倍速率內插，并分別采用對應的濾波器pρ(m)進行濾波，得到 10 路輸出信號yρ(m)，每一路對應的濾波器pρ(m)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)信號分別進行2倍下采樣，變?yōu)?zρ(m)。

(4)對上述得到的10路并行信號進行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計算進行變換處理，分解為5點FFT的計算［6］。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。

圖5 10點FFT等效實現(xiàn)結構

5點FFT變換可表示為

將式(9)展開，得

2 FPGA實現(xiàn)及測試結果

根據上述算法分析，結合FPGA資源與速度互換的處理思路［7］，對10路信號的數字分路FPGA實現(xiàn)結構進行設計，具體處理流程如圖6所示。

圖6 10路信號數字分路的FPGA實現(xiàn)流程圖

在圖6中，整個10路信號數字分路模塊共分為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點數字分路的FPGA處理流程如下。

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

圖7 原型濾波器的幅頻特性曲線

(2)調度控制模塊控制11個存儲RAM在每個時鐘周期產生11個不同數據，同時控制原型濾波器系數組產生11個多相濾波系數，11個數據和11個多相濾波系數進行相乘及累加產生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，并用使能信號標識，串行送給10點FFT計算單元。

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

文中的10路信號數字分路結構在Xilinx的Vitex－4器件上實現(xiàn)，具體型號是xc4vsx55－11ff1148，圖8給出了10路信號數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［8］。

圖8 10路信號數字分路結構的輸入輸出接口

表1 10路信號數字分路硬件實現(xiàn)占用資源情況

3 仿真驗證及實際測試結果

在ISE9.2.1環(huán)境下，采用VHDL完成了10路信號的數字分路模塊的開發(fā)，并采用ModeMm 6.2 b軟件進行仿真驗證。同時，為驗證設計的10路信號的數字分路模塊的正確性，將10路信號的數字分路模塊連同解調模塊在搭建的測試系統(tǒng)中進行了實際測試。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位同步后的星座圖。圖9為3種調制方式的分路輸出星座圖，圖10為3種調制方式位同步后的星座圖［9］。

圖10 位同步輸出的單路信號不同調制方式下的星座圖

4 結束語

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

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