摘要：為了對中頻PCM信號進(jìn)行直接解調(diào)，提出一種全新的數(shù)字化PCM中頻解調(diào)器的設(shè)計(jì)方法。在實(shí)現(xiàn)過程中，采用大規(guī)模的FPGA芯片對位幀同步器進(jìn)行了融合，便于設(shè)備的集成化和小型化。這種新型的中頻解調(diào)器比傳統(tǒng)的基帶解調(diào)器具有硬件成本低和誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：FPGA；PCM；中頻；解調(diào)器

    在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收處理流程中，遙測接收機(jī)將接收到的射頻信號進(jìn)行兩次下變頻到零中頻，然后經(jīng)過D／A輸出基帶信號；PCM數(shù)據(jù)流經(jīng)過位同步、幀同步后恢復(fù)出數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高速A／D芯片的出現(xiàn)和大容量FPGA芯片的成熟應(yīng)用，高度集成的數(shù)字化解調(diào)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，筆者提出了一種基于FPGA的全新數(shù)字化的PCM中頻解調(diào)器的設(shè)計(jì)方
案。本方案具有高度的集成性，較低的誤碼率，硬件資源少、實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

1 功能和設(shè)計(jì)要求
1．1 中頻解調(diào)器的功能
    中頻解調(diào)器主要完成對接收機(jī)70 M中頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理，然后通過位同步器重建碼元時鐘、恢復(fù)串行數(shù)據(jù)和碼型轉(zhuǎn)換；通過幀同步器完成字、幀同步，對齊幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)格式，并將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流；最后通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理。其主要功能組成如圖1所示。

1．2 中頻解調(diào)器的技術(shù)要求
    中頻解調(diào)器的位速率、幀長等多項(xiàng)指標(biāo)都是可編程設(shè)置的，具體指標(biāo)如下：
    1)輸入頻率：70MHz；
    2)輸入信號強(qiáng)度：(-10±5)dBm；
    3)位速率范圍100 kbps～5Mbps可編程；
    4)碼型：NRZ_L／M／S可選擇；
    5)字長：8；
    6)幀長：8～10224可編程；
    7)同步碼長度：4～32位；
    8)同步碼位置：在前或在后；
    9)輸出：USB接口輸出。

2 設(shè)計(jì)思路和方案
2．1 高速A／D采樣設(shè)計(jì)
    自軟件無線電的概念提出后，模擬信號數(shù)字化是軟件無線電設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵所在。在軟件無線電的設(shè)計(jì)中，A／D模塊完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，A／D采樣頻率的選擇會對原有信號以及后面數(shù)字信號處理產(chǎn)生重要的影響，所以如何選擇合適的采樣頻率是中頻解調(diào)器的關(guān)健設(shè)計(jì)之一。采樣定理主要包括Nyquist采樣定理和帶通采樣定理，對于信號頻譜分布在頻帶(fL，fH)上的帶通信號進(jìn)行采樣，通常采用帶通采樣定理，來選取合適的采樣頻率。
    根據(jù)帶通信號采樣理論公式，采樣速率fs滿足：
   
    式中，n取能滿足fs≥2(fH-fL)的最大正整數(shù)，則用fs進(jìn)行等間隔采樣所得到的信號采樣值能準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號。
    本系統(tǒng)中頻帶寬最大為10 M，因此ADC模塊選用40 MHz的采樣頻率、12位量化。
2．2 數(shù)宇變頻及濾波器設(shè)計(jì)
    變頻模塊的設(shè)計(jì)是整個設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一。如圖2所示，該模塊由NCO、CIC濾波器、半帶濾波器和FIB濾波器組成。NCO通過與A／D之后的中頻信號進(jìn)行混頻，從而得到基帶頻率的I、O兩路正交信號，這兩路信號分別通過CIC濾波器、半帶濾波器以及FIR濾波器的抽取和濾波，最終得到要求速率的數(shù)字信號，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號由中頻頻率到基帶頻率的轉(zhuǎn)變。

2．3 鑒頻單元設(shè)計(jì)
    從理論上來說，可以直接利用頻率是相位對時間的微分關(guān)系來實(shí)現(xiàn)鑒頻。假設(shè)瞬時頻率為f(t)，瞬時相位為φ(t)，同相分量為I(t)，正交分量為Q(t)，則根據(jù)：

    這就是利用I(n)、Q(n)計(jì)算瞬時頻率f(n)的近似公式。
    數(shù)字鑒頻單元實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2．4 跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是均勻采樣二階DPLL。
    典型均勻采樣二階DPLL相位模型可以用圖4來表示，它由相位檢測器PD、數(shù)字環(huán)路濾波器(Digital Loop Filter)和數(shù)字控制本振(Numeri cally Control Oscillator)組成。在這個DPLL中，相位檢測器PD根據(jù)輸入相位或計(jì)算相位誤差。相位誤差通過數(shù)字環(huán)路濾波DLF并用于控制數(shù)字控制本振RCO的瞬時輸出相位。在圖4中，系數(shù)C1和C2是數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)的參數(shù)，是影響環(huán)路帶寬和環(huán)路響應(yīng)時間的重要參數(shù)，而C是確定DPLL中心頻率的常數(shù)。這種DPLL的最大優(yōu)點(diǎn)就是具有線性相位，從而保證了捕獲時間小和鎖相范圍大的性能。

    均勻采樣二階DPLL誤差傳遞函數(shù)幅頻特性具有明顯的高通特性，而且通帶截止頻率基本上和環(huán)路自由振蕩頻率一致，所以理論上只要恰當(dāng)?shù)剡x擇環(huán)路自由振蕩頻率就可以得到我們所希望的等效高通濾波器。特別是當(dāng)通帶截止頻率很小時，高通特性的性能會更好，因?yàn)橥◣⒏悠教埂Ｋ杂眠@種方法實(shí)現(xiàn)窄帶高通濾波器要比常規(guī)的FIR和HR濾波器都經(jīng)濟(jì)。因此，利用均勻采樣二階DPLL誤差傳遞函效的高通特性濾除緩慢變化的載波頻偏和多譜勒頻率成份，實(shí)現(xiàn)等效的開環(huán)頻率跟蹤。
2．5 位同步設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)方案中的位同步器主要由同相、正交積分環(huán)路、數(shù)字序列濾波器、分頻器和碼型變換器幾部分組成。其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示，下面將分別說明各個主要組成部分的原理與實(shí)現(xiàn)的功能。

    同相正交積分環(huán)路主要用于實(shí)現(xiàn)對接收信號和同步信號的鑒相，利用匹配濾波的原理，比較接收到的信號和晶振產(chǎn)生經(jīng)過分頻后的信號兩者之間的相位差，輸出超前或滯后脈沖，用于調(diào)整位同步脈沖的相位。同相積分器在清除時刻的采樣輸出極性，取決于輸入碼元的極性，而與同步與否以及相位誤差的極性無關(guān)。因此，可以將同相積分器的輸出經(jīng)過保持電路后再進(jìn)行過零檢測來得到碼元轉(zhuǎn)換的信息。
    當(dāng)存在噪聲時，如果超前、滯后脈沖直接用于環(huán)路相位調(diào)節(jié)，將產(chǎn)生相位抖動，特別是在信噪比低或接近予零的情況下，問題更加嚴(yán)重。為此，環(huán)路中需要使用序列濾波器。這種濾波器專門用于鑒相器輸出的超前或滯后脈沖的情況。它由計(jì)數(shù)容量為2N的可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    可逆計(jì)數(shù)器對超前脈沖進(jìn)行向上計(jì)數(shù)，對滯后脈沖進(jìn)行向下計(jì)數(shù)。在開始計(jì)數(shù)時，可逆計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為N，當(dāng)超前脈沖比滯后脈沖多N個時，可逆計(jì)數(shù)器計(jì)滿到容量2N，同時輸出一個推后控制脈沖，以便用它去控制本地估算信號的相位推后一步。與此同時，或門就輸出一個脈沖，將可逆計(jì)數(shù)量N，重新開始計(jì)數(shù)。而當(dāng)滯后脈沖比超前脈沖多N個時，可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為0，同時輸出一個提前控制脈沖，以便用它去控制本地估算信號的相位前移一步。這時，或門也輸出一個脈沖，將可逆計(jì)數(shù)置N，重新開始計(jì)數(shù)。
    當(dāng)鎖相環(huán)路進(jìn)入同步狀態(tài)之后，超前或滯后脈沖產(chǎn)生的概率趨于相等。而由噪聲引起的超前或滯后脈沖也是等概率的。因此，在這種情況下，計(jì)數(shù)器在N值上下徘徊，超前脈沖和滯后脈沖之差達(dá)到計(jì)數(shù)容量N的概率是很小的。所以，在鎖相環(huán)路同步的狀態(tài)下，序列濾波器通常是沒有輸出的。這就減少了由噪聲引起的對鎖相環(huán)路的誤控作用。濾波器有效的濾除了噪聲對環(huán)路的干擾，而且在同步狀態(tài)下不產(chǎn)生附加的相位抖動。計(jì)數(shù)容量N的取值很重要，直接影響著環(huán)路的過渡過程。N取得大，對抑制噪聲有利，但同時又加大了環(huán)路進(jìn)入同步狀態(tài)的時間，使得環(huán)路帶寬變窄。反之，N取得小，可以加速環(huán)路的同步，而對噪聲的抑制能力就隨之降低，環(huán)路帶寬變寬。因此根據(jù)實(shí)際情況以及不同的信噪比，選擇不同的N值。本設(shè)計(jì)的隨機(jī)徘徊濾波器采用可變模(N值可編程)設(shè)計(jì)，加大了可編程碼同步器的靈活性。但是，加入數(shù)字序列濾波器后，雖然抗干擾性能有改善，但卻使相位調(diào)整速度減慢了。若位同步脈沖的相位超前較多，鑒相器數(shù)要輸出N個超前脈沖才能使位同步脈沖的相位調(diào)整一次，調(diào)整時間增加了N倍。為此給出了一種縮短相位調(diào)整時間的原理圖如圖7所示。

    當(dāng)輸入連續(xù)超前(滯后)脈沖多于N個后，數(shù)字序列濾波器輸出一超前(滯后)脈沖，使觸發(fā)器GI(C2)輸出高電平，打開與門1(與門2)，輸入的超前滯后脈沖就通過與門加至相位調(diào)整電路，如果鑒相器還連續(xù)的輸出超前(滯后)脈沖，那么此時觸發(fā)器的輸出已使與門打開，這些脈沖就可以連續(xù)的送至相位調(diào)整電路，而不需要再等待N個。對隨機(jī)干擾來說，輸出的使零星的超前(滯后)脈沖，這會使觸發(fā)器置“0”，這時電路的作用和數(shù)字序列濾波器相同，仍具有良好的抗干擾性能。N次分頻器是一個簡單的除N計(jì)數(shù)器。N次分頻器對脈沖加減電路的輸出脈沖再進(jìn)行N分頻，得到整個數(shù)字鎖相環(huán)路輸出的位同步時鐘信號fclk。同時，因?yàn)閒clk=CLK／2N，因此通過改變分頻值N可以得到不同的環(huán)路中心頻率。
2. 6 幀同步設(shè)計(jì)
    輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過串／并轉(zhuǎn)換后，與本地幀同步碼進(jìn)行同或運(yùn)算，產(chǎn)生32位相關(guān)結(jié)果再與屏蔽位相與，屏蔽掉無關(guān)位后進(jìn)入全加網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)全加運(yùn)算，以6位二進(jìn)制碼輸出，然后與門限值進(jìn)行比較。大于門限值表示接收到幀同步碼。三態(tài)邏輯電路保證幀同步器在3個固定模式(搜索、校核、鎮(zhèn)定)上工作。在搜索態(tài)，不使用窗口，符合相關(guān)器輸出即認(rèn)為是幀同步碼。一旦接收到幀同步碼，由搜索態(tài)轉(zhuǎn)入校核態(tài)。位／字計(jì)數(shù)器、字／幀計(jì)數(shù)器復(fù)位，二者開始計(jì)數(shù)，這個過程一直持續(xù)到字／幀計(jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)定的字／幀數(shù)。這時字／幀計(jì)數(shù)器輸出一特定信號至窗口產(chǎn)生器，以預(yù)期檢測位為中心產(chǎn)生窗口脈沖。利用幀同步碼的周期性，下一個檢測位應(yīng)落在窗口脈沖寬度內(nèi)，三態(tài)邏輯產(chǎn)生第二個幀標(biāo)志脈沖。若在窗口范圍內(nèi)，沒有幀碼，在統(tǒng)計(jì)意義上多半是虛警，三態(tài)邏輯從校核重新返回到搜索態(tài)。在校核態(tài)，只有連續(xù)通過預(yù)定的校核幀數(shù)，幀同步器才進(jìn)入鎖定態(tài)。在鎖定態(tài)，即使在幀同步碼發(fā)生漏檢或數(shù)據(jù)錯誤的情況下，幀標(biāo)志脈沖也由本地產(chǎn)生。從而避免了由于幀同步碼的漏檢而造成的數(shù)據(jù)丟失。連續(xù)漏檢超過預(yù)定的保護(hù)幀數(shù)，幀同步即返回搜索態(tài)，否則將重新計(jì)數(shù)，一直保持在鎖定態(tài)。

3 測試結(jié)果和分析
    在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用一個性能指標(biāo)較高的下變頻器和該設(shè)備配合進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表1。從測試結(jié)果來看該設(shè)備能夠在1～3Mbps的位速率范圍內(nèi)完成數(shù)據(jù)的可靠解調(diào)，誤碼率在允許范圍之內(nèi)。

    在后續(xù)長時間拷機(jī)測試過程中，該解調(diào)器工作性能穩(wěn)定。在使用信號源對該解調(diào)器測試時，輸入信號強(qiáng)度在0～30dBm內(nèi)范圍變化，輸入調(diào)制信號頻率在100 kbps～5Mbps范圍內(nèi)變化時，該解調(diào)器也能夠很好地工作，說明了全新數(shù)字化中頻解調(diào)器的設(shè)計(jì)是穩(wěn)定可靠的，可以進(jìn)行下一步工程化研制。而該設(shè)計(jì)的集成度高、體積尺寸小，便于小型化設(shè)計(jì)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)了該設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，將來必定會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)束語
    目前應(yīng)用范圍較廣的解調(diào)器解調(diào)位速率比本設(shè)計(jì)要高，在10Mbps以上，因此本設(shè)計(jì)的下一步的改進(jìn)方向是將解調(diào)能力進(jìn)行擴(kuò)展，這主要取決于所選擇的FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)的時鐘和FPGA的容量及數(shù)據(jù)處理速度。
    文中方法只是對從中頻直接進(jìn)行采樣、鑒頻、進(jìn)行位幀同步的驗(yàn)證，實(shí)踐證明該方法設(shè)計(jì)有效，測試結(jié)果接近理想值，下一步目標(biāo)是完成工程化研制，投入實(shí)踐應(yīng)用。