多路突發(fā)信號(hào)數(shù)字分路及其FPGA實(shí)現(xiàn)技術(shù)

岳 田

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081

0 引言

數(shù)字分路信道化技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，得益于數(shù)字分路技術(shù)目前國內(nèi)外的衛(wèi)星通信系統(tǒng)如MF-TDMA/TDM、星狀網(wǎng)等迅速發(fā)展，一個(gè)中央站或星上載荷設(shè)備能夠處理多站信號(hào)，使得站型和終端的處理能力大大增強(qiáng)。例如基于MF-TDMA/TDM 體系進(jìn)行星上處理和星上交換的歐洲EuroSkyWay 系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其上行采用MFTDMA 方式，可同時(shí)支持102 個(gè)160Kbps、32 個(gè)512Kbps 和8個(gè)2048Kbps 速率的載波。本文針對(duì)TDMA 系統(tǒng)提出了一種易于FPGA 實(shí)現(xiàn)的多路突發(fā)信號(hào)的數(shù)字分路方法，該結(jié)構(gòu)具有能夠滿足同時(shí)處理多路信號(hào)的能力，本文以16 路突發(fā)信號(hào)的數(shù)字分路為例描述了其FPGA 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)字化分路技術(shù)的理論分析

實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)數(shù)字分路有多種方法，其中最常用的有：帶通濾波器組法、樹形結(jié)構(gòu)濾波器組法和多相陣列FFT 法。三種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，帶通濾波器組法和樹形結(jié)構(gòu)濾波法雖然相比多相陣列FFT 法簡單，但實(shí)現(xiàn)困難，且隨著分路路數(shù)的增加，計(jì)算復(fù)雜度及效率將成倍增長，以致于難于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。因此對(duì)多相陣列FFT 算法的研究顯得尤為突出重要，本文主要討論基于多相陣列FFT 數(shù)字分路算法的多相濾波器組的實(shí)現(xiàn)。

多相陣列FFT 數(shù)字分路算法是基于多抽樣率變頻的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是從均勻DFT 濾波器組數(shù)學(xué)模型引申出來的。DFT 濾波器組最基本的數(shù)學(xué)模型是在經(jīng)過DFT濾波器組濾波計(jì)算后，每個(gè)通路用復(fù)調(diào)制器分別完成變頻處理。

由（1）式可以看出，hi( m) *xi( m)是多相分支第i 路的卷積，對(duì)其進(jìn)行離散傅立葉變換即可得到第k 個(gè)通路的信號(hào) Xk(m )。如圖1 所示可以看出多相陣列FFT 算法可由多相濾波器組和FFT 模塊兩部分組成。

圖1 多相陣列FFT 算法原理框圖

2 數(shù)字分路FPGA 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

數(shù)字分路技術(shù)的FPGA 實(shí)現(xiàn)主要由三部分組成。首先進(jìn)行多相濾波器組的FPGA 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，多相濾波器組實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中多相濾波器組主要是由N 列存儲(chǔ)器構(gòu)成，每列存儲(chǔ)器有16 個(gè)數(shù)據(jù)單元，且每列存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)單元之間是可連續(xù)移動(dòng)的，在采樣時(shí)鐘的作用下，每移入一個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，由于各列連續(xù)組成結(jié)構(gòu)類似于移位寄存器，采樣點(diǎn)就順次在大存儲(chǔ)器中串行依次移動(dòng)，當(dāng)移入12 個(gè)采樣點(diǎn)后，每列存儲(chǔ)單位中的數(shù)據(jù)分別與對(duì)應(yīng)濾波器系數(shù)相乘相加后得到各路成型匹配后的濾波結(jié)果，各系數(shù)查找表可以復(fù)用從而節(jié)約資源。其次在完成匹配濾波后，分別對(duì)每列做16 點(diǎn)FFT 并行運(yùn)算，從而將分路后的各路信號(hào)移入基帶。16 點(diǎn)FFT 運(yùn)算部分可以通過基2 的FFT 蝶形運(yùn)算的并行實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

圖2 多相濾波器組的FPGA 的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

按照上述相同的過程不斷循環(huán)完成下一組12 個(gè)采樣數(shù)據(jù)的匹配濾波、FFT 運(yùn)算、消除頻偏的計(jì)算過程，從而完成多路信號(hào)數(shù)據(jù)的數(shù)字分路過程。

利用Matlab 對(duì)5 路多路信號(hào)分路實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行仿真，如圖3 所示仿真為分路前合路信號(hào)頻譜及分路后第一路信號(hào)的眼圖，從眼圖可以看出經(jīng)過分路以后眼圖張開得很好。通過FPGA 硬件實(shí)現(xiàn)整體解調(diào)，各路采用LDPC 碼后在信噪比為4.5dB 時(shí)，誤碼率可以達(dá)到1 ×10-6。

圖3 5 路合路信號(hào)頻譜及第1 路信號(hào)的眼圖

3 結(jié)論

本文針對(duì)TDMA 系統(tǒng)，從實(shí)現(xiàn)可行性的角度對(duì)多路突發(fā)信號(hào)的數(shù)字分路原理及其FPGA 實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入的研究，提出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案。通過這種方案的實(shí)現(xiàn)可以得到每路信號(hào)每個(gè)符號(hào)抽取兩個(gè)采樣點(diǎn)，易于后續(xù)整體解調(diào)的實(shí)現(xiàn)，便于工程實(shí)現(xiàn)，適用于同時(shí)處理多路信號(hào)的場合，特別適合星狀網(wǎng)通信系統(tǒng)中心站。

[1]Harris, F.J.; Dick, C.; Rice, M.Digital receivers and transmitters using polyphase filter banks for wireless communications [J].IEEE Trans，2003，4：1395-1412.

[2]文增譯.多抽樣數(shù)字信號(hào)處理.北京.人民有點(diǎn)出版社，1986，6.

[3]周德鎖，田紅心.基于星上處理的FDMA/QPSK整體解調(diào)及單片DSP實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].無線通信技術(shù)，1999，2.