基于FPGA的紫外通信微弱信號(hào)放大器設(shè)計(jì)

李軍雨，吳晗平，3，呂照順，梁寶雯，李旭輝

(1．湘潭大學(xué)材料與光電物理學(xué)院，湖南湘潭411105;2．武漢工程大學(xué)光電子系統(tǒng)技術(shù)研究所，湖北武漢430205;3．海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢430033)

1 引言

紫外光在近地層大氣中的傳輸特性使得其在通信方面具有低竊聽率、抗干擾能力強(qiáng)、非視距通信等眾多優(yōu)勢，由于空間散射作用以及器件本身的原因，紫外光信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)衰減的很嚴(yán)重，因此設(shè)計(jì)一個(gè)放大器成為了紫外通信的關(guān)鍵［1－4］?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA具有修改邏輯設(shè)計(jì)方便、開發(fā)周期短、成本低、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，以FPGA作為放大器的控制核心可以滿足高集成度、靈活性等要求，同時(shí)提高系統(tǒng)的性能［5－6］。

2 放大器技術(shù)指標(biāo)、組成與工作原理

2．1 放大器技術(shù)指標(biāo)

放大器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:(1)總放大倍數(shù):要求在1～10000之間連續(xù)可調(diào);(2)通帶中心頻率:30 kHz、50 kHz;(3)通帶中心附近帶寬≤4 kHz;(4)放大器等效輸入噪聲電壓≤ 5 nV/@30 kHz、50 kHz。

2．2 放大器組成

紫外光通信中常用的解調(diào)方法是2FSK(二進(jìn)制頻移鍵控)［7－8］，文中設(shè)計(jì)的頻移鍵控載波:發(fā)送“0”對(duì)應(yīng)30 kHz正弦波，發(fā)送“1”對(duì)應(yīng)50 kHz正弦波。因此，放大器中需要有濾波功能。放大器總體框圖如圖1所示。

圖1 放大器總體框圖

2．3 放大器工作原理

針對(duì)紫外光信號(hào)微弱的特點(diǎn)，信號(hào)首先經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，由光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)Sin，微弱信號(hào)首先經(jīng)過前置放大電路被放大100倍，然后經(jīng)過后級(jí)放大電路，后級(jí)放大電路可以實(shí)現(xiàn)增益1/100～100倍連續(xù)可調(diào)的功能，兩級(jí)聯(lián)放實(shí)現(xiàn)1～10000倍連續(xù)可調(diào)。被放大的信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)?；贔PGA的FIR數(shù)字濾波器有精度高、不受溫度影響、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，信號(hào)經(jīng)過數(shù)字濾波在30 kHz和50 kHz兩個(gè)頻點(diǎn)附近對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，達(dá)到精確濾波的目的。濾波后將得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，以滿足對(duì)信號(hào)不同的處理需求。

3 預(yù)放電路設(shè)計(jì)與仿真及AD轉(zhuǎn)換

3．1 前置放大電路設(shè)計(jì)與仿真

3．1．1 前置放大電路的設(shè)計(jì)

前置放大電路技術(shù)指標(biāo):放大倍數(shù)100倍，等效輸入噪聲電壓≤5 nV@30 kHz，50 kHz。

前置放大電路將接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。在實(shí)際工作中，由于電路中存在熱噪聲、光電探測器中的噪聲等固有噪聲，都會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生很大影響。前置放大電路的好壞直接影響后續(xù)電路對(duì)信號(hào)的處理，因此，必須保證前置放大電路噪聲足夠小，LMH6624MF是美國國家半導(dǎo)體(National Semiconductor)公司生產(chǎn)的一款具有高增益帶寬、低輸入噪聲的芯片，其放大倍數(shù)具有如式(1)關(guān)系，表1為LMH6624MF主要性能參數(shù)。

表1 LMH6624MF主要性能參數(shù)

式中，Av為集成運(yùn)放芯片LMH6624MF放大倍數(shù);Vout為輸出電壓;Vin為輸入電壓;Rf為反饋電阻;Rg為接地電阻。

前置放大器可以接成同向比例運(yùn)算放大器和反向比例運(yùn)算放大器，對(duì)于同向比例運(yùn)算放大器，引入了反饋，當(dāng)運(yùn)放具有理想特性時(shí)，輸入電阻應(yīng)為無窮大，但當(dāng)運(yùn)放特性不理想時(shí)，輸入電阻應(yīng)為一有限值。高輸入阻抗可以減小噪聲對(duì)信號(hào)的影響，芯片LMH6624MF具有高輸入阻抗(Common Mode時(shí)為6．6 MΩ，Differential Mode時(shí)為 4．6 kΩ)，因此前置放大電路采用LMH6624MF的同向比例運(yùn)算電路，所連接的電路圖如圖2所示。

圖2 前置放大電路

3．1．2 前置放大電路的仿真

用Multisim對(duì)前置放大電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，所選擇的輸入波形是頻率為30 kHz、振幅為10 mV的正弦信號(hào)。前置放大電路輸入輸出波形如圖3所示。

圖3 前置放大電路輸入輸出波形

當(dāng)輸入波形是振幅為10 mV的微弱正弦信號(hào)時(shí)，由于有效值和峰值的關(guān)系，所以示波器的輸入波形如圖3(a)所示，根據(jù)虛短和虛斷理論，圖2中Vin值為5 mV，又由式(1)可知，理論放大100倍應(yīng)該為500 mV，轉(zhuǎn)化為峰值約為707 mV，即理論輸出應(yīng)該為707 mV，又如圖3(b)所示實(shí)際輸出為689．433，兩者近似相等?？梢?，前級(jí)放大電路滿足設(shè)計(jì)要求。

3．2 后級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)及仿真

3．2．1 后級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)

后級(jí)放大電路技術(shù)指標(biāo):放大倍數(shù)為1/100～100連續(xù)可調(diào)，等效輸入噪聲電壓≤ 5 nV/@30 kHz、50 kHz。

前置放大電路將信號(hào)放大了100倍，總的設(shè)計(jì)指標(biāo)中要求放大倍數(shù)1～10000連續(xù)可調(diào)，那么對(duì)于后級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)，要求后級(jí)放大電路在1/100～100倍連續(xù)可調(diào);VCA610P是一款寬帶，連續(xù)可變電壓控制增益放大器。根據(jù)電路實(shí)測，單塊VCA610P在放大倍數(shù)為30 dB時(shí)，會(huì)出現(xiàn)自激震蕩。因此本設(shè)計(jì)用兩塊VCA610P級(jí)聯(lián)不僅能消除自激震蕩，而且還可以擴(kuò)大增益的動(dòng)態(tài)范圍到－80 dB～80 dB?？刂齐妷篤C可以接電位器調(diào)節(jié)增益。表2為該芯片主要性能參數(shù)。

表2 芯片VCA610P主要性能參數(shù)

通過改變控制電壓VC可以靈活的改變增益的大小，可以滿足后級(jí)放大的要求。放大倍數(shù)滿足如下的關(guān)系:

式中，G為電壓控制芯片VCA610P增益;VC為增益控制電壓。根據(jù)后級(jí)電路的要求以及芯片性能和使用方法，連接的電路如圖4所示。

圖4 后級(jí)放大電路

3．2．2 后級(jí)放大電路的仿真

用Multisim進(jìn)行仿真，圖5為后級(jí)放大電路輸入輸出波形，所用的測試源是10 mV、30 kHz正弦信號(hào)，設(shè)置VC電壓為－1．5 V。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，結(jié)合要求和前置放大電路自由設(shè)置增益，有特殊需要時(shí)可對(duì)后級(jí)放大進(jìn)行改進(jìn)，通過獨(dú)立對(duì)VC1和VC2分別進(jìn)行控制，不僅能夠使增益動(dòng)態(tài)范圍更加靈活，而且可以提高系統(tǒng)抗噪聲的性能。

分析方法和前置放大電路相似，當(dāng)VC1和VC2均為－1．5 V時(shí)，放大倍數(shù)應(yīng)該為100倍，所以理論輸出為707 mV。如圖5(b)，實(shí)際輸出為705．532，兩者近似相等，可見后級(jí)放大電路滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 后級(jí)放大電路輸入輸出波形

3．3 AD 轉(zhuǎn)換

AD轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換)，就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。主要有積分型、逐次逼近型、并行比較型、串并行型、Σ－Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。本設(shè)計(jì)采用AD9214作為AD轉(zhuǎn)換芯片，該芯片是一款低功耗高速10位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)采樣率最高可達(dá)105兆次/s。模擬信號(hào)經(jīng)過AD部分轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字信號(hào)被送入到FPGA中，進(jìn)行數(shù)字濾波。

4 數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)及仿真

4．1 數(shù)字濾波的原理

所謂的數(shù)字濾波器，是指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過一定運(yùn)算改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例或者濾除某些頻率成分的器件。數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、體積小、設(shè)計(jì)靈活、不要求阻抗匹配等優(yōu)點(diǎn)［9］。FIR數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性、因果性、線性相位等特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了FIR濾波器［10］。FIR濾波器的一般表示如下:

式中，x［n］是n時(shí)刻濾波器的輸入信號(hào);h［n］是濾波器的脈沖響應(yīng);h［i］是濾波器第i級(jí)的抽頭系數(shù);y［n］是濾波器的輸出;N是濾波器的抽頭系數(shù)，脈沖系數(shù)具有對(duì)稱和反對(duì)稱特點(diǎn)，如下所示:

而線性相位FIR濾波器的差分方程如下:

當(dāng)濾波器的階數(shù)為奇數(shù)和偶數(shù)時(shí)，線性相位結(jié)構(gòu)FIR濾波器如圖6所示。

圖6 線性相位結(jié)構(gòu)FIR濾波器

4．2 FIR數(shù)字濾波器的算法實(shí)現(xiàn)

數(shù)字濾波是一個(gè)卷積計(jì)算的過程，在計(jì)算中就要用到乘法器。而在硬件實(shí)現(xiàn)中，乘法器不僅消耗很多的資源，而且隨著乘法器數(shù)目的增加，系統(tǒng)處理速度明顯變慢。所以可以考慮采用分布式算法，將復(fù)雜的乘法器轉(zhuǎn)化為LUT(查找表)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)IR濾波器的IP核主要是用DA算法(分布式算法)實(shí)現(xiàn)的，利用LUT替換硬件當(dāng)中較難實(shí)現(xiàn)的乘法器，可以減少資源的消耗以及提高運(yùn)算速度。下面簡述一下分布式算法。

將式(3)變形為:

式中，hi即為 hi(x)，xi(n)即為 xi(n－i)。將xi(n)變換為2進(jìn)制的補(bǔ)碼形式:

式中，xib(n)為0或者1，表示xi(n)的第b位;C為數(shù)據(jù)位寬，xio(n)為符號(hào)位，取0(代表正數(shù))或者1(代表負(fù)數(shù))。將式(7)代入到式(6)中有:現(xiàn)，由此可見，DA算法簡化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，將復(fù)雜占用資源較大的乘法器用LUT代替，不僅可以減少資源的占用，而且可以提高處理速度，達(dá)到很好的實(shí)時(shí)性［11］。可以用LUT來實(shí)

4．3 FIR數(shù)字濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)

隨著FPGA的飛速發(fā)展，因?yàn)槠洳豢商娲膬?yōu)點(diǎn)正在成為數(shù)字電路設(shè)計(jì)的主流方案。合理的FPGA選型不僅可以避免設(shè)計(jì)問題，還可以減少成本、提高系統(tǒng)性價(jià)比、延長產(chǎn)品的生命周期等［12］。目前，Xilinx和Altera是世界上最大的兩家FPGA供應(yīng)商，分別有集成開發(fā)環(huán)境ISE和QuartersⅡ，這兩種開發(fā)環(huán)境支持本公司所有器件的開發(fā)而且可以獲得很多第三方合作伙伴的技術(shù)支持，方便產(chǎn)品的開發(fā)和獲得更高的性能。根據(jù)以上因素，選擇Xilinx公司的Virtex－6系列的XC6VCX240T－2FF784，該型號(hào)的FPGA具有豐富的硬件資源和較高的處理速度。特別是利用Xilinx公司的開發(fā)軟件ISE中的IP核，可以加速設(shè)計(jì)的進(jìn)行。利用MATLAB設(shè)計(jì)一個(gè)208階的帶通和帶阻級(jí)聯(lián)的濾波器［13］。得到FIR濾波器的頻譜圖如圖7所示。XC6VCX240T－2FF784資源利用評(píng)估如表3所示。

式(8)方括號(hào)中

圖7 FIR濾波器的頻譜圖

4．4 FIR數(shù)字濾波器的仿真驗(yàn)證

利用ISE 14．2對(duì)設(shè)計(jì)出來的濾波器進(jìn)行時(shí)序仿真，仿真圖如圖8所示，可見滿足時(shí)序要求，在Matlab空間運(yùn)行程序可得表4。

表3 XC6VCX240T－2FF784資源利用評(píng)估

圖8 FIR濾波器的時(shí)序仿真

表4 FIR濾波器Matlab分析

通過比較圖8和表4，對(duì)比兩者輸出，可以認(rèn)為濾波器滿足設(shè)計(jì)要求。

5 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

結(jié)合以上設(shè)計(jì)過程，可得放大器設(shè)計(jì)結(jié)果，如表5所示。

表5 放大器設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)表5可知，放大器設(shè)計(jì)達(dá)到了指標(biāo)的要求。由FPGA實(shí)現(xiàn)濾波，如有特殊需要，可通過編程改變?yōu)V波器指標(biāo)和效果，以適應(yīng)不同頻段通信要求，方便升級(jí)與維護(hù)。而且由于FPGA器件實(shí)時(shí)性比較好，所以能夠滿足通信中對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

6 結(jié)語

針對(duì)近地層紫外自由空間紫外光信號(hào)微弱的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于FPGA的微弱信號(hào)放大器。通過仿真測試表明，整個(gè)放大器的設(shè)計(jì)結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求。設(shè)計(jì)中采用了低噪聲器件，可用于微弱信號(hào)檢測放大。同時(shí)增益具有連續(xù)可調(diào)的功能，可以靈活方便的調(diào)節(jié)增益大小。利用基于AD算法的IP核設(shè)計(jì)的數(shù)字FIR濾波器，具有很好的幅頻特性，仿真表明，可以達(dá)到精確濾波的目的。

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