基于FPGA的電臺(tái)接口轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

摘要：目前市場(chǎng)上電臺(tái)接口轉(zhuǎn)換模塊大多都采用模擬電路，其帶來(lái)穩(wěn)定性差，工藝復(fù)雜等缺陷。通過(guò)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)處理信號(hào)通信，提高信號(hào)的傳輸速率和降低傳輸?shù)恼`碼率，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)省信道資源。這里采用FPGA作為核心芯片來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，利用DSP Builder來(lái)仿真FFT實(shí)驗(yàn)，用OuartusⅡ軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)此接口轉(zhuǎn)換模塊，最終獲得的模塊電路系統(tǒng)穩(wěn)定，PTT信號(hào)更純凈。
關(guān)鍵詞：FFT；FIR；Cordic算法；穩(wěn)定處理

    一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線電臺(tái)通信采用半雙工通信方式，一方在發(fā)送話音信號(hào)的同時(shí)，不能接收另一方的話音信號(hào)。因此電臺(tái)的通信接口分為兩部分，一部分為話音信號(hào)接口，用于發(fā)送接收話音，另一部分為PTT控制信號(hào)接口，用于控制電臺(tái)的發(fā)送接收狀態(tài)。然而，目前有許多通信設(shè)備，如民航、海事、鐵路交通的內(nèi)部通信以及應(yīng)急通信等，為了實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的遠(yuǎn)程遙控，并且節(jié)省信道資源，將PTT控制信號(hào)調(diào)制成已知的單頻信號(hào)與話音信號(hào)一起發(fā)送，確保PTT控制信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。?dāng)內(nèi)通設(shè)備與電臺(tái)直接相連時(shí)，接口不兼容。因此需要設(shè)計(jì)一種電臺(tái)接口轉(zhuǎn)換模塊，能夠?qū)晤l信號(hào)與話音信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，實(shí)現(xiàn)電臺(tái)與內(nèi)通設(shè)備的通信。
    現(xiàn)代的大規(guī)模FPGA既能處理過(guò)去DSP處理器領(lǐng)域的功能，同時(shí)又大大地降低專(zhuān)用集成電路方案的風(fēng)險(xiǎn)和前期成本，因此采用FPGA作為核心芯片和先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)將為開(kāi)發(fā)帶來(lái)諸多的優(yōu)勢(shì)。

1 設(shè)計(jì)原理
    基于FPGA的電臺(tái)接口轉(zhuǎn)換模塊是基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，將設(shè)備的話音信號(hào)通過(guò)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)捷斎刖彌_區(qū)，數(shù)字話音信號(hào)一方面經(jīng)過(guò)FIR(Finite Impulse Response)帶阻濾波器，濾除某一已知的單頻信號(hào)，發(fā)送到輸出緩沖區(qū)，再通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為話音信號(hào)，傳輸給電臺(tái)；另一方面，通過(guò)時(shí)頻變換、閾值檢測(cè)以及穩(wěn)定處理三個(gè)步驟，檢測(cè)出單頻信號(hào)，據(jù)此產(chǎn)生PTT(Push-to-Talk)控制信號(hào)輸出，其接口轉(zhuǎn)換模塊功能框圖如圖1所示。

2 FFT處理器設(shè)計(jì)
    在Altera可編程邏輯器件中數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要能夠同時(shí)具有高速運(yùn)算以及硬件語(yǔ)言描述的開(kāi)發(fā)工具。Altera DSP Builder集成了這些工具。Altera公司的DSP Builder大大縮短了DSP開(kāi)發(fā)周期，在友好開(kāi)發(fā)環(huán)境里它能幫助使用者生成一個(gè)有關(guān)DSP設(shè)計(jì)的高級(jí)硬件描述語(yǔ)言。IP中的FFT MegaCore function是一個(gè)具有良好性能，高度參數(shù)化的快速傅里葉變換的進(jìn)程。該設(shè)計(jì)采用DSP Builder模型這個(gè)共享開(kāi)發(fā)平臺(tái)中的Megacore functions完成FFT處理器和FIR陷波濾波器的設(shè)計(jì)。
    I／O數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如下：
    在FFT MegaCore宏功能模塊中主要的參數(shù)指標(biāo)就是數(shù)據(jù)流相應(yīng)的時(shí)序規(guī)則，下面簡(jiǎn)要介紹一下流結(jié)構(gòu)的時(shí)序原理圖，如圖2所示。

    在圖2中，sink_valid是FFT模塊的輸出信號(hào)，它表示FFT處理器是否做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。sink_ready和sink_valid都處于高位時(shí)，F(xiàn)FT開(kāi)始運(yùn)行，等待sink_sop信號(hào)置位開(kāi)始輸入數(shù)據(jù)，只要這兩個(gè)信號(hào)中任一個(gè)信號(hào)置低位，就表明FFT還未準(zhǔn)備好，F(xiàn)FT將處于等待狀態(tài)，直到這兩個(gè)信號(hào)都處于高位才開(kāi)始運(yùn)行。sink_sop是一幀信號(hào)傳輸?shù)钠鹗夹盘?hào)，sink_eop表示一幀信號(hào)傳輸結(jié)束信號(hào)。

3 FIR陷波濾波器的設(shè)計(jì)
    窗函數(shù)設(shè)計(jì)法在設(shè)計(jì)常用FIR數(shù)字濾波器中有非常廣泛的應(yīng)用，正確的選擇窗函數(shù)可以提高所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器的性能，或者在滿足技術(shù)指標(biāo)的條件下，減少FIR數(shù)字濾波器的階數(shù)。窗函數(shù)設(shè)計(jì)法主要目標(biāo)是獲得最窄的主瓣寬度和盡可能大的旁瓣衰減。若阻帶衰減不高，則濾除不干凈，衰減過(guò)高，可能將有用信號(hào)也一并濾除。據(jù)資料可知，矩形窗、漢寧窗的阻帶衰減很低，海明窗較好一點(diǎn)，布萊克曼窗應(yīng)該是最恰當(dāng)?shù)摹?br />     圖3是加布萊克曼窗后的陷波濾波器，采用Matlab工具產(chǎn)生，橫坐標(biāo)為頻率范圍，縱坐標(biāo)為各頻率點(diǎn)上的幅度。

    由圖3可知，陷波濾波器在頻率為2 kHz的地方幅度最低，達(dá)-60 dB，其過(guò)渡帶寬200 Hz，大體上能滿足設(shè)計(jì)的需求。

4 Cordic算法實(shí)現(xiàn)求模
    目前實(shí)現(xiàn)Cordic算法主要有兩種基本的結(jié)構(gòu)：較為簡(jiǎn)潔的狀態(tài)機(jī)和高速全流水線處理器。在此采用高速全流水線處理器。在流水線結(jié)構(gòu)中，各階段數(shù)據(jù)處理不影響后面數(shù)據(jù)的輸入，在每個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)是將各階段的數(shù)據(jù)不斷前移，后面的數(shù)據(jù)不斷輸入，猶如一個(gè)FIFO緩沖期，在每個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)地址不斷向前移一位，后來(lái)的數(shù)據(jù)不斷的往里輸，在各時(shí)鐘周期不同地址間數(shù)據(jù)不會(huì)相互影響。這就保證了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能不斷地流入而不會(huì)導(dǎo)致沖突。圖4所示為5級(jí)迭代快速Cordic流水線結(jié)構(gòu)：
    如圖5所示，采用QuartusⅡ的SignalTap采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算其準(zhǔn)確率高達(dá)98％以上，能夠滿足設(shè)計(jì)的需求。根據(jù)圖5所示計(jì)算mmsource_ exp信號(hào)，此信號(hào)是指數(shù)修正信號(hào)，是有符號(hào)型，將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)的-2。先計(jì)算頭二組mmsource_real信號(hào)和mmource_imag信號(hào)數(shù)據(jù)。它們也是有符號(hào)數(shù)，因此將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為{-1，-80；-2，-17；-11，-53；26，-51}，而根據(jù)Cordic算法得出的結(jié)果從圖5中讀出，依次為{5 209；1 113；3 517；3 723}。而實(shí)際經(jīng)模修改后得到的標(biāo)準(zhǔn)值分別為{5 120；1 088；5 317；3 648}。

5 穩(wěn)定處理
    FFT閾值法的原理是先對(duì)原始信號(hào)做FFT處理，適當(dāng)預(yù)設(shè)濾波閾值，將低于該閾值的頻帶設(shè)定為無(wú)效信號(hào)，定義為接收器沒(méi)有接收到信號(hào)。當(dāng)然閾值以下，并不能代表該周期產(chǎn)生了單頻信而由于信道上或者硬件本身的干擾，單檢測(cè)周期的測(cè)量值超過(guò)閾值或者在號(hào)或沒(méi)產(chǎn)生。僅憑單檢測(cè)周期的閾值檢測(cè)而產(chǎn)生PTT控制信號(hào)會(huì)帶來(lái)話音控制的不穩(wěn)定性。
    設(shè)計(jì)的算法能極大地提高閾值測(cè)試的穩(wěn)定性。具體處理如下，流程如圖6所示。

    為實(shí)現(xiàn)該功能，需自定義一個(gè)計(jì)數(shù)器，初始值為0，計(jì)數(shù)器值定義在0到T(T>0)之間。若在加操作中使計(jì)數(shù)器值大于T，則將計(jì)數(shù)器值飽和到T；若在減操作中使計(jì)數(shù)器小于0，則將計(jì)數(shù)器值飽和到0。
    第一步，檢測(cè)測(cè)量值是否過(guò)閾值。若過(guò)閾值，計(jì)數(shù)器值加m，進(jìn)行第二步；若不過(guò)閾值，計(jì)數(shù)器值減n，進(jìn)行第四步。
    第二步，若計(jì)數(shù)器值大于T，則飽和到T值。進(jìn)行第三步。
    第三步，檢測(cè)計(jì)數(shù)器值，若計(jì)數(shù)器值等于T，則啟動(dòng)輸出PTT控制信號(hào)，結(jié)束流程；若計(jì)數(shù)器值小于T，則維持上一次的PTT控制信號(hào)輸出狀態(tài)，結(jié)束流程。
    第四步，若計(jì)數(shù)器值小于0，則飽和到0值。進(jìn)行第五步。
    第五步，檢測(cè)計(jì)數(shù)器值，若計(jì)數(shù)器值等于0，則取消輸出PTT控制信號(hào)，結(jié)束流程；若計(jì)數(shù)器值大于0，則維持上一次的PTT控制信號(hào)輸出狀態(tài)，結(jié)束流程。
    在流程中，m，n值的選擇取決于信道上或者硬件本身干擾的大小。若沒(méi)有單頻信號(hào)而誤檢出單頻信號(hào)的錯(cuò)誤概率比較大，則m的取值應(yīng)較小；反之，若沒(méi)有單頻信號(hào)而誤檢出單頻信號(hào)的錯(cuò)誤概率比較小，則m的取值可以較大。同理，若有單頻信號(hào)而未檢出單頻信號(hào)的錯(cuò)誤概率比較大，則n的取值應(yīng)較小；反之，若有單頻信號(hào)而未檢出單頻信號(hào)的錯(cuò)誤概率比較小，則n的取值可以較大。
    圖7所示，在CycloneⅢ實(shí)驗(yàn)板運(yùn)行時(shí)采用SignalTapⅡ?qū)顟B(tài)機(jī)的各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，保證狀態(tài)機(jī)運(yùn)行良好。將相關(guān)程序下載到Cyclone-Ⅲ芯片里，實(shí)時(shí)采集音頻數(shù)據(jù)對(duì)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行分析。

    在圖7中，mmod在一個(gè)采樣周期結(jié)束后ostart信號(hào)被觸發(fā)，其獲得的總能量為1 427，比預(yù)設(shè)閾值要低，因此ocounter1的狀態(tài)不變，仍保持在第0狀態(tài)，而ocounter2的狀態(tài)則由第3狀態(tài)跳到第2狀態(tài)，這實(shí)踐的結(jié)果和理論都是保持一致的，可以說(shuō)明程序的正確性，狀態(tài)機(jī)運(yùn)行正常。

6 結(jié)語(yǔ)
    本文可以用于一切需要PTT信號(hào)端的設(shè)備上，應(yīng)用極其廣泛，如：對(duì)講機(jī)、飛機(jī)場(chǎng)指揮塔的應(yīng)答系統(tǒng)以及目前已在美國(guó)推出的PTT手機(jī)業(yè)務(wù)等均運(yùn)用到該技術(shù)。而在做該課題時(shí)遇到一些問(wèn)題，如：陷波濾波器其阻帶帶寬偏大，需要尋求一種更好的算法來(lái)解決其帶寬問(wèn)題；其次，F(xiàn)IR消耗內(nèi)存較大，這樣會(huì)消耗大部分的FPGA邏輯資源，會(huì)導(dǎo)致較大系統(tǒng)的資源不夠，因此需要設(shè)計(jì)更好的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)和算法來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題。這將是筆者以后需要繼續(xù)研究學(xué)習(xí)的。