劉 虹

(廈門理工學(xué)院電子與電氣工程系，福建 廈門 361024)

基于FPGA的幅頻數(shù)字均衡器設(shè)計

劉 虹

(廈門理工學(xué)院電子與電氣工程系，福建 廈門 361024)

設(shè)計了一款以ALTERA公司Cyclone系列FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)芯片為控制核心的幅頻數(shù)字均衡器。原信號經(jīng)過衰減后由高速A/D芯片TLC55401進(jìn)行采集，而后送入由FPGA實(shí)現(xiàn)的IIR(無限脈沖響應(yīng))數(shù)字濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，再經(jīng)D/A芯片THS5651將補(bǔ)償后的信號輸出，經(jīng)低通濾波后，得到的輸出信號完全補(bǔ)償了信道造成的5dB衰減，幅頻均衡效果良好。

FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)；IIR(無限脈沖響應(yīng))；幅頻均衡

一個通信系統(tǒng)不可能完全滿足理想的波形傳輸無失真條件，因而出現(xiàn)串?dāng)_現(xiàn)象是不可避免的［1］。為了接收到比較理想的發(fā)送信號，必須對整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行矯正，以補(bǔ)償整個系統(tǒng)的幅頻和相頻特性。幅頻畸變是由幅頻特性不理想造成的，如電話線傳輸特性引起的幅頻畸變，在該畸變影響下，模擬信號將產(chǎn)生波形失真，數(shù)字信號將產(chǎn)生碼間串?dāng)_(ISI)，對此解決的方法是采用時域或頻域均衡技術(shù)。下面，筆者針對音頻信號在帶阻網(wǎng)絡(luò)信道中的衰減，在接收端添加線性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特性補(bǔ)償，并采用IIR濾波器實(shí)現(xiàn)。

1 方案論證

1.1核心器件選擇

設(shè)計一款數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)數(shù)字均衡，其核心算法既可選擇在FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)芯片上實(shí)現(xiàn)，也可選擇在DSP(數(shù)字信號處理)芯片上實(shí)現(xiàn)。DSP有專用的乘法器和針對FFT(快速傅里葉變換)算法的位倒敘尋址方式等，這些專門設(shè)計使得數(shù)據(jù)處理更加方便和快速。但DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器需要較復(fù)雜的外圍電路，而采用FPGA芯片時，可以通過DSP Builder并結(jié)合Matlab強(qiáng)大的濾波器設(shè)計功能來設(shè)計數(shù)字濾波器，該數(shù)字濾波器具有硬件執(zhí)行速度快的特點(diǎn)。所以，進(jìn)行方案設(shè)計時選擇ALTERA公司EP2C5T144C8N型FPGA為核心控制器件。

1.2數(shù)字均衡實(shí)現(xiàn)方案確定

均衡可以在時域或者頻域?qū)崿F(xiàn)，在頻域?qū)崿F(xiàn)均衡時，首先將輸入信號進(jìn)行FFT(傅里葉)變換，然后根據(jù)補(bǔ)償要求直接對信號的頻譜進(jìn)行縮放處理。由于處理的音頻信號頻率在中低頻附近，如果采用頻域均衡，對頻率的分辨率要求很高，這使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度提高。而時域均衡主要采用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，這使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度降低。數(shù)字濾波器包括選擇FIR(有限長單位沖激響應(yīng))濾波器或者IIR(無限脈沖響應(yīng))濾波器，其中FIR濾波器雖然實(shí)現(xiàn)比較簡單且工作穩(wěn)定，但要達(dá)到均衡目的需較高的階數(shù)，且硬件復(fù)雜度很高，而采用IIR濾波器時可以用較低的階數(shù)達(dá)到均衡目的。因此，采用IIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)幅頻均衡。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1總體結(jié)構(gòu)

以正弦信號為測試信號，該信號通過信道時引起幅頻畸變，該畸變信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后由數(shù)字均衡器進(jìn)行幅頻均衡處理，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后由低通濾波器輸出最終模擬信號。系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

2.2數(shù)字均衡器

圖2 信道幅頻特性曲線圖

信號經(jīng)過信道傳輸受到干擾時會引起信號畸變，因而必須對整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，使接收到的信號與所發(fā)信號之間的誤差在能夠接受的范圍內(nèi)。由于采用串接一個濾波器的方式可以補(bǔ)償整個系統(tǒng)的幅頻特性，因而稱該濾波器為數(shù)字均衡器［2］。設(shè)計均衡器時必須以信道的幅頻特性為基礎(chǔ)。通過實(shí)際測試，該設(shè)計中所要補(bǔ)償?shù)男诺婪l特性如圖2所示。

由圖2可知，該信道屬于帶阻網(wǎng)絡(luò)，其阻帶頻率下限為84Hz，阻帶頻率上限為4.4kHz，截止頻率下限為33Hz，截止頻率上限為10kHz。為了補(bǔ)償該信道的幅頻損失，數(shù)字均衡器應(yīng)采用帶通濾波器實(shí)現(xiàn)，其幅頻特性應(yīng)與帶阻網(wǎng)絡(luò)相反。經(jīng)調(diào)試，所設(shè)計的數(shù)字濾波器的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)字濾波器設(shè)計參數(shù)

由此得出該IIR濾波器的傳遞函數(shù)為：

式中，H(jw)為傳遞函數(shù)，jw為復(fù)頻率，Hz；Z為Z域自變量。

根據(jù)上述傳遞函數(shù)并利用Matlab建立濾波器仿真模型，該仿真模型包括直接Ⅱ型與級聯(lián)型2種類型［3］。

利用DSP Builder分別將以上2種濾波器模型轉(zhuǎn)化為VHDL文件，嵌入FPGA中進(jìn)行調(diào)試，F(xiàn)PGA的算法實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 FPGA算法實(shí)現(xiàn)框圖

經(jīng)硬件測試，發(fā)現(xiàn)直接Ⅱ型IIR濾波器對低頻信號的濾波效果不理想，出現(xiàn)了輸出信號失真的現(xiàn)象(見圖4)。在輸入信號相同的情況下，采用級聯(lián)型IIR濾波器能收到較好的濾波效果，沒有出現(xiàn)輸出信號失真的現(xiàn)象(見圖5)。因此，設(shè)計時采用級聯(lián)型IIR濾波器模型。

圖4 直接Ⅱ型IIR濾波器輸出信號 圖5 級聯(lián)型IIR濾波器輸出信號

2.3低通濾波器

為了使D/A轉(zhuǎn)換出來的波形不失真，在D/A輸出端加上低通濾波器濾除高頻波。低通濾波器電路圖如圖6所示。

2.4試驗(yàn)分析

為了測試幅頻數(shù)字均衡器的硬件性能，輸入多組不同頻率的信號，得到最終輸出信號頻譜如圖7所示。從圖7可以看出，輸出信號的增益曲線在10～20kHz范圍內(nèi)趨于直線，且增益變化不超過2dB，說明設(shè)計的數(shù)字均衡器能有效補(bǔ)償由帶阻網(wǎng)絡(luò)所引起的信道損失，從而達(dá)到了幅頻均衡的目的。

圖6 低通濾波器電路圖 圖7 輸出信號頻譜圖

3 結(jié) 語

利用Matlab強(qiáng)大的仿真功能，并結(jié)合DSP Builder對所設(shè)計的濾波器進(jìn)行硬件描述語言的自動轉(zhuǎn)換，可以避免在硬件上直接進(jìn)行浮點(diǎn)設(shè)計的麻煩。試驗(yàn)分析表明，基于FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的幅頻均衡效果，說明上述設(shè)計方法是可行的。

［1］曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信系統(tǒng)［M］.清華大學(xué)出版社,2007.

［2］李建生，杜慶治.幅頻畸變的均衡研究［A］.北京:中國通信學(xué)會第五屆學(xué)術(shù)年會論文集［C］. 2008:46-49.

［3］李彬.基于Matlab的IIR和FIR濾波器的濾波仿真教學(xué)體會［J］.河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009,9(1):68-70.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.043

TN911.72

A

1673-1409(2012)07-N127-03

2012-04-13

廈門市指導(dǎo)性項目基金資助項目(3502Z20099009)。

劉虹(1978-)，女，2001大學(xué)畢業(yè)，碩士，講師，現(xiàn)主要從事數(shù)字信號與信息處理及芯片應(yīng)用設(shè)計方面的教學(xué)與研究工作。

［編輯］ 李啟棟