多路突發信號數字分路及其FPGA實現技術

岳 田

中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081

0 引言

數字分路信道化技術是數字信號處理領域研究的熱點，得益于數字分路技術目前國內外的衛星通信系統如MF-TDMA/TDM、星狀網等迅速發展，一個中央站或星上載荷設備能夠處理多站信號，使得站型和終端的處理能力大大增強。例如基于MF-TDMA/TDM 體系進行星上處理和星上交換的歐洲EuroSkyWay 系統已經得到了廣泛的應用，其上行采用MFTDMA 方式，可同時支持102 個160Kbps、32 個512Kbps 和8個2048Kbps 速率的載波。本文針對TDMA 系統提出了一種易于FPGA 實現的多路突發信號的數字分路方法，該結構具有能夠滿足同時處理多路信號的能力，本文以16 路突發信號的數字分路為例描述了其FPGA 實現結構。

1 數字化分路技術的理論分析

實現多路信號數字分路有多種方法，其中最常用的有：帶通濾波器組法、樹形結構濾波器組法和多相陣列FFT 法。三種算法各有優缺點，帶通濾波器組法和樹形結構濾波法雖然相比多相陣列FFT 法簡單，但實現困難，且隨著分路路數的增加，計算復雜度及效率將成倍增長，以致于難于實現應用。因此對多相陣列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 數字分路算法的多相濾波器組的實現。

多相陣列FFT 數字分路算法是基于多抽樣率變頻的數字信號處理技術，其實現結構是從均勻DFT 濾波器組數學模型引申出來的。DFT 濾波器組最基本的數學模型是在經過DFT濾波器組濾波計算后，每個通路用復調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，對其進行離散傅立葉變換即可得到第k 個通路的信號 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 數字分路FPGA 實現設計

數字分路技術的FPGA 實現主要由三部分組成。首先進行多相濾波器組的FPGA 實現設計，多相濾波器組實現結構如圖2 所示，其中多相濾波器組主要是由N 列存儲器構成，每列存儲器有16 個數據單元，且每列存儲器的數據單元之間是可連續移動的，在采樣時鐘的作用下，每移入一個信號數據采樣點，由于各列連續組成結構類似于移位寄存器，采樣點就順次在大存儲器中串行依次移動，當移入12 個采樣點后，每列存儲單位中的數據分別與對應濾波器系數相乘相加后得到各路成型匹配后的濾波結果，各系數查找表可以復用從而節約資源。其次在完成匹配濾波后，分別對每列做16 點FFT 并行運算，從而將分路后的各路信號移入基帶。16 點FFT 運算部分可以通過基2 的FFT 蝶形運算的并行實現結構。

圖2 多相濾波器組的FPGA 的實現結構

按照上述相同的過程不斷循環完成下一組12 個采樣數據的匹配濾波、FFT 運算、消除頻偏的計算過程，從而完成多路信號數據的數字分路過程。

利用Matlab 對5 路多路信號分路實現過程進行仿真，如圖3 所示仿真為分路前合路信號頻譜及分路后第一路信號的眼圖，從眼圖可以看出經過分路以后眼圖張開得很好。通過FPGA 硬件實現整體解調，各路采用LDPC 碼后在信噪比為4.5dB 時，誤碼率可以達到1 ×10-6。

圖3 5 路合路信號頻譜及第1 路信號的眼圖

3 結論

本文針對TDMA 系統，從實現可行性的角度對多路突發信號的數字分路原理及其FPGA 實現進行深入的研究，提出了相應的實現方案。通過這種方案的實現可以得到每路信號每個符號抽取兩個采樣點，易于后續整體解調的實現，便于工程實現，適用于同時處理多路信號的場合，特別適合星狀網通信系統中心站。

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