基于FPGA的功率均衡IP核設計方法研究?

顧奕文 范 紅 倪 林 嚴 杰 肖 敏

（1.東華大學信息科學與技術學院 上海 201620）（2.東華大學數字化紡織中心 上海 201620）

（3.上海東方明珠傳輸有限公司 上海 201620）

1 引言

隨著軟件無線電技術［1］的迅猛成長，可以讓接收到的模擬信號轉化為數字信號［2～3］。如今，地鐵行業的快速崛起，那么地下通道會弱化廣播信號，對于傳統的自動增益控制系統（Automatic Gain Control，AGC）電路［4］，只能讓輸入信號幅值整體增大或者減小，不能起到對多路功率信號均衡化輸出，便不能讓廣播信號進行高質量傳輸。對于廣播信號每一路的功率有高有低，需要對多路信號進行功率均衡化，以保證廣播信號進行均衡輸出。本文針對廣播信號的功率均衡提供了二種方法，來進行延時性能上的比較，分別從時域以及頻域上分析，一種是利用FPGA 中IP 核FFT［5～7］對數字時域信號進行轉移到頻域，FFT 算法在數字廣播通信系統的調制與解調［8～9］以及現有硬件架構的研究具有重要意義［10］，對頻域信號進行移位求得平均功率，與平均功率做比較，達到功率均衡。另外一種是通過時域信號，根據中心頻率不一樣，通過多個FIR 帶通濾波器［11～13］和乘法累加器進行每一路信號的均衡，均衡過后經過積分求得功率均衡。通過FPGA 的行為仿真［14～16］對比需要的延時時間，來分析選取最好的功率均衡方法對廣播信號進行實時性處理。

2 功率均衡方法

2.1 頻域重疊分析法

對于接收到的廣播數字時域信號，利用256 點FFT 變換轉換到頻域，求得多路頻段內的頻域的功率信號，最后根據平均功率，使得功率均衡。硬件方面，運用ISE14.7 軟件［9］進行配置IP 核FFT，也就是對FFT進行移位運算求得平均功率，如果該頻段內的功率大于平均功率，則對整個頻段信號進行整個頻段線性減小，如果該頻段內的功率比平均功率小，則整個頻段線性增大，如果等于平均功率則保持不變，這樣使得功率均衡化，最后把功率均衡處理的信號發送出去。

2.2 時域重疊分析法

對于接收到的時域信號，由于FPGA 具有并行處理的能力，采取設計多路IP核FIR帶通濾波器進行濾波處理，處理之后，對每一路的時域信號進行乘法累加，達到每一路信號的時域信號均衡，最后經過積分求得功率均衡。硬件方面，為每一路信號添加不同的濾波器系數，由Matlab 設計生成，然后用Vivado 軟件對其數字信號進行濾波處理然后對多路廣播信號運用乘法累加器達到每一路時域信號均衡，然后通過設計積分器求得功率均衡，最后把功率均衡處理的信號發送出去。

3 功率均衡實驗及分析

3.1 頻域重疊方法實驗及分析

圖1 原信號的時域圖做256點FFT變換

1）首先對廣播信號頻率進行下變頻處理器之后，模擬輸入原信號，頻率為f1=700000Hz，f2=900000Hz，f3=1700000Hz 的sin 混合信號進行256點的FFT模擬仿真原信號求得原信號的256點FFT變換的幅度譜仿真波形，如圖1所示。

2）那么經過256 點的FFT 變換取得頻譜圖，進而用Matlab進而求得功率譜與頻率之間的關系，如圖2所示。

圖2 原信號的功率譜圖

3.2 時域重疊方法實驗及分析

用Matlab 對輸入的頻率f1=700000Hz，f2=900000Hz，f3=1700000Hz 的sin 混合信號進行仿真原信號沒有濾波前時域信號，如圖1所示。

1）以廣播信號下變頻后，中心頻率為0.3MHz，0.5MHz，0.7MHz，設計三個帶通濾波器的增益響應，如圖3（a）、（b）、（c）所示。

圖3 帶通濾波器的增益響應

2）信號通過一個采樣頻率為2200000Hz，帶寬為200kHz，由于廣播信號經過下變頻處理后，中心頻率較低，設計中心頻率為0.3MHz，0.5MHz，0.7MHz 的帶通濾波器，經過帶通濾波器之后的時域信號，如圖4（a）、（b）、（c）所示。

圖4 濾波后的時域圖

3）可以用Matlab 對輸入信號每一路中心頻率（0.3MHz，0.5MHz，0.7MHz）信號進行時域均衡，如圖5所示。

圖5 每一路信號時域均衡

對收到的下變頻后的每一路時域信號，進行時域均衡，最后利用積分達到功率均衡。通過對廣播時域信號建立多個帶通濾波器，設置不同的中心頻率利用乘法加法器來進行多路的廣播時域信號均衡后，再采用積分器進行求得功率均衡，以此來完成整個功率信號的均衡。

4 二種IP核設計方法

4.1 IP核FFT頻率信號功能仿真

對ISE14.7 軟件進行設計256 點的IP 核FFT 設計，對其輸入信號做256 點FFT 變換輸入一些數字信號值做傅立葉變換，然后通過移位操作來求得平均功率，實現功率均衡。設計256 點的FFT 的IP 核進行對輸入信號的功率均衡，建立一個。txt 文件，由于廣播時域信號下變頻之后，收到的都是原信號的數字信號，取值為1 8 1 3 0 8 1 1 2 4 1 2 1 0 7 2 4 8 0 1 2 1 8 1 5 2 1 6 2 7 0 1 3 4…，那么對接收到的原信號的一些數值進行FFT變換之后，采取單信道256點FFT，進行頻域取樣，如圖6所示。

圖6 IP核FFT的仿真

仿真圖形可以看出clk 代表輸入時鐘，xn_re 代表輸入信號的數字信號，xk_re 代表輸出信號的數字信號，可知該設計IP 核FFT 從頻域上處理，實時處理的話，延時時間非常大，延時時間為2420ns，dv=2420ns 時，開始有輸出信號，因為dv 代表的是輸出數據的有效信號，當輸出端口xk_re，xk_im 存在有效數據時變高。那么ISE 軟件對時域信號進行FFT 變換后，得到的頻率信號后，也就是對功率信號進行移位操作，求得平均功率，最后求得頻域信號的功率均衡，為方便直觀分析，然后把ISE 軟件中經過功率均衡后處理的數字信號，ISE 軟件生成輸出文件.txt 文件導入Matlab 中求得功率均衡，如圖7所示。

圖7 ISE導出信號功率均衡圖

對比圖2 可知，基本與滿足原信號的功率均衡。由于該設計的IP 核FFT 延時時間太長，延時2440ns，不易于廣播信號實時處理，考慮到FPGA具有并行處理的能力，所以采取另外一種從時域的角度來處理接收到的數字信號，那么采取設計多路IP核FIR帶通濾波器來進行功率均衡。

4.2 IP核FIR帶通濾波器時域信號功率仿真

在Vivado上進行仿真驗證，首先做一個輸入的文檔命名data_input.txt.文檔，那么原信號的一些數值為1 8 1 3 0 8 1 1 2 4 1 2 1 0 7 2 4 8 0 1 2 1 8 1 5 2 1 6 2 7 0 1 3 4…的16 進制，因linux 下面$readmemh 添加絕對路徑，那么設置數值為16 進制，然后進行Matlab 匹配濾波器的系數的設置，FIR 數字濾波器［10～12］設計方法主要有三種：窗函數法，頻率取樣法和等波紋設計法。

接收的廣播原信號下變頻之后，以中心頻率0.7MHz 為例，其他的中心頻率同理可設置，那么采樣頻率Fs=2200000Hz，Rs=0.01 的阻帶衰減，帶通，帶阻設計為600000 620000 780000 800000，基于Kaiserord窗函數設計帶通濾波器，在Matlab中利用命令函數FDATOOL 調出濾波器，并設置好一個帶通濾波器，用來生成濾波系數，該濾波器系數用來設計FIR的IP核系數，如圖8所示。

圖8 0.7MHz濾波器系數生成

設計好濾波器之后進行濾波器系數的生成，這里的數據采用的是Matlab 生成的C 語言，調用部分輸入數據為x，用Matlab進行數字驗證如下：

圖9 Matlab驗證仿真

用Vivado設計IP核FIR的帶通濾波器，那么采用Matlab 生成的FIR 帶通濾波器系數daitong.Coe文件進行設計輸入數據，然后輸入數據data_input.txt.成功設計其中的一個FIR 帶通濾波器的IP 核設計，如圖10所示。

圖10 配置0.7MHz濾波器系數

輸入濾波器系數，即可對IP 核進行設計，進行仿真濾波，如圖11所示。

圖11 FIR帶通濾波器IP設計仿真

從圖11 的Vivado 仿真波形可以看出延時時間為1500ns，s_axis_data_tdata 輸入信號的數值是取了原輸入信號的有限個16 進制的數1 8 1 3 0 8 1 1 2 4 1 2 1 0 7 2 4 8 0 1 2 1 8 1 5 2 1 6 2 7 0 1 3 4…，m_axis_data_tdata 輸出的數值301，2800，…跟Matlab 仿真的數值基本上一致，所以說實現帶通濾波器的效果，完成了一個帶通濾波器的FIR的IP核設計。由于FPGA 具有并行處理的能力，那么再同理設計另外一個帶通濾波器，那樣處理時間相當于處理一路信號的時間，大大節省了FPGA 進行信號處理的時間，由此可以設計多個這樣的帶通濾波器，同理帶通帶阻設計為200000 220000 380000 400000（中心頻率0.3MHz）的IP核FIR，以及帶通帶阻設計為400000 420000 580000 600000（中心頻率0.5MHz）的IP 核FIR，對收到的下變頻后的每一路時域信號經過乘法累加，達到時域均衡，然后通過積分器得到信號功率均衡。

從圖11 中看出m_axis_data_tdata 輸出信號的延時時間為1500ns，而由圖6 可知IP 核FFT 設計的信號延時時間為2420ns，相比較與IP核FFT的延時時間比較短，所以采用多路FIR帶通濾波器IP核來設計對輸入的廣播信號進行功率均衡是最優的辦法。對原輸入時域信號輸出時域信號的功率均衡后利用Vivado 軟件生成文件data_output.txt 導入軟件Matlab中得到功率均衡的信號，如圖12所示。

圖12 vivado導出的功率均衡圖

5 結語

通過建立仿真分析可得，對于二種功率均衡的處理方法，建立多路帶通濾波器IP核FIR的延時時間要明顯小于利用IP 核FFT 做頻域方面來功率均衡的延時時間，所以處理廣播信號應該選擇多路IP核FIR 帶通濾波器來實現功率均衡更為有優勢，采用犧牲更多的硬件資源為代價換取性能和時間上的優化，比傳統的AGC 自動增益控制系統要更加具有靈活性，使得以后對廣播數字信號的實時處理性更加的快速、高效。