（通信与信息系统专业论文）数字微波收发信机（基带、中频）研究.pdf

g 立銮适叁堂亟堂位迨塞虫奎垣噩 中文摘要 摘要：数字微波设备目前已广泛应用于我国移动网和专有网中。为了适应市场的 需求，本文提出一种高性价比，接口灵活，低成本，高集成度的数字微波设备( 基 带、中频) 的实现方法。具有一定的经济价值。 本文从对比现有的微波设备入手，到芯片选型、方案论证提出了一种高性价 的数字微波设备的设计方案。其主要体现在一款应用数字卫星地面接收芯片 s t v 0 2 9 9 作为基带接收芯片，结合s t v 0 2 9 9 芯片内部功能在基带发送端采用f p g a 芯片实现其相对应的功能，并选择合适的芯片搭建了微波设备的中频硬件平台。 本系统对一些关键技术的探究，例如r e e d s o l o m o n 码、卷积交织、数字成形滤波、 中频a g c 和本振等模块，对以后满足不同用户需要，设计不同的数字微波设备有 借鉴意义。 最后针对系统的特点，我们制定出具体的测试方案，对设计的系统进行了性 能测试。通过分析测试结果和理论分析结果，得到了一些有用的结论，在这些结 论的基础上提出了进一步的改进方案。 关键词：s t v 0 2 9 9 ；f p g a ；r s 编码；卷积交织；数字成形滤波；自动增益控制 分类号：t n 9 2 5 e 宝銮暹左堂亟堂垃迨塞旦s ! b i a b s t r a c t a b s i r a c i ： d i g i t a lm i c r o w a v ee q u i p m e m sh a db e e nu s e di nt h em o b i l en e ta 1 1 ds p e c i a ln e t f o r t h en e e do ft h em a r k e to fc o m m u n i c a t i o n ，i nt h ep 印e r ，i tm e m i o i l sam e t h o do f i m p l e m e mo fd i g i t a l m i c r o w a v ee q u i p m e m ( b a s e b a n d ，i f ) ，w i l i c hi sah i 曲 p r i c e - t o p e r f o r m a n c er a t i o ，1 0 w e rc o s t ，s m a n e ri n t e h c e s ，h i g h e ri m e 掣a t e dd e v i c e e l e c t r o n i c s i tm u s th a v ea ne c o n o m i cv a l u e i nt h i sp a p e r ，s c h e m eo ft h eh i g hp r i c e - t o p e r f o r n l a l l c em i c r o 、v a v ee q u i p m e n ti s d e s i g | l e dh a v i n gs t a n e dw i t hn o wa v a i l a b l ec o n t r a s tw i t hm i c r o w a v ee q u i p m e n t ，t y p e c h o i c eo fc h i pa n dp r o j e c td e m o n s t r a t i o n i te m b o d i e st h a tac h i ps t v 0 2 9 9 ，a p p i y i n g f o rd i g i t a ls a t e l l i t et r a i l s m i s s i o na n ds e t t o pb o x e s ，i su s e da sr e c e i v e ri nt h eb a s e - b a l l d c o m p a r i n g 衍t ht h ef u n c t i o n so fs t v 0 2 9 9 ，t h ef p g ai s u s e dt oi m p l e m e n tm e s e f h “o n si nt h eb a s e - b a n dt r a n s m i s s i o na n d 也ec h i pc h o o s i n gr i g h t l yp u t su pt h e i m e n n e d i a t ef e q u e n c yh a r d w a r ep l a t f o r i l lo fm i c r o w a v ee q u i p m e m i nt h i ss c h e m e ， s o m er e s e a r c h e so fk e y t e c l l l l o l o g y ， s u c ha sr e e d s 0 1 0 m o n c o d e r ， c o n v o l u t i v e i m e r l e a v e r ，d 垃i t a ls h a p i n gf i l t e r ，a u t o m a t i cg a i nc o n t r o la n dl 0 ，h a v et h em e a n i n go f s 撕s 聊n gw i t ht h eh e r e a r e rt h ed i f f e r e mc o n s u m e rn e e da n dd e s i g l l i n gm ed i 恐r e m m i c r o w a v ee q u i p m e m a tl a s t ，w es e td o w nad e t a i l e dt e s tp i a l la n de x e c u t ei tt oo u rs y s t e m t 1 1 r o u 啦t h e t e s t ，w ed m ws o m eu s e f u ic o n c l u s i o n s ，a n dm a k ei m p m v e m e n tb a s e do nt h er e s u l to f t h et e s ta n dt h ea n a l y s i so f t h et h e o r y k e y w 0 r d s ：s t v 0 2 9 9 ；f p g a ；r - sc o d e r ；c o n v 0 1 u t i v ei n t e r l e a v e r ；d i 百t a ls h 印i n g f i l t e r c l a s s n o ：t n 9 2 5 致谢 本论文的工作是在我的导师陶成副教授的悉心指导下完成的，陶成副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 陶成老师对我的关心和指导。 陶成副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向陶成老师表示衷心的谢意。 陶成副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘留、张强等同学对我论文中中频电路设计 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 j s塞 銮适太堂亟堂僮迨塞l直 1 1 课题研究背景及意义 1 引言 从本世纪7 0 年代中、后期发展起来的数字微波通信，到今天为止已经经历了 2 0 多年的历程。作为对人类的通信建设起到过重要作用的数字微波通信技术，曾 经和卫星、光纤一起被称为现代通信传输的三大支柱，有过自己的辉煌岁月，但 也遇到了挑战和冷落。 随着9 0 年代以来，以大容量光纤传输作为国家信息高速公路的主要传输手段， 数字微波逐渐退出主力的身份。但数字微波通信作为数字微波作为一种无线传输 方式，在灵活性、抗灾性和移动性方面具有光纤传输所无法比拟的优点，这也是 它的优势所在。 1 干线光纤传输的备份及补充。如点对点的s d h 微波、p d h 微波等。主要用 于干线光纤传输系统在遇到自灾害时的紧急修复，以及由于种种原因不适合使用 光纤的地段和场合。 2 点对多点微波通信系统。农村、海岛等边远地区和专用通信网中为用户 提供基本业务的场合这些场合可以使用微波点对点、点对多点系统，微波频段的 无线用户环路也属于这一类。但也遇到光纤通信的激烈竞争。 3 城市内的短距离支线连接。如移动通信基站之间、基站控制器与基站之 间的互连、局域网之间的无线联网等等。既可使用中小容量点对点微波，也可使 用无需申请频率的微波数字扩频系统。 4 未来的宽带业务接入( 如l d s ) ( 无线光纤通信技术) 5 军用数字微波通信系统，主要解决抗干扰和加密等问题。 而从我们国家日前实际存在的中继传输网的现状和结合本地电话网中的中继 传输网的现状来看，由于目前网上现有的准同步数字序列( p d h ) 设备的规模容量 较大，同步数字序列( s d h ) 设备完全取代p d h 设备，既不现实，也无必要。目前 本地电话网中的主要业务仍以电话业务为主，在信息高速公路相连接的支路和叉 路上，p d h 设备仍将有用武之地。 技术发展趋势方面，为了适应市场的需求，中小容量的p d h 数字微波设备的 技术发展很快。早期的中小容量p d h 数字微波设备的工作频段主要在8 g h z 以下， 采用的主要技术有：f s k 或q p s k 的调制方式、低噪声放大、线性功率放大器、中 频a g c 和本地介质振荡器等。其接口均为单一的g 7 0 3 的e 1 和e 3 的接口，系统 j e立窑垣盔堂题芏垃迨塞i l 直 的管理采用监控的方式实现。目前髓着微捩技术的发展，新一代的中小容量p d l j 数字微波传输系统的工作频段已扩展到1 3 g h z 、1 5 g h z 、1 8 g h z 到4 0 g h z 的范围。 新型的p d h 数字微波设备的射频单元采用了集成度非常高的微波集成电路，提高 了设备的稳定性和可靠性，降低了设备的功耗；在接口技术上，在传统的e 1 接口 的基础上增加丁1 0 b a b e t l o o b a s e t 以太网接口以及其他的电路接口，使p d h 微波设备完全可以作为接入设备使用；系统的管理采用s n m p 的尉络管理协议，提 高了网络管理的能力。新一代的中小容量p d 】1 数字微波以其完善的接口、简单灵 滔的安装调测方式成为传输和按入的两栖设各。 在移动网朐建设中，基站和基站控制器之间的e l 传输电路采用p d h 数字微波 来解决，是目前中国移动和中国联通移动刚建设的主要方案之一。因此移动网的 建设对微波的需求较大。 对于其他的专网来说，数字微被同样是网络建设首选的技术之一，如电力、 水利、广电网络等，近几年都把数字微波作为网络建设不可或缺的技术之一。电 力系统采用p d h 数字微波在城嘲和农网的改造中构建电力调度系统的传输通道； 水利系统采用p d i 数字微波传送水文信息；广电网络也采用p d h 数字微渡构建视 频、数据多业务的传输通道。 总之，p d i i 数字微波技术目前虽没有大规模的建设高潮，但市场需求却处在一 种稳定的发展之中。p d h 数字微波在中国仍然是大有可为的。 在设备供应方面，目前供应国内p d h 微波市场的厂家有大唐、地杰、n e c 、哈 里斯等，其中大唐的d t l i n k 中小容量p d h 数字微波系统是新一代p d h 数字微波设 各的典型代表，代表了目前p d h 数字微波设备的发展方向。该系统的频段覆盖了 从7 g h z 到4 0 g h z 的范围：系统可按l 十0 和l + l 的波导配骨；采用新颖的分体化 结构、先进的数字化方案和软件技术：基带处理和全数字调制解调集成在一块a s i c 芯片上；基于s n m p 界面的友好刚管界面，容量从e 3 到e l 阻及信道频率可通过网 管设定；插件设计实现了灵插的接口配置，兼容a t m 帧巾继以及1 0 b a s e t l 0 0 8 a s e t 以太网插件接口，支持无线网桥的应用。 要使p d h 微波设备有更好的发展，就必须在当前的市场中有正确的定位，突 破一些技术或者用更少的成本换取设备的稳定性，从而使高性价比的微波更适应 市场的需求。所以一种高性价比的数字微波设备研究就显现的尤为必要。 1 2 本课题的研究任务及结构 本课题根据现窭的需要，将研究的重点设定为符合要求的高性价比，接口灵 活，低成本，高集成度的数字微波设备。提出了一种基于q p s k 调制的数字微波通 j e塞窑道盔堂亟堂焦途塞i i直 信( 基带、中频) 系统。它可以提供可选择的4 e 1 8 e 1 1 6 e 1 的接口。采用q p s k 调制解调方式。采用应用于数字卫星地面接收( d v b s ) 的高集成度芯片s t v 0 2 9 9 完成数字解调，用半定制器件( f p g a ) 实现数字基带发送端的功能。并选择合理、 低成本的芯片实现3 1 0 m 上行链路，7 0 m 下行链路的中频电路。在1 6 m h z 的频带内 实现4 路数据速率高达2 0 4 8 m b p s 的用户数据的可靠传输。本系统对一些关键技 术的探究，例如r e e d s o l o m o n 码、卷积交织、数字成形滤波、中频a g c 和本振等 模块，对以后满足不同用户需要，设计不同的p d h 设备有借鉴意义。 具体的研究内容如下： 1 对市场产品进行分析，整个方案的设计、论证和芯片的选择。 2 选定s t v 0 2 9 9 作为基带q p s k 接收，f p g a 作为基带发送端。 3 用f p g a 实现基带发送端r s 编码、卷积交织和成形滤波等模块的设计。 4 设计数字基带电路和3 1 0 m 中频调制、零中频解调和中频a g c 模拟电路。 并绘制电路板。 5 完成微波通信系统的搭建后，分别对基带和中频上下行链路的回环测试。 本文结构为：第一章，即本章介绍了本课题的背景、意义、研究的内容：本文 的第二章介绍整个系统的构架和意法半导体芯片s t v 0 2 9 9 功能：在第三章中，将讨 论数字化基带信号r e e d s o l o m o n 编码、卷积交织、数字成形滤波及其他辅助模块 的算法设计及f p g a 实现：第四章阐述了中频电路各个模块的选择、设计及其实现， 第五章通过对基带和中频的回环测试来证实可靠性。最后，本文给出了课题的结 论。 韭立銮塑盔堂亟堂僮迨塞熟主筮这途釜整佳途进厘友塞丝登 2 数字微波设备整体设计及方案选择 本系统是针对一种高性价的p d h 微波数字微波的产品设计，在方案设定前， 我对现有的数字微波设备进行分析【1 】【2 】，目前大多数字微波设备( 基带、中频) 框架如图2 1 所示。由框图可以看出，目前大多数p 阴微波设备都向接口灵活、 高集成度方向发展。 为避免时钟恢复和载波恢复的产品设计难点，减低设计成本。我们选择采用 一块应用于数字卫星地面作为数字接收模块。通过分析对整体的架构和对s t v 0 2 9 9 的性能的分析，对整个数字微波设备的基带和中频部分有一个全面了解。 _ 4 8 v d c ( 莩旃f 菇西一。一一一+ 一一! ll ! 鳓u ! k 一t 。， 一一 图2 一l 目前大部分数字微波设各( 基带、中频) 框图 f i g i l r e 2 - lm o s td i 舀谢m i c r o w a v ee q u j p m e m s ( b a s e b a i l d ，i f ) 2 1 整体模块设计 根据实现的具体要求，我把整个系统分为三个部分：基带发送、基带接收和 中频回环部分。 ( 1 ) 基带发送部分：采用实验室f p g a 开发板，主要目的是送出信号源，可在f p g a 4 j e 塞銮运盍堂亟主堂焦迨塞丝主丝这邀备整签选盐这左塞垄登 中模拟出e l 信号，并在f p g a 中实现信道编码加扰、r s 码、卷积交织和成型滤 波，然后将数字基带信号经过d a 转换后送到中频。f p g a 开发板中主要包括电源 模块( 3 3 v 和1 5 v ) 、f p g a 芯片和d a 转换芯片。信号流程如图2 2 。 嬲 毒镪成 倍 并遴形 号 变 5 编 +-献a 滤 换玛波 图2 - 2 发送模块流程 f i g i 】r e 2 - 2p r o c e s so f t h et r a n s m i s s i o nm o d u l e ( 2 ) 中频回环部分：主要是实现基带信号到中频变换、中频回环、中频的下变 频和中频a g c 电路。如下图2 3 所示。 | 零糍l| 本振| 匹撰 串 嫩懈傣 弗 禽 a d 。 滤 -道 交 波讽编 撅 宿 器码 图2 4 信号接收功能实现 f 逛u r e 2 4i m p l e m e n t a t i o no f s i g n a lr e c e i v e r 韭室銮迢盔堂亟主堂焦迨塞夔主邈选亟昼鳌述超迁厦左塞造竖 2 2s t v 0 2 9 9 的选择 由意法半导体公司生产的q p s k 基带处理芯片s t v 0 2 9 9 兼容于d v b - s 及d s s 数 字卫星广播规范【3 】，主要用作数字卫星电视接收机的m p e g 一2 传输流前端部分的信 道解调及解码电路，由于其高度的集成性及较低的设计成本等特性，被广泛应用 于各种数字卫星电视接收机中。 s t v 0 2 9 9 的优势在于其高集成度、低成本，将匹配滤波器、q p s k 解调、模数 转换和解信道编码结合在一起。该芯片内部还对载波恢复和解信道编码有报错功 能，可以时时的通过查看管脚和读取状态寄存器来显示信号接收状态。正是由于 其集许多功能于一体，并有低成本的优势所在。把芯片s t v 0 2 9 9 作为数字微波设 备的基带接收芯片避开了关键技术难点，有利于产品的研发速度优势。所以对 s t v 0 2 9 9 芯片内部功能的研究就更显现的尤为重要。 2 3s t v 0 2 9 9 芯片功能介绍 2 3 1 内部功能概述 按照图2 5 的框图所示，介绍一下我在设计整个系统时主要采用芯片s t v 0 2 9 9 的内部功能【4 】【5 。 s t v 0 2 9 9 作为整个系统中最为核心的芯片，它是为数字卫星广播提供的一款带 f e c 的c m o s 多标准解调芯片。它包括i 、q 两路a d 转换器、q p s k 或者b p s k 解调 和在v i t e r b i 和r _ s 解码中带有前向错误控制。f e c 单元适应于d v b s 标准。整个 过程都是全数字处理。多标准的接收能力使其面对较宽范围的输入频率易于使用。 并且具有较低的功耗、小封装、可选择的串行输出。下面将根据内部功能框图中 信号的流程对芯片的功能进行介绍。 6 图2 5s w 0 2 9 9 芯片内部结构 f j g l i r e 2 5i n n e rs t n l c t u r e so f c h i ps t v 0 2 9 9 按照接收信号的过程s t v 0 2 9 9 的主要功能为： 1 i q 两路的6 位模数转换器。 2 宽载波跟踪范围补偿天线的频率漂移。 3 。两路数字a g c 。 4 数字载波锁相环及跟踪回路( 典型值为4 5 姗z ) 。 5 数字n y q u i s t 匹配滤波器( 滚降系数为o 2 和o 3 5 可选) 。 6 载波时钟恢复回路。 7 信道比特率可达到9 0 m b p s 、符号频率范围为l 5 0 m s y m b o l s 。 8 内解码器( v i t e r b 译码m = 7r a t e = 1 2 和p u n c t u r e dc o d e s1 2 、2 3 、3 4 、 5 6 、6 7 、7 8 ) 9 解卷积交织 l o 外解码器( r s 编码带1 6 字节校验位，最多纠8 个错误字节) 1 1 内部寄存器使用1 2 c 串行总线控制接口。 1 2 能够适时监测误码率以便随时调整系统的整体性能。 j e 夏銮望友堂亟堂僮诠塞熬主微选送釜整住递进区左塞丝捶 该芯片还具有较好的邻频道抑制，串并行选择输出等特性，可以以较低的成 本同单片零中频直接变换调谐器组成卫星接收前端。下面我重点介绍一些功能模 块及其使用。 2 3 2i2 c 总线接口 对所有s t v 0 2 9 9 b 寄存器的访问使用标准的1 2c 总线协议，其写首地址为0 x d o ， 读首地址为o x d l ，对s t v 0 2 9 9 b 寄存器的每一次读写操作，其寄存器地址自动加1 ， s t v 0 2 9 9 b 的写操作流程如图2 5 所示。 图2 51 2 c 总线写操作流程图 f i g u r e 2 - 5f l o wo f w r i t n g1 2 cb u so p e r a t i o n s t v 0 2 9 9 b 读操作流程相对复杂一些，包括读写两个过程，首先是一个写操作 过程，设置要读的寄存器地址，然后再执行读操作，s t v 0 2 9 9 的读操作流程如图 2 6 所示。 l ：5 乏送1 2 c 忿鳓侬哆 pc ；髓铬j 也电垂o x ) o + 1 2 c 泼廊终依母 l 芏c ，j 镒裙猫j 也盘b p c q 缮襻器僦 i i c 谶斑昝佑母 上 l 发磁p c 越始f 拶咎 l 2c 乍；设爵强垃o x d l p c 後廊貉僻哆 一l p c ? ；确牛瓣程e p c 竣成豁俄垮 n 磊；互熹= = = 1 吖一 麓遴p c 缈1 t 僻略 图2 6 ：1 2 c 读操作流程图 f i g u r e 2 - 6f l o wo f r e a d i n g1 2 cb u so p e r a t i o n s t v 0 2 9 9 总线还包括一个1 2c 总线转发器，在低的符号率应用环境中，由1 2c 总线s d a s c l 所产生的信号干扰可能会严重恶化调谐器的相位噪声，为了避免这 种情况发生，s t v 0 2 9 9 提供一个1 2c 总线转发器信号线s d a t s c l t ，s d a t s c l t 只在必需的时候才工作，一旦调谐器频率稳定后便被屏蔽。1 2c 总线转发器由一个 i ：c 寄存器控制，当该寄存器被置位为1 时，则发送到s d a s c l 的消息被转发到 s d a t s c l t 引脚上，直到检测到一个1 2c 停止信号。此时s d a t s c l t 引脚复位到 高电平状态。 2 3 3a g c 控制单元 s t v 0 2 9 9 b 包括两级a g c 控制：主a g c 和信号a g c 。主a g c 控制a d 转换前i q 输入信号的强度。通过将i q 输入系数同一个可编程的门限值m l ( 通常为2 0 ) 相比较，它们之间的差被累积后转换成脉冲密度调制( p d m ) 信号来驱动a g c 输出， a g c 输出通过一个简单的滤波器滤波后被用来作为s t v 0 2 9 9 的i q 输入信号的增 9 益控制，a g c 积分器寄存器的值反映了输入信号的有效带宽范围内的信号强度。 s t v 0 2 9 9 这一个a g c 输出管脚将作为前端信号强度控制信号。不用选择额外的器件 产生该信号。 2 3 4 时钟恢复环路 时钟恢复环路是数字卫星电视节目q p s k 调制信号的符号率自动捕获跟踪恢复 环路，s t v 0 2 9 9 有一个比较宽的捕获范围，开发人员通过1 2 c 总线将要调谐节目的 符号率设置到环路的符号率寄存器( o x l f ，o x 2 0 ，o x 2 1 ) 中，通常情况下，能够很 快地捕获并锁定，其锁定时间约为3 0k 个符号传输时间，当环路锁定并进入跟踪 状态后，实际的符号率同设定的符号率差值可通过读取环路的时钟频率寄存器 ( 0 x 1 a ) 获得。通常，为了保证一个对称的捕捉范围，此值应尽可能地接近为0 ，因 此可以通过该值对信号时钟频率进行微调。时钟恢复环路还包括一个时钟锁定寄 存器，开发人员可以通过该寄存器值来判定时钟环路是否已经锁定。该寄存器所 反映的值的大小同q p s k 信号锁定状态时的信号噪声比c n 有关，当该寄存器的 值大于4 8 时，可以认为时钟恢复环路已经进入锁定状态，系统接收到一个c n 较好的信号；当其值为4 2 4 8 时，表明检测到一个低c n 的q p s k 信号，在这种 情况下，可以通过调整符号率使之与原来设定的值偏移l ：如果调整后所检测 到的寄存器值小于4 2 ，则可以认为先前情况下时钟环路已锁定，否则认为没有锁 定。 2 3 5 载波恢复环路 载波恢复环路是信号载波频率的自动捕获及跟踪环路，其跟踪范围可达l 2 系统时钟频率( 采样频率) ，捕获频率也可达几m h z ，通常在初始化设定好时钟频率 后，在几m h z 频率偏差范围内不需要重新设定，调谐器时钟即可锁定恢复到原始 信号频率。载波恢复环路具有一个载波频率偏移检测器和两个相位检测器，在频 率捕获阶段，载波频率偏移检测器开始工作，环路中心频率根据载波偏移通过一 个频率偏移补偿电路( d e r o t a t o r 反旋器) 按比例调整，其比例系数可通过寄存器设 置。载波恢复环路还具有载波锁定检测器，当载波环路快要进入锁定状态时，频 率检测器自动停止，相位检测器便开始工作，相位检测器能保证载波相位的锁定， 一旦载波锁定检测器检测到相位锁定，便置位载波锁定标志，开发人员通过读该 标志来判定载波是否锁定。 2 3 6 信号噪声指示器 噪声指示器的值反映了q p s k 输入信号质量的好坏，信号质量的好坏是由接收 天线的极化方式与被接收的电磁波极化形式的匹配程度决定的，通常当接收天线 的极化方式同被接收的电磁波极化形式一致，其噪声指示值越小，信号质量越好， 因此噪声指示器值( 在接收机上通常用信号质量来表示) 可以作为天线极化角调节 的参考，调节时应尽量使噪声指示器值达到最小，以获得最佳质量的信号。s t v 0 2 9 9 中表示信号噪声指示器的寄存器为0 x 2 4 ，0 x 2 5 ，两个寄存器组合为一个无符号的 1 6 位整数。 2 3 7v i t e r b j 译码 s t v 0 2 9 9 信道解码采用v i t e r b i 译码( 内层解码，约束长度k = 7 ) 和r - s 译码( 外 层解码，交织深度为1 2 ) 两级级联，v i t e r b i 译码器计算出4 种可能路径中的每个符 号，它们是以接收到的i ，q 输入信号的欧基里德距离的平方值为度量的，在误差 率的基础上测定出压缩率( p u n c t u r er a t e ) ，d v b s 有1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ， 7 8 五种码率，v i t e r b i 译码器能够自动识别内码编码率，当选择自动识别码率时， 对于每一个可能的编码率，将其当前的误差率与一个可编程的阈值相比较，若误 差较大，则尝试其他的编码率和相位，直到获得最小的误差为止，并锁定于此工 作状态。v i t e r b i 译码器也可以根据已知的编码率进行设定，这样可以缩短信号的 同步时间。v i t e r b i 译码器锁定状态可通过读寄存器v s t a t u s ( 0 x l b ) 得到，它能够在 输入误码率为l o “1 0 。2 的情况下正常工作( 具体误码率取决于编码码率) ，并且 保证解码后的误码率达到2 1 0 4 或更好的水平。 2 3 8 同步检测 同步检测由同步解码器从信号中提取m p e g 2 的包同步头，为后面的卷积反交 织提供同步信息，由于在信号调制阶段同步头信息没有被加扰，因而同步解码器 很容易检测出同步头信息，如果在规定的时间内发现指定个数的连续同步信息， 指示同步锁定，用户可查状态寄存器v s t a t i i s ( 0 x 1 b ) 来判断信号是否处于同步状 态。 2 3 9r - s 解码 该模块对( 2 0 4 ，1 8 8 ，8 ) 的r s 进行解码，以纠正传输中出现的误码，由于 r s 解码对连续突发性错误的纠正能力较差，因而在再编码器中先对数据进行交 织，在接收端通过一个解交织器解交织，这样即使在传输过程中发生突发性的连 续错误，也会因交织和解交织过程而分散开去。r s 解码器可以纠正一个r s 码字 内的不超过8 个字节的误码，只要输入误码率小于2 1 0 4 ，经过r s 解码后的误 码率可达1 0 。1 ，为m p e g 2 解码器提供“准无误码”的码流信号。 2 3 1 i o 输出接口 s t v 0 2 9 9 解码输出的信号端有5 组，时钟信号( b c l k ) ，数据校验指示信号 ( d p ) ，错误指示信号( e r r o r ) ，包同步起始信号( s t r o u t ) 和数据信号( d o d 7 ) 。 s t v 0 2 9 9 的输出可定义为并行或串行输出两种模式，对于串行输出，数据从d 7 输 出，相应的b c l k 为比特时钟；对于并行输出，则d o d 7 为并行数据输出线，相应 的b c k l 为字节时钟。s t r 一叫t 可以用来帮助在解复用时检验包同步，只有在输出 同步字节时为“l ”，其他时间全为“o ”，将其同8 位数据位一起构成9 位数据 位，通过判断其是否等于0 x 1 4 7 ，可以更容易地判断出信号的同步字节。 2 3 1 1s t v 0 2 9 9 小结 从s t v 0 2 9 9 的功能上看，它集成了接收芯片的所有功能，是一款性价比很高 的芯片。从产品的生产周期上，工程技术人员可以通过对s t v 0 2 9 9 的功能寄存器 的配置，查看接收芯片工作状态，缩短产品设计周期，产生最佳的效果。 2 4 选择f p g a 为基带发送端 传统的数字系统设计只针对电路板进行设计，通过设计电路来实现系统功能， 设计方式不够灵活，具有很大的应用局限性。而如今，可编程技术被广泛的应用 到器件的设计上，利用功能日益强大的e d a 工具，采用可编程器件，通过设计芯 片来实现系统功能。将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯片的设计中进 行，这样不仅可以通过芯片的设计实现多种数字逻辑功能，而且由于管脚定义的 灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度，从而有效的增强 了设计的灵活性，提高了工作效率。同时，基于芯片的设计大大提高了系统的集 1 2 夏窑适盔堂亟堂筐迨塞熬主丝这送釜整链遮让丞友塞丝埕 成度，因此在一定程度上缩小了体积，降低了功耗，提高了系统性能和可靠性。 可编程逻辑器件的发展更新速度很快，随着微电子制造工艺的发展，从早期 的可编程逻辑器件，只能存储少量数据，完成简单逻辑功能的可编程只读存储 ( p r o m ) ，紫外线可擦除只读存储器( e p r o m ) 和电可擦除只读存储器 ( e z p r o m ) ，发展到能完成中大规模的数字逻辑功能的可编程阵列逻辑( p a l ) 和通用逻辑( g a l ) ，今天已经发展成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑和时 序逻辑的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程逻辑器件( f p g a ) 。 作为可编程逻辑器件的典型代表之一的f p g a ，随着工艺技术的进步，超大规 模，高速，低功耗的新型f p g a 不断推陈出新，新一代的产品甚至集成了中央处 理器( c p u ) 或数字处理器( d s p ) 内核，用来处理复杂的控制和数据处理，这样 一来，就在一片f p g a 上进行了软硬件协同设计，为实现片上可编程系统( s o p c ) ， 提供了强大的硬件支持。 它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试 和校验，直到达到预期的结果。使用f p g a 器件可以大大缩短系统的研制周期， 减少资金投入。更吸引入的是，采用f p g a 器件可以将原来的电路板级产品集成 为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进 行在线修改。它成为研制开发的理想器件之一，特别适合于产品的样机开发和小 批量生产，因此有时人们也把f p g a 称为可编程的a s i c 。 f p g a 器件的基本特点主要有： 1 f p g a 的开发周期短，成本低，灵活性好，而且易于升级，在e d a 中得到 了广泛的应用。 2 f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚，易于功能实现。 3 。f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 4 具有在线可编程功能，实时在线检验灵活得到合用的芯片。 5 大多数器件经过预先测试并优化了i p 宏功能模块，允许设计人员在一个器 件中快速实现一定的功能而不必从基础的设计做起，大大提高了设计效率。 目前，f p g a 的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系 统设计进入“片上可编程系统”( s 0 p c ) 的新纪元：芯片朝着高密度、低压、低功耗 方向挺进：国际各大公司都在积极扩充其i p 库，以优化的资源更好的满足用户的 需求，扩大市场：特别是引人注目的所谓f p g a 动态可重构技术的开拓，将推动数 字系统设计观念的巨大转变。 因此，我们可以看出f p g a 已经成为当今硬件设计的首选方式之一。鉴于此， 本设计当中就将f p g a 作为基带发送器件实现基带信号处理。 该系统的设计采用的e d a 软件平台是a l t e r a 公司的功能强大的q u a r t u s 软 件，f p g a 芯片选用的是a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列芯片e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 。c y c l o n e 系列是a l t e r a 最新一代s r 删工艺中等规模f p g ，其内部集成了约1 2 0 6 0 个逻 辑单元，2 3 9 ，6 1 6 个存储单元，以及两个锁相环( p l l ) ，基本能够满足本系统的 设计要求。数字微波系统的基带调制解调，数据处理工作都将在f p g a 中实现，这 是为了发挥f p g a 的现场可编程优势使系统更灵活，扩展性更好。 主要作用：e l 复接后的各种信道编码、时钟锁相控制逻辑、数字成形滤波和 信道信息的存储( 当单片机需要调用信号、信道的信息时) 。 1 编码：可通过f p g a 实现对复接后的信号的信道编码，其中包括卷积交织、 r s 编码、加扰、卷积等。 2 信息的存储：各个e 1 的状态、接收发送设备和信道的状态都先储存在f p g a 中，当单片机需要调用状态信息时，就到f p g a 中调用存储的信息。 2 5 系统参数 2 5 1 基带发送端参数 调制方式：q p s k ； 输入用户数据速率：2 0 4 8 曲p s ； 同向正交支路数据速率：l0 2 4 m b p s ： r e e d s o l o m o n ：( 2 0 4 ，1 8 8 8 ) ： 卷积交织：( 1 2 1 7 ) ； 卷积编码：编码率为1 n ，约束长度为7 成型滤波器滚降系数：0 3 5 ； 成型滤波器输出位数：1 2 位； 2 5 2 基带接收端参数 解调方式：0 p s k ； 零中频接收； 输入用户数据速率：2 0 4 8 舶p s ； 同向正交支路数据速率：1 0 2 4 i b p s ； 解r e e d s o l 咖o n 码：( 2 0 4 ，1 8 8 8 ) ； 解卷积交织； 4 v i t e r b i 译码：编码率为l 2 ，约束长度为7 ； 并行输出： 2 5 3 中频接口的主要参数 发送中频频率：3 1 0 m h z ； 3 d b 带宽：3 m 1 z ； 接口形式：s m a ( f ) ； 信号功率：0 d b m l d b ； 接收中频频率：7 0 m i z ： 3 d b 带宽：3 m h z ： 接口形式：s 姒( f ) ： 信号功率：o d b m 5 d b ： 3 基于f p g a 的数字微波基带发送端实现 相对于s t v 0 2 9 9 这些内部特性，在发送端f p g a 中分为接口处理、r s 编码、 卷积交织、卷积编码、成型滤波五个模块组成。整个基带f p g a 实现流程图，如图 3 1 所示。其中接口处理部分并加有一个异步的f i f o ，利用f i f 0 去除系统与输入 的时序紧耦合消除抖动。在这里就不做详细的讲述。下面主要重点介绍基带发送 端f p g a 中实现r s 编码、卷积交织和成型滤波器的原理及其实现过程。 国3 一l 基带实现流程图 f j g i l r e 3 一if l o wo f b b a n di m p i e m e 力t a t i o n 3 1r e e d s oio m o n 耋扁石马 3 1 1r e e d s o i o m o n 编码原理 提高信息传输的可靠性和有效性，始终是通信系统设计所追求的目标，为改 善误码率，提高数据传输的可靠性，提出了多种信道纠错编码方案，如奇偶校验 码、b c h 码、卷积码、t u r b o 码等 6 】。r e e d s 0 1 0 m o n ( r _ s ) 码是一种多元b c h 码一 种，属于线性分组循环码。b c h 码是能纠正多个错误的纠错码，纠错能力强，构造 方便，编译码简单。易于实现。r s 编解码结构相对简单，具有同时纠突发错误和 随机错误的能力，因而广泛应用于数据通信和数据存储系统的差错控制中，作为 提高数据传输和存储可靠性的重要手段，它是当今最有效，应用最广的差错控制 编码方式之一。r s 码是现代数据通信最广泛的信道纠错编码，特别适用于存在突 法错误的信道。 r s 码采用伽罗华域g f ( 2 ) 中的元素，并在伽罗华域进行运算。在g f ( 2 。) 上， 韭塞銮道盔堂亟堂僮迨塞基王鱼趁麴主筮遗基堂蕉逢盆塞丑 纠错能力为t 的r s 码的参数可表示为：码长n = 2 。1 ，信息位长度为是，满足2 t = n k 最小距离如。= 2 f + 1 。可知，r s 码在相同的校验位数时，具有最大的距离。 r s 编码可分为非系统编码和系统编码，对于非系统编码，码多项式由消息多 项式和生成多项式直接相乘得到，对于系统编码，将消息多项式移位后除以生成 多项式，得到的余数为校验位。 编码原理：r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 码是r - s ( 2 5 5 ，2 4 9 ) 码的缩短码，生成多 项式为： g ( x ) = 兀( z 口) ( 3 1 ) 其中盯为本原元。是本原多项式p ( 刁= x s + z 4 + + + 1 的根。r s 系统编码器 可看作是一个多项式除法器，首先用x ”乘以消息多项式聊( x ) ，即信息编码后附 加( n k ) 个“0 ”，将得到的结果x ”埘( x ) 除以g ( 曲，得到余式 6 ( x ) = 6 0 + a 岛+ 6 2 x 2 + + 以。x ”“1 为所求的校验位。从而，可将码字多项式表示 为c ( x ) = x ”删( x ) + 6 ( x ) 。 3 1 2 r e e d s o i o m o n 编码的f p g a 实现 编码电路：r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码器主要部分是一组线形反馈移位寄存器，实现 系统编码要求的除法运算。生成电路如图3 2 所示。编码器的输入是 盯，。，m 。m 。一， ，在起始信息位到，由控制模块m u x 控制，计数器数到 1 8 8 ，前1 8 8 字节信息位直接输出，当进入编码器之后，控制m u x ，计数器的值 从1 8 9 计到2 0 4 ， 将寄存器1 6 个字节r ，置，r ，艘，e ，的校验位依次输出，当计数到 2 0 4 ，就完成了对一个包的编码。 9 】 1 0 】 1 l 】 ”9 卜呻 b 妇乱。舷 、。i 卅 园3 2r s 编码器电路 f i g u r e 3 2r sc o d e rc i r c u i t 在图3 2 编码器设计中，域g f ( 2 。) 上的有限域加法器和有限域乘法器是设 计的关键。f p g a 实现时加法器直接将两个多项式对应系数直接进行异或即可。由 e 立銮重_ 大堂亟堂僮迨塞基王e 鱼盥錾圭邀这垄亟蕴堂端塞丑 于编码器的有限域乘法中其中一个乘数为定值，另一个可表示成g f ( 2 。) 中的自 然基底的线性组合，从而也转化成有限域加法，也就是异或运算。 如图3 2 中，控制模块是由模2 0 4 计数器组成，输出是二选一的开关控制。 在图3 一l 中，当上个模块f i f 0 输出r 0 一r e q 为高有效时，f i f o 的输出数据开始送 给r s 编码器，同时计数器开始计数，并将r s 编码数据输出有效信号r s e n 拉高； 当计数器值为l 到1 8 8 时，直接将输入数据给输出数据d a t a r s u t ；当计数器值 为1 8 9 到2 0 4 时，将寄存器蜀，墨。，蜀中的1 6 个校验字节依次送给输出数据 d a t a r s 0 u t ；当计数值为2 0 4 时，将r s n 拉低。这样就产生了每2 0 4 b i t 为一 个包的已编