基于FPGA的通用位同步器設(shè)計(jì)方案(一)

　　該同步器工作過程如下：外部控制器根據(jù)基帶碼元速率設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，通過外部控制器接口將控制、地址和數(shù)據(jù)信號(hào)分別送往分頻器、環(huán)路濾波器和內(nèi)部控制器。時(shí)鐘電路分別提供采樣時(shí)鐘和FPGA 時(shí)鐘，FPGA工作時(shí)鐘在片內(nèi)通過分頻器產(chǎn)生所需頻率的時(shí)鐘，供FPGA 各模塊使用。輸入連續(xù)時(shí)間信號(hào)x（t） 經(jīng)由獨(dú)立時(shí)鐘控制的ADC 進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換為8 位數(shù)字信號(hào)送至FPGA 內(nèi)，符號(hào)化后變?yōu)橛蟹?hào)數(shù)字序列，送入內(nèi)插濾波器模塊。內(nèi)插濾波器根據(jù)輸入信號(hào)的采樣值和內(nèi)部控制器給出的參數(shù)μk，在每個(gè)插值時(shí)刻kTi 計(jì)算出最佳判決點(diǎn)的內(nèi)插值y（kTi）。定時(shí)誤差檢測計(jì)算出誤差μτ （n），輸出至環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器依據(jù)當(dāng)前的參數(shù)設(shè)定，濾除噪聲并將誤差信息送給內(nèi)部控制器。內(nèi)部控制器以NCO為核心，根據(jù)處理后的誤差信息和設(shè)定的頻率字參數(shù)調(diào)整插值時(shí)刻kTi，使之盡可能接近最佳判決時(shí)刻，并輸出位同步脈沖BS，同時(shí)計(jì)算出誤差間隔μk 送給內(nèi)插濾波器，進(jìn)行內(nèi)插值計(jì)算，最終完成定時(shí)信息的恢復(fù)。

2 FPGA設(shè)計(jì)

　　2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)圖2的算法結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)采用模塊化方式，整體結(jié)構(gòu)的頂層圖如圖3所示。

　　從圖3可以看到，該設(shè)計(jì)包含分頻器（DIV_FRE）、符號(hào)化（SYM）、內(nèi)插濾波器（INTERPOLATION）、定時(shí)誤差檢測（TED）、環(huán)路濾波器（LPF）、內(nèi)部控制器（INTER_CTL）和外部控制器接口的時(shí)序電路（EXTER_CTL）共7個(gè)模塊。其中，分頻器由片外晶振提供時(shí)鐘輸入，分頻后為片內(nèi)其他模塊提供相應(yīng)時(shí)鐘。其中碼元時(shí)鐘的分頻系數(shù)可由外部控制器通過接口進(jìn)行設(shè)置。符號(hào)化是將A/D采樣產(chǎn)生的無符號(hào)數(shù)轉(zhuǎn)換為有符號(hào)數(shù)，以便后續(xù)模塊進(jìn)行帶符號(hào)的運(yùn)算。

　　外部控制器接口的時(shí)序電路將外部控制器送來的控制信號(hào)（ALE和RD）、地址信號(hào)（P2.0、P2.1）和數(shù)據(jù)信號(hào)（P0口）、轉(zhuǎn)換為FPGA 內(nèi)分頻器、環(huán)路濾波器和NCO的使能信號(hào)和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對位同步器各參數(shù)的設(shè)置。

　　分頻器、符號(hào)化和外部控制器接口模塊實(shí)現(xiàn)較為簡單，不再贅述。而內(nèi)插濾波器、定時(shí)誤差檢測、環(huán)路濾波器和內(nèi)部控制器的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，且本設(shè)計(jì)通過采用相應(yīng)算法和改進(jìn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了位同步器的通用性。本文將詳細(xì)闡述這些模塊的設(shè)計(jì)。

　　2.2 模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　2.2.1 內(nèi)插濾波器設(shè)計(jì)

　　內(nèi)插濾波器是完成算法的核心，它根據(jù)內(nèi)插參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算最佳判決點(diǎn)的內(nèi)插值，即：

　　式中：mk 為內(nèi)插濾波器基點(diǎn)索引，決定輸入序列中哪些采樣點(diǎn)參與運(yùn)算，它由插值時(shí)刻kTi 確定；μk 為誤差間隔，決定了內(nèi)插濾波器的沖激響應(yīng)系數(shù)［1］.kTi 和μk 的信息由內(nèi)部控制器反饋回來。

　　本設(shè)計(jì)的內(nèi)插濾波器采用基于4 點(diǎn)分段拋物線多項(xiàng)式的Farrow結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。將式（1）變換為拉格朗日多項(xiàng)式，即令：