基于FPGA的功率均衡IP核设计方法研究∗

顾奕文 范 红 倪 林 严 杰 肖 敏

（1.东华大学信息科学与技术学院 上海 201620）（2.东华大学数字化纺织中心 上海 201620）

（3.上海东方明珠传输有限公司 上海 201620）

1 引言

随着软件无线电技术［1］的迅猛成长，可以让接收到的模拟信号转化为数字信号［2～3］。如今，地铁行业的快速崛起，那么地下通道会弱化广播信号，对于传统的自动增益控制系统（Automatic Gain Control，AGC）电路［4］，只能让输入信号幅值整体增大或者减小，不能起到对多路功率信号均衡化输出，便不能让广播信号进行高质量传输。对于广播信号每一路的功率有高有低，需要对多路信号进行功率均衡化，以保证广播信号进行均衡输出。本文针对广播信号的功率均衡提供了二种方法，来进行延时性能上的比较，分别从时域以及频域上分析，一种是利用FPGA 中IP 核FFT［5～7］对数字时域信号进行转移到频域，FFT 算法在数字广播通信系统的调制与解调［8～9］以及现有硬件架构的研究具有重要意义［10］，对频域信号进行移位求得平均功率，与平均功率做比较，达到功率均衡。另外一种是通过时域信号，根据中心频率不一样，通过多个FIR 带通滤波器［11～13］和乘法累加器进行每一路信号的均衡，均衡过后经过积分求得功率均衡。通过FPGA 的行为仿真［14～16］对比需要的延时时间，来分析选取最好的功率均衡方法对广播信号进行实时性处理。

2 功率均衡方法

2.1 频域重叠分析法

对于接收到的广播数字时域信号，利用256 点FFT 变换转换到频域，求得多路频段内的频域的功率信号，最后根据平均功率，使得功率均衡。硬件方面，运用ISE14.7 软件［9］进行配置IP 核FFT，也就是对FFT进行移位运算求得平均功率，如果该频段内的功率大于平均功率，则对整个频段信号进行整个频段线性减小，如果该频段内的功率比平均功率小，则整个频段线性增大，如果等于平均功率则保持不变，这样使得功率均衡化，最后把功率均衡处理的信号发送出去。

2.2 时域重叠分析法

对于接收到的时域信号，由于FPGA 具有并行处理的能力，采取设计多路IP核FIR带通滤波器进行滤波处理，处理之后，对每一路的时域信号进行乘法累加，达到每一路信号的时域信号均衡，最后经过积分求得功率均衡。硬件方面，为每一路信号添加不同的滤波器系数，由Matlab 设计生成，然后用Vivado 软件对其数字信号进行滤波处理然后对多路广播信号运用乘法累加器达到每一路时域信号均衡，然后通过设计积分器求得功率均衡，最后把功率均衡处理的信号发送出去。

3 功率均衡实验及分析

3.1 频域重叠方法实验及分析

图1 原信号的时域图做256点FFT变换

1）首先对广播信号频率进行下变频处理器之后，模拟输入原信号，频率为f1=700000Hz，f2=900000Hz，f3=1700000Hz 的sin 混合信号进行256点的FFT模拟仿真原信号求得原信号的256点FFT变换的幅度谱仿真波形，如图1所示。

2）那么经过256 点的FFT 变换取得频谱图，进而用Matlab进而求得功率谱与频率之间的关系，如图2所示。

图2 原信号的功率谱图

3.2 时域重叠方法实验及分析

用Matlab 对输入的频率f1=700000Hz，f2=900000Hz，f3=1700000Hz 的sin 混合信号进行仿真原信号没有滤波前时域信号，如图1所示。

1）以广播信号下变频后，中心频率为0.3MHz，0.5MHz，0.7MHz，设计三个带通滤波器的增益响应，如图3（a）、（b）、（c）所示。

图3 带通滤波器的增益响应

2）信号通过一个采样频率为2200000Hz，带宽为200kHz，由于广播信号经过下变频处理后，中心频率较低，设计中心频率为0.3MHz，0.5MHz，0.7MHz 的带通滤波器，经过带通滤波器之后的时域信号，如图4（a）、（b）、（c）所示。

图4 滤波后的时域图

3）可以用Matlab 对输入信号每一路中心频率（0.3MHz，0.5MHz，0.7MHz）信号进行时域均衡，如图5所示。

图5 每一路信号时域均衡

对收到的下变频后的每一路时域信号，进行时域均衡，最后利用积分达到功率均衡。通过对广播时域信号建立多个带通滤波器，设置不同的中心频率利用乘法加法器来进行多路的广播时域信号均衡后，再采用积分器进行求得功率均衡，以此来完成整个功率信号的均衡。

4 二种IP核设计方法

4.1 IP核FFT频率信号功能仿真

对ISE14.7 软件进行设计256 点的IP 核FFT 设计，对其输入信号做256 点FFT 变换输入一些数字信号值做傅立叶变换，然后通过移位操作来求得平均功率，实现功率均衡。设计256 点的FFT 的IP 核进行对输入信号的功率均衡，建立一个。txt 文件，由于广播时域信号下变频之后，收到的都是原信号的数字信号，取值为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…，那么对接收到的原信号的一些数值进行FFT变换之后，采取单信道256点FFT，进行频域取样，如图6所示。

图6 IP核FFT的仿真

仿真图形可以看出clk 代表输入时钟，xn_re 代表输入信号的数字信号，xk_re 代表输出信号的数字信号，可知该设计IP 核FFT 从频域上处理，实时处理的话，延时时间非常大，延时时间为2420ns，dv=2420ns 时，开始有输出信号，因为dv 代表的是输出数据的有效信号，当输出端口xk_re，xk_im 存在有效数据时变高。那么ISE 软件对时域信号进行FFT 变换后，得到的频率信号后，也就是对功率信号进行移位操作，求得平均功率，最后求得频域信号的功率均衡，为方便直观分析，然后把ISE 软件中经过功率均衡后处理的数字信号，ISE 软件生成输出文件.txt 文件导入Matlab 中求得功率均衡，如图7所示。

图7 ISE导出信号功率均衡图

对比图2 可知，基本与满足原信号的功率均衡。由于该设计的IP 核FFT 延时时间太长，延时2440ns，不易于广播信号实时处理，考虑到FPGA具有并行处理的能力，所以采取另外一种从时域的角度来处理接收到的数字信号，那么采取设计多路IP核FIR带通滤波器来进行功率均衡。

4.2 IP核FIR带通滤波器时域信号功率仿真

在Vivado上进行仿真验证，首先做一个输入的文档命名data_input.txt.文档，那么原信号的一些数值为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 进制，因linux 下面$readmemh 添加绝对路径，那么设置数值为16 进制，然后进行Matlab 匹配滤波器的系数的设置，FIR 数字滤波器［10～12］设计方法主要有三种：窗函数法，频率取样法和等波纹设计法。

接收的广播原信号下变频之后，以中心频率0.7MHz 为例，其他的中心频率同理可设置，那么采样频率Fs=2200000Hz，Rs=0.01 的阻带衰减，带通，带阻设计为600000 620000 780000 800000，基于Kaiserord窗函数设计带通滤波器，在Matlab中利用命令函数FDATOOL 调出滤波器，并设置好一个带通滤波器，用来生成滤波系数，该滤波器系数用来设计FIR的IP核系数，如图8所示。

图8 0.7MHz滤波器系数生成

设计好滤波器之后进行滤波器系数的生成，这里的数据采用的是Matlab 生成的C 语言，调用部分输入数据为x，用Matlab进行数字验证如下：

图9 Matlab验证仿真

用Vivado设计IP核FIR的带通滤波器，那么采用Matlab 生成的FIR 带通滤波器系数daitong.Coe文件进行设计输入数据，然后输入数据data_input.txt.成功设计其中的一个FIR 带通滤波器的IP 核设计，如图10所示。

图10 配置0.7MHz滤波器系数

输入滤波器系数，即可对IP 核进行设计，进行仿真滤波，如图11所示。

图11 FIR带通滤波器IP设计仿真

从图11 的Vivado 仿真波形可以看出延时时间为1500ns，s_axis_data_tdata 输入信号的数值是取了原输入信号的有限个16 进制的数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 输出的数值301，2800，…跟Matlab 仿真的数值基本上一致，所以说实现带通滤波器的效果，完成了一个带通滤波器的FIR的IP核设计。由于FPGA 具有并行处理的能力，那么再同理设计另外一个带通滤波器，那样处理时间相当于处理一路信号的时间，大大节省了FPGA 进行信号处理的时间，由此可以设计多个这样的带通滤波器，同理带通带阻设计为200000 220000 380000 400000（中心频率0.3MHz）的IP核FIR，以及带通带阻设计为400000 420000 580000 600000（中心频率0.5MHz）的IP 核FIR，对收到的下变频后的每一路时域信号经过乘法累加，达到时域均衡，然后通过积分器得到信号功率均衡。

从图11 中看出m_axis_data_tdata 输出信号的延时时间为1500ns，而由图6 可知IP 核FFT 设计的信号延时时间为2420ns，相比较与IP核FFT的延时时间比较短，所以采用多路FIR带通滤波器IP核来设计对输入的广播信号进行功率均衡是最优的办法。对原输入时域信号输出时域信号的功率均衡后利用Vivado 软件生成文件data_output.txt 导入软件Matlab中得到功率均衡的信号，如图12所示。

图12 vivado导出的功率均衡图

5 结语

通过建立仿真分析可得，对于二种功率均衡的处理方法，建立多路带通滤波器IP核FIR的延时时间要明显小于利用IP 核FFT 做频域方面来功率均衡的延时时间，所以处理广播信号应该选择多路IP核FIR 带通滤波器来实现功率均衡更为有优势，采用牺牲更多的硬件资源为代价换取性能和时间上的优化，比传统的AGC 自动增益控制系统要更加具有灵活性，使得以后对广播数字信号的实时处理性更加的快速、高效。