Разработка светодиодных систем отображения информации

Системы передачи по волоконно-оптическим линиям связи

 

Светодиодные экраны

Бегущие строки

НПП “Цифровые решения”

Контрактная разработка радиоэлектронных устройств

Цифровая обработка сигналов и изображений

Поставка высокотехнологичных изделий

 

ПЛИС фирмы Altera: проектирование устройств обработки сигналов.

Стешенко В.Б.

 

Глава 7. Примеры реализации алгоритмов ЦОС на ПЛИС.

7.3. Алгоритмы функционирования и структурные схемы демодуляторов.

Обобщенная структурная схема, по которой реализован демодулятор сигналов с частотной манипуляцией, приведена на рис.7.7.

рис.7.7.

 Как видим, используется аналоговая квадратурная обработка (перемножители, фазовращатель, фильтры нижних частот) и цифровое восстановление символов и символьной частоты, реализованное на ПЛИС. В качестве формирователя квадратур использована ИС RF2711 фирмы RF Microdevices. Даннаяя микросхема содержит в своем составе два перемножителя и фазовращатель и позволяет работать в диапазоне частот от 0.1 до 200 МГц при ширине спектра до 25 МГц. Опорная частота f0 формируется с помощью синтезатора прямого синтеза частот AD9830 [1] фирмы Analog Devices. Сигнал с выхода синтезатора фильтруется с помощью активного ФНЧ реализованного на ОУ AD8052 по схеме Рауха. В настоящее время наблюдается тенденция к «оцифровыванию» обрабатываемого сигнала на промежуточных частотах (ПЧ) порядка десятков Мгц, формируя квадратуры «в цифре». Для этих целей возможно использовать ИС AD6620. Однако это не всегда оправдано в основном из-за сложностей с управлением такой микросхемой в системах, где отсутствует собственный контроллер.

В качестве АЦП удобно использовать специализированный квадратурный АЦП AD9201. Пожалуй единственным его недостатком является необходимость демультиплексирования отсчетов синфазной и квадратурной составляющих.

Ниже приводится описание конструкций каждого из блоков в составе ПЛИС: детектора ЧМн - сигнала и синхронизатора. Определены преимущества каждой из предлагаемых схем.

Детектор ЧМн-сигнала. предназначен для преобразования исходного модулированного радиосигнала в последовательность прямоугольных импульсов, появляющихся с частотой следования символов и обладающих той же полярностью. Частота исходного радиосигнала равна , если передается символ «0», и , если передается символ «1»; при этом, по техническому заданию, , где  - длительность символа (индекс модуляции единица, сигнал без разрыва фазы). Таким образом, измерение разности   - это и есть та операция, которую должен осуществлять детектор. В Приложении 1 показано, что при наличии отсчетов квадратур исходного радиосигнала:   и , k=0, 1, 2 и т. д., величина может быть вычислена следующим образом:

.

Отсюда вытекает структурная схема детектора, которая приведена на рис.7.8.

Рис.7.8.

Следует отметить преимущества предлагаемого алгоритма демодуляции ЧМн - сигнала:

- детектор не требует точной настройки квадратурного генератора (рис.1) на частоту , что позволяет ему устойчиво функционировать при значительных (до 30%) уходах частоты входного сигнала вследствие эффекта Доплера;

- операция деления на двучлен  не является обязательной, если динамика входного сигнала невелика либо стабилизация амплитуды осуществляется при помощи АРУ в ВЧ - тракте;

- инвариантность алгоритма к фазе опорного и входного сигналов, а также к амплитуде входного сигнала (при наличии нормирующего множителя) увеличивает помехоустойчивость.

Синхронизатор. При достаточно больших отношениях сигнал/шум (ОСШ) на входе демодулятора (20 - 30 дБ) восстановленную последовательность символов можно снимать непосредственно с выхода детектора. Однако при снижении ОСШ (до 10 - 15 дБ) форма сигнала на выходе детектора начинает искажаться (появляются ложные перепады, смещение фронтов по времени и т. п.). Поэтому на выход детектора (внутри ПЛИС) подключается еще один блок – синхронизатор, предназначение которого – восстановить истинную форму демодулированного радиосигнала за счет его накопления и анализа в течение   подряд идущих символов (в описанной далее версии демодуляторов ). Синхронизатор реализует оптимальный (по критерию максимума правдоподобия) алгоритм оценки сигнала прямоугольной формы на фоне белого гауссовского шума. Восстановлению подлежат истинные моменты смены символов в исходном радиосигнале (тактовая синхронизация), а также истинная полярность символов.

Рис.7.9.

Главными элементами синхронизатора (рис.7.9) являются линия задержки на   отсчетов ( - число отсчетов на символ), и   сумматоров, реализующих операцию накопления. Синхронизатор функционирует следующим образом: каждый отсчет входного сигнала порождает сдвиг в линии задержки, после чего вычисляются суммы каждых  подряд идущих отсчетов, определяются их модули и производится усреднение результатов по  суммам (символам). Если в какой-то момент времени каждое суммирование (по отсчетам) будет производиться внутри одного символа, значение усредненного сигнала будет максимальным, на выходе порогового устройства появится синхроимпульс, и в этот же момент будут считаны знаки накопленных сумм, с высокой вероятностью совпадающие с полярностями символов.

К преимуществам предлагаемого алгоритма следует отнести:

- высокую эффективность (устойчивость к помехам, к уходу частоты следования символов от номинальной, к снижению частоты дискретизации и др.);

- способность точно восстанавливать моменты смены символов во входном сигнале при длинных (до  включительно) сериях «нулей» и «единиц», причем в конце серии отсутствует переходный процесс (направленный на устранение накопленной ошибки), что характерно для аналоговых устройств;

-  наличие на выходе демодулятора одновременно   подряд идущих символов, что может быть важно при корреляционной обработке потока данных (например, при поиске синхропосылок);

-  простоту операций (суммирование, сдвиг) и хорошую адаптацию к реализации на базе ПЛИС, что не характерно для большинства традиционных алгоритмов, содержащих петли обратной связи (синхронизатор с запаздывающим и опережающим стробированием и др.).

 

Реализация цифровой части алгоритма демодуляции и выделения синхроимпульса была выполнена на кристалле Altera FLEX10K50. Реализованное устройство состоит из входных цифровых КИХ фильтров с восьмью отводами, непосредственно блока демодуляции сигнала и блока синхронизатора.

Для реализации входных КИХ фильтров был использован пакет Altera DSP Design Kit. Данный пакет был выбран ввиду того, что он позволяет по рассчитанным коэффициентам цифрового фильтра быстро получить AHDL описание устройства с данными характеристиками и максимально доступной точностью при заданных значениях точности входных данных и внутреннего представления коэффициентов фильтрации. Для этого исходные коэффициенты фильтра масштабируются, что приводит к тому, что выходной сигнал фильтра также является промасштабированным на ту же величину которую в большинстве случаев необходимо учитывать при дальнейших вычислениях. Однако для данной задачи это не является существенным, и масштабирующий множитель не учитывался в последующих операциях. Кроме этого DSP Design Kit позволяет сгенерировать векторный файл для моделирования работы фильтра, а также позволяет преобразовать выходные данные отклика фильтра к масштабу входных данных и построить график отклика фильтра на входное воздействие.

Реализованный восьмиотводный фильтр имеет симметричную характеристику.

В отличие от классической реализации КИХ фильтров в виде набора умножителей для взвешивания задержанных отсчетов входного сигнала и выходного сумматора, данная реализация вообще не содержит умножителей. Все операции умножения заменены операциями распределенной арифметики, что возможно благодаря постоянству коэффициентов фильтрации и наличию в логических элементах FLEX10К таблиц перекодировки (look-up-tables, LUTs).

Сигналы с выходов фильтров (восемь бит в дополнительном коде) подаются на квадратурные входы блока частотной демодуляции.

Для реализации демодулятора ЧМн сигналов понадобились два регистра для хранения значений квадратур в предыдущий (k-й) момент времени -   и , два умножителя и один сумматор. Все вычисления в схеме производятся в дополнительном коде за исключением умножителей, операнды и выходные данные которых представлены в прямом коде со знаком, что требует предварительно преобразовывать сигналы в дополнительный код до умножения и конвертировать в дополнительный код результат умножения. Выходной сигнал демодулятора имеет разрядность равную пятнадцати битам, однако для выделения символов нужно рассматривать только старший (знаковый) разряд результата.

Входным сигналом синхронизатора является выход блока демодулятора.

Заметим, что для реализации суммирования вида

 

нецелесообразно использовать каскад из n двухвходовых сумматоров, так как на каждом такте результат этого суммирования может быть получен из значения суммы на предыдущем такте путем вычитания   и прибавления . А именно . Таким образом, для реализации этой части алгоритма синхронизации понадобится один регистр для хранения значения суммы на предыдущем такте и три сумматора, один из которых используется для изменения знака у значения   (так как все числа представлены в дополнительном коде). Кроме того необходимы регистры для хранения значений . Если же не учитывать эти n регистров, то количество элементов для выполнения такой операции суммирования не будет зависеть от количества операндов и сэкономить ячейки ПЛИС при количестве слагаемых в сумме . В данном же случае количество слагаемых в каждой сумме равно количеству отсчетов сигнала приходящихся на символ, то есть  и эффект в увеличении скорости, а главное, в уменьшении занимаемого места, ощутим.

Был реализован блок суммирования, выходными сигналами которого являлись как значение суммы, так и значение , для удобства последовательного соединения таких блоков по входам, что необходимо виду того, что выходящее из одной суммы слагаемое становится слагаемым следующей суммы:

Так как синхронизатор работает по принципу максимума правдоподобия, то схема должна выставлять синхроимпульс в момент достижения выходным сигналом  максимума. Для определения момента наступления локальных максимумов этот сигнал дифференцируется, и определяются моменты смены знака продифференцированного сигнала.

Результаты моделирования в системе Max+Plus II приведены на рис.7.10

Рис.7.10

В заключении отметим, что все узлы системы были реализованы в виде параметризованных мегафункций с использованием языка описания аппаратуры AHDL, что позволяет с легкостью их использовать для приложений требующих другой точности вычислений.

 

- Наверх -

 

Координаты:

   г. Москва, пр. Мира, 102

Для писем:

   105066, Россия, г. Москва, а/я 18

Тел.: (495) 778-97-04

e-mail: mail@dsol.ru, info@dsol.ru

 

© НПП “Цифровые решения” 2003 — 2006

Разработка светодиодных экранов | Разработка бегущих строк | Проектирование ПЛИС и СБИС | Разработка законченных устройств и модулей | Синтез алгоритмов |

Rambler's Top100 Rambler's Top100