基于FPGA的数字中频接收和恢复系统设计

摘要 介绍一种数字中频恢复系统，该系统分为光纤接收单元、FPGA核心单元和QDUC单元。光纤接收单元采用高速串行器／解串器TLK1501，完成高速串行数据的串行转换。FPGA核心单元对数据进行解码、检验、配置TLK1501和AD9957。QDUC单元实现基带信号的上变频和D／A转换。测试结果证明，系统具有实时性好、工作稳定、抗干扰性强的优点。
关键词 光纤传输；FPGA；数字上变频器

    直接数字频率合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)作为一种先进的信号产生技术，与传统的频率合成技术相比，DDS具有分辨率高、转换速度快、功耗低和成本低等优点，经过40年的发展，已被广泛用于数字信号处理、软件无线电等领域。在现在的雷达系统中，高速高宽带是现行的趋势，传统的并行传输技术由于存在码间串扰、串音干扰和直流偏移等缺点，难以满足高速高带宽的传输要求。目前国内外有关雷达高速宽带信号接收和恢复技术的研究很广泛，多采用软硬件相结合的设计方式，系统灵活，同时满足信号实时输出的要求。
    文中讨论的基于AD9957的多波形雷达信号恢复实现方案，融合了光纤通信、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)和DDS等技术，具有误码率低、抗干扰性强、实时性强、数字化、可编程和多功能等特点。

1 系统设计方案
    系统的设计结构如图1所示。主要有光纤接收电路、FPGA单元、正交数字上变频器(Quadrature Digital Up Conversion，QDUC)及信号调理电路组成。光纤传输的是已经被编码、校验、成帧后的数据，其接收电路主要由TLK1501电路完成，负责将光电转换后的串行数据流转换为并行数据。FPGA采用Altera公司带有收发器的EP1AGX20CF48416N，完成光纤数据的解帧、校验和解码，剥离出有效的数据。同时，光收发器也可直接与FPGA连接，增强了系统的灵活性。正交数字上变频器(QDUC)采用AD9957实现，完成基带信号的数字上变频(Digital Up Convei ter，DUC)和数模转换(Digital Analog Converter，DAC)。信号调理电路将模拟信号滤波提纯。

2 TLK1501接口设计
    TLK1501是德州仪器推出的0．6～1．5 Gbit·s-1高速串行器／解串器，内部集成了8b／10b编解码模块。TLK1501有两种工作模式，一是收发模式，二是只发模式。在收发模式下，TLK1501的发送和接收需要严格的同步，如果接收侧断开，则发送端自动发送同步码，直到接收侧重新同步。在只发模式下，TLK1501只是单向发送，接收端输出为高阻态。在实际使用中，本系统用到了TLK1501的第一种工作模式，但只用到了TLK1501的接收数据功能。在接收数据时，TLK1501的DINRXP／DINRXN管脚上的高速串行数据流经过串并转换和10b／8b解码后恢复成16 bit并行数据，当RX_DV为高同时RX_ER为低时，在RX_CLK上升沿时，RXD[15．．0]端口输出有效数据。应用中TLK1501的接收时序如图2所示。

3 AD9957接口设计
    AD9957是正交数字上变频器(QDUC)系列中的第3款产品，其将一个高速、直接数字频率合成器(DDS)、一个高性能高速14位数模转换器(DAC)、时钟乘法器电路、数字滤波器和其他DSP功能集成在一个芯片上，可以在有线或无线通信系统中为数据传输提供基带上变频。AD9957有3种基本的工作模式：QDUC模式、插值DAC模式和单音模式，系统需要用到QDUC模式，如图3所示。

3．1 串行接口设计
    AD9957的配置是通过同步串行通讯端口实现的，可以方便地与多种工业用微处理器接口连接，并兼容多种同步传输格式。本设计通过在FPGA内部编写同步串行通讯逻辑实现对AD9957的配置。其串行通讯周期分为两个阶段，第一阶段是传输指令阶段，将指令字写入AD9957，指令字主要包括要访问的寄存器地址，以及将进行的数据传输是读操作还是写操作。第二阶段是数据传输阶段，将数据从串行端口控制器向串行端口缓冲区传输数据，传输的Byte数取决与要访问的寄存器。其时序控制图如图4所示。

3．2 并行接口设计
    AD9957有一个18位的并行数据输入端口，在QDUC模式下，FPGA将I／Q数据基带数据交替的输入到AD9957内部。基带数据的时钟PDCLK由AD9957提供，最高支持250 MHz的并行数据时钟，同时也是并行数据的采样时钟。系统中PDCLK工作在200 MHz。AD9957在TxENABLE的上升沿准备接收第一个I字，在PDCLK的有效沿上，第一个I字被锁存至器件，PDCLK的下一有效沿锁存一个Q字，依次类推。需要特别注意的是：确保向器件中送入偶数个数据，因为器件必须捕捉到一个I字和一个Q字，然后才能使接收到的数据沿着信号链处理。

    值得注意的是，AD9957的并行数据传输速度较高，容易发生调制数据时序问题，会导致I／Q基带数据相位不平衡等问题，严重时，会导致调制数据错误。因此，在进行硬件设计时，需严格按照AD9957的并行数据传输时序要求操作，必要时在FPGA内部对时序进行优化，以提高数字正交调制器的调制效果。

4 系统工作原理
    FPGA是系统的核心，FPGA从TLK1501中接收数据，经过处理后，将有效数据送到AD9957并行数据输入端口，由AD9957完成信号的恢复。
    系统中光纤的传输速率为1．2Gbit·s-1，在TLK1501中经过10b／8b解码后，其有效数据的传输速率为960 Mbit·s-1，经过时钟恢复，数据对齐后，转换为16位并行数据输出，等效并行传输速率为60 MHz，因此，FPGA需要为TLK1501提供60 MHz的配置时钟。
    TLK1501中接收到了并行数据，在FPGA中需进一步的处理，分离出帧命令字，提取有效数据，并进行CRC校验，其信号处理流程如图6所示。

    编解码过程是面向字节，既需要将TLK1501接收到的每个16bit数据拆解成2Byte，再依次对每一个Byte进行处理。因此，系统设计了一个乒乓操作，其操作过程下文将详细叙述。在数据编码时，采用了比特填充法，即将数据中出现的每个0X7E转变成0X7D和0X5E，每个0X7D转变成0X7D和0X5D。解码过程是编码的逆过程，即将数据中两个连续出现的0X7D和0X5D还原成0X7E，将两个连续出现的0X7D和0X5D还原成0X7D。
    循环冗余检验码，是一种检出概率高、易于硬件实现的检错码。系统采用的CRC生成多项式为G(x)=，系统借助FPGA寄存器资源和并行处理数据时高速流水线优势，根据数学算法上的超前位计算原理，系统实现高速有效的CRC计算，很好地使资源和速度平衡。在CRC校验正确的情况下，进行下一步处理。当前帧输出的前25 Byte为系统的控制字，最后的2 Byte为CRC校验的高8位和低8位，在此单独分离出来，剩余的数据位为有效数据。
    在进行数据缓存时，系统采用乒乓操作实现。提取出来的有效数据通过“输入选择”单元将数据流交替分配到两个数据缓冲区，在本系统中，数据缓冲模块采用双口RAM实现。在第一个缓冲周期，将输入的数据暂存到“双口RAM1”，在第2个缓冲周期，通过“输入选择”单元的切换，将输入的数据暂存到“双口RAM2”，同时“双口RAM1”中暂存的第1个周期数据通过“输出选择”单元的选择，由AD9957控制逻辑按照时序要求并行输出；在第3个缓冲周期通过“输入选择”单元的再次切换，将输入的数据暂存到“双口RAM1”，同时“双口RAM2”暂存的第2个周期数据通过“输出选择”单元的切换，由AD9957控制逻辑时序要求并行输出，如此循环。通过“输入选择”单元和“输出选择”单元按时钟节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流连续地送到“数据流运算处理模块”进行运算或处理，实现了对数据流进行流水线式的处理，完成数据的无缝缓冲与处理。

5 测试结果
    在雷达中频采集后，经过预处理，得到宽带为20 MHz的零中频信号，并通过光线传输到系统中。FPCA通过合理的配置TLK1501和AD99 57，将接收到的数据上变频到200 MHz。图7为SignalTap逻辑分析仪采集到宽带为20 MHz的零中频信号时域波形图，图8为频谱仪观测到的AD9957在正交调制模式下的输出结果，从输出可以看出，信号中心频率为200 MHz，信号的带宽为20 MHz，从而验证了系统设计的正确性。

6 结束语
    系统以FPGA为核心，设计了一款高速、高性能的数字中频接收和恢复系统。本设计具有以下特点：采用光纤通信技术，实现了数字信号的实时接收，具有传输误码率低、工作性能稳定、抗干扰性强的优点；采用DDS技术，实现了输出高稳定度的数字正交调制要求。FPGA较大的灵活性为系统的实现提供了保证，硬件结构简单，功能清晰明了。但是，TLK1501依旧没有把光线通信的优势充分体现，EP1AGX20CF48416内部含有光纤收发器，若用FPGA内部的光纤收发模块，则可进一步提高传输速率，改善系统的性能。