基于FPGA的紫外通信微弱信号放大器设计

李军雨，吴晗平，3，吕照顺，梁宝雯，李旭辉

(1．湘潭大学材料与光电物理学院，湖南湘潭411105;2．武汉工程大学光电子系统技术研究所，湖北武汉430205;3．海军工程大学兵器工程系，湖北武汉430033)

1 引言

紫外光在近地层大气中的传输特性使得其在通信方面具有低窃听率、抗干扰能力强、非视距通信等众多优势，由于空间散射作用以及器件本身的原因，紫外光信号到达接收机时衰减的很严重，因此设计一个放大器成为了紫外通信的关键［1－4］。可编程逻辑器件FPGA具有修改逻辑设计方便、开发周期短、成本低、运算速度快等优点，以FPGA作为放大器的控制核心可以满足高集成度、灵活性等要求，同时提高系统的性能［5－6］。

2 放大器技术指标、组成与工作原理

2．1 放大器技术指标

放大器的主要技术指标如下:(1)总放大倍数:要求在1～10000之间连续可调;(2)通带中心频率:30 kHz、50 kHz;(3)通带中心附近带宽≤4 kHz;(4)放大器等效输入噪声电压≤ 5 nV/@30 kHz、50 kHz。

2．2 放大器组成

紫外光通信中常用的解调方法是2FSK(二进制频移键控)［7－8］，文中设计的频移键控载波:发送“0”对应30 kHz正弦波，发送“1”对应50 kHz正弦波。因此，放大器中需要有滤波功能。放大器总体框图如图1所示。

图1 放大器总体框图

2．3 放大器工作原理

针对紫外光信号微弱的特点，信号首先经过光电转换等预处理，由光信号转化为电信号Sin，微弱信号首先经过前置放大电路被放大100倍，然后经过后级放大电路，后级放大电路可以实现增益1/100～100倍连续可调的功能，两级联放实现1～10000倍连续可调。被放大的信号经过AD转换，模拟信号经过转换得到数字信号。基于FPGA的FIR数字滤波器有精度高、不受温度影响、实时性好等特点，信号经过数字滤波在30 kHz和50 kHz两个频点附近对信号进行放大，达到精确滤波的目的。滤波后将得到的数字信号进行进一步处理，以满足对信号不同的处理需求。

3 预放电路设计与仿真及AD转换

3．1 前置放大电路设计与仿真

3．1．1 前置放大电路的设计

前置放大电路技术指标:放大倍数100倍，等效输入噪声电压≤5 nV@30 kHz，50 kHz。

前置放大电路将接收到的微弱信号进行放大。在实际工作中，由于电路中存在热噪声、光电探测器中的噪声等固有噪声，都会对有用信号产生很大影响。前置放大电路的好坏直接影响后续电路对信号的处理，因此，必须保证前置放大电路噪声足够小，LMH6624MF是美国国家半导体(National Semiconductor)公司生产的一款具有高增益带宽、低输入噪声的芯片，其放大倍数具有如式(1)关系，表1为LMH6624MF主要性能参数。

表1 LMH6624MF主要性能参数

式中，Av为集成运放芯片LMH6624MF放大倍数;Vout为输出电压;Vin为输入电压;Rf为反馈电阻;Rg为接地电阻。

前置放大器可以接成同向比例运算放大器和反向比例运算放大器，对于同向比例运算放大器，引入了反馈，当运放具有理想特性时，输入电阻应为无穷大，但当运放特性不理想时，输入电阻应为一有限值。高输入阻抗可以减小噪声对信号的影响，芯片LMH6624MF具有高输入阻抗(Common Mode时为6．6 MΩ，Differential Mode时为 4．6 kΩ)，因此前置放大电路采用LMH6624MF的同向比例运算电路，所连接的电路图如图2所示。

图2 前置放大电路

3．1．2 前置放大电路的仿真

用Multisim对前置放大电路进行仿真验证，所选择的输入波形是频率为30 kHz、振幅为10 mV的正弦信号。前置放大电路输入输出波形如图3所示。

图3 前置放大电路输入输出波形

当输入波形是振幅为10 mV的微弱正弦信号时，由于有效值和峰值的关系，所以示波器的输入波形如图3(a)所示，根据虚短和虚断理论，图2中Vin值为5 mV，又由式(1)可知，理论放大100倍应该为500 mV，转化为峰值约为707 mV，即理论输出应该为707 mV，又如图3(b)所示实际输出为689．433，两者近似相等。可见，前级放大电路满足设计要求。

3．2 后级放大电路的设计及仿真

3．2．1 后级放大电路的设计

后级放大电路技术指标:放大倍数为1/100～100连续可调，等效输入噪声电压≤ 5 nV/@30 kHz、50 kHz。

前置放大电路将信号放大了100倍，总的设计指标中要求放大倍数1～10000连续可调，那么对于后级放大电路的设计，要求后级放大电路在1/100～100倍连续可调;VCA610P是一款宽带，连续可变电压控制增益放大器。根据电路实测，单块VCA610P在放大倍数为30 dB时，会出现自激震荡。因此本设计用两块VCA610P级联不仅能消除自激震荡，而且还可以扩大增益的动态范围到－80 dB～80 dB。控制电压VC可以接电位器调节增益。表2为该芯片主要性能参数。

表2 芯片VCA610P主要性能参数

通过改变控制电压VC可以灵活的改变增益的大小，可以满足后级放大的要求。放大倍数满足如下的关系:

式中，G为电压控制芯片VCA610P增益;VC为增益控制电压。根据后级电路的要求以及芯片性能和使用方法，连接的电路如图4所示。

图4 后级放大电路

3．2．2 后级放大电路的仿真

用Multisim进行仿真，图5为后级放大电路输入输出波形，所用的测试源是10 mV、30 kHz正弦信号，设置VC电压为－1．5 V。在实际应用时，结合要求和前置放大电路自由设置增益，有特殊需要时可对后级放大进行改进，通过独立对VC1和VC2分别进行控制，不仅能够使增益动态范围更加灵活，而且可以提高系统抗噪声的性能。

分析方法和前置放大电路相似，当VC1和VC2均为－1．5 V时，放大倍数应该为100倍，所以理论输出为707 mV。如图5(b)，实际输出为705．532，两者近似相等，可见后级放大电路满足设计要求。

图5 后级放大电路输入输出波形

3．3 AD 转换

AD转换(模数转换)，就是把模拟信号转换为数字信号。主要有积分型、逐次逼近型、并行比较型、串并行型、Σ－Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。本设计采用AD9214作为AD转换芯片，该芯片是一款低功耗高速10位模数转换芯片，数据采样率最高可达105兆次/s。模拟信号经过AD部分转换为10位数字信号被送入到FPGA中，进行数字滤波。

4 数字滤波的设计及仿真

4．1 数字滤波的原理

所谓的数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件。数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定性强、体积小、设计灵活、不要求阻抗匹配等优点［9］。FIR数字滤波器具有稳定性、因果性、线性相位等特点，因此在设计时选择了FIR滤波器［10］。FIR滤波器的一般表示如下:

式中，x［n］是n时刻滤波器的输入信号;h［n］是滤波器的脉冲响应;h［i］是滤波器第i级的抽头系数;y［n］是滤波器的输出;N是滤波器的抽头系数，脉冲系数具有对称和反对称特点，如下所示:

而线性相位FIR滤波器的差分方程如下:

当滤波器的阶数为奇数和偶数时，线性相位结构FIR滤波器如图6所示。

图6 线性相位结构FIR滤波器

4．2 FIR数字滤波器的算法实现

数字滤波是一个卷积计算的过程，在计算中就要用到乘法器。而在硬件实现中，乘法器不仅消耗很多的资源，而且随着乘法器数目的增加，系统处理速度明显变慢。所以可以考虑采用分布式算法，将复杂的乘法器转化为LUT(查找表)结构，FIR滤波器的IP核主要是用DA算法(分布式算法)实现的，利用LUT替换硬件当中较难实现的乘法器，可以减少资源的消耗以及提高运算速度。下面简述一下分布式算法。

将式(3)变形为:

式中，hi即为 hi(x)，xi(n)即为 xi(n－i)。将xi(n)变换为2进制的补码形式:

式中，xib(n)为0或者1，表示xi(n)的第b位;C为数据位宽，xio(n)为符号位，取0(代表正数)或者1(代表负数)。将式(7)代入到式(6)中有:现，由此可见，DA算法简化了设计的复杂性，将复杂占用资源较大的乘法器用LUT代替，不仅可以减少资源的占用，而且可以提高处理速度，达到很好的实时性［11］。可以用LUT来实

4．3 FIR数字滤波器的硬件实现

随着FPGA的飞速发展，因为其不可替代的优点正在成为数字电路设计的主流方案。合理的FPGA选型不仅可以避免设计问题，还可以减少成本、提高系统性价比、延长产品的生命周期等［12］。目前，Xilinx和Altera是世界上最大的两家FPGA供应商，分别有集成开发环境ISE和QuartersⅡ，这两种开发环境支持本公司所有器件的开发而且可以获得很多第三方合作伙伴的技术支持，方便产品的开发和获得更高的性能。根据以上因素，选择Xilinx公司的Virtex－6系列的XC6VCX240T－2FF784，该型号的FPGA具有丰富的硬件资源和较高的处理速度。特别是利用Xilinx公司的开发软件ISE中的IP核，可以加速设计的进行。利用MATLAB设计一个208阶的带通和带阻级联的滤波器［13］。得到FIR滤波器的频谱图如图7所示。XC6VCX240T－2FF784资源利用评估如表3所示。

式(8)方括号中

图7 FIR滤波器的频谱图

4．4 FIR数字滤波器的仿真验证

利用ISE 14．2对设计出来的滤波器进行时序仿真，仿真图如图8所示，可见满足时序要求，在Matlab空间运行程序可得表4。

表3 XC6VCX240T－2FF784资源利用评估

图8 FIR滤波器的时序仿真

表4 FIR滤波器Matlab分析

通过比较图8和表4，对比两者输出，可以认为滤波器满足设计要求。

5 设计结果分析

结合以上设计过程，可得放大器设计结果，如表5所示。

表5 放大器设计结果

根据表5可知，放大器设计达到了指标的要求。由FPGA实现滤波，如有特殊需要，可通过编程改变滤波器指标和效果，以适应不同频段通信要求，方便升级与维护。而且由于FPGA器件实时性比较好，所以能够满足通信中对实时性的要求。

6 结语

针对近地层紫外自由空间紫外光信号微弱的特点设计了基于FPGA的微弱信号放大器。通过仿真测试表明，整个放大器的设计结果满足技术指标要求。设计中采用了低噪声器件，可用于微弱信号检测放大。同时增益具有连续可调的功能，可以灵活方便的调节增益大小。利用基于AD算法的IP核设计的数字FIR滤波器，具有很好的幅频特性，仿真表明，可以达到精确滤波的目的。

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