基于FPGA的紫外通信微弱信號放大器設計

李軍雨，吳晗平，3，呂照順，梁寶雯，李旭輝

(1．湘潭大學材料與光電物理學院，湖南湘潭411105;2．武漢工程大學光電子系統技術研究所，湖北武漢430205;3．海軍工程大學兵器工程系，湖北武漢430033)

1 引言

紫外光在近地層大氣中的傳輸特性使得其在通信方面具有低竊聽率、抗干擾能力強、非視距通信等眾多優(yōu)勢，由于空間散射作用以及器件本身的原因，紫外光信號到達接收機時衰減的很嚴重，因此設計一個放大器成為了紫外通信的關鍵［1－4］。可編程邏輯器件FPGA具有修改邏輯設計方便、開發(fā)周期短、成本低、運算速度快等優(yōu)點，以FPGA作為放大器的控制核心可以滿足高集成度、靈活性等要求，同時提高系統的性能［5－6］。

2 放大器技術指標、組成與工作原理

2．1 放大器技術指標

放大器的主要技術指標如下:(1)總放大倍數:要求在1～10000之間連續(xù)可調;(2)通帶中心頻率:30 kHz、50 kHz;(3)通帶中心附近帶寬≤4 kHz;(4)放大器等效輸入噪聲電壓≤ 5 nV/@30 kHz、50 kHz。

2．2 放大器組成

紫外光通信中常用的解調方法是2FSK(二進制頻移鍵控)［7－8］，文中設計的頻移鍵控載波:發(fā)送“0”對應30 kHz正弦波，發(fā)送“1”對應50 kHz正弦波。因此，放大器中需要有濾波功能。放大器總體框圖如圖1所示。

圖1 放大器總體框圖

2．3 放大器工作原理

針對紫外光信號微弱的特點，信號首先經過光電轉換等預處理，由光信號轉化為電信號Sin，微弱信號首先經過前置放大電路被放大100倍，然后經過后級放大電路，后級放大電路可以實現增益1/100～100倍連續(xù)可調的功能，兩級聯放實現1～10000倍連續(xù)可調。被放大的信號經過AD轉換，模擬信號經過轉換得到數字信號。基于FPGA的FIR數字濾波器有精度高、不受溫度影響、實時性好等特點，信號經過數字濾波在30 kHz和50 kHz兩個頻點附近對信號進行放大，達到精確濾波的目的。濾波后將得到的數字信號進行進一步處理，以滿足對信號不同的處理需求。

3 預放電路設計與仿真及AD轉換

3．1 前置放大電路設計與仿真

3．1．1 前置放大電路的設計

前置放大電路技術指標:放大倍數100倍，等效輸入噪聲電壓≤5 nV@30 kHz，50 kHz。

前置放大電路將接收到的微弱信號進行放大。在實際工作中，由于電路中存在熱噪聲、光電探測器中的噪聲等固有噪聲，都會對有用信號產生很大影響。前置放大電路的好壞直接影響后續(xù)電路對信號的處理，因此，必須保證前置放大電路噪聲足夠小，LMH6624MF是美國國家半導體(National Semiconductor)公司生產的一款具有高增益帶寬、低輸入噪聲的芯片，其放大倍數具有如式(1)關系，表1為LMH6624MF主要性能參數。

表1 LMH6624MF主要性能參數

式中，Av為集成運放芯片LMH6624MF放大倍數;Vout為輸出電壓;Vin為輸入電壓;Rf為反饋電阻;Rg為接地電阻。

前置放大器可以接成同向比例運算放大器和反向比例運算放大器，對于同向比例運算放大器，引入了反饋，當運放具有理想特性時，輸入電阻應為無窮大，但當運放特性不理想時，輸入電阻應為一有限值。高輸入阻抗可以減小噪聲對信號的影響，芯片LMH6624MF具有高輸入阻抗(Common Mode時為6．6 MΩ，Differential Mode時為 4．6 kΩ)，因此前置放大電路采用LMH6624MF的同向比例運算電路，所連接的電路圖如圖2所示。

圖2 前置放大電路

3．1．2 前置放大電路的仿真

用Multisim對前置放大電路進行仿真驗證，所選擇的輸入波形是頻率為30 kHz、振幅為10 mV的正弦信號。前置放大電路輸入輸出波形如圖3所示。

圖3 前置放大電路輸入輸出波形

當輸入波形是振幅為10 mV的微弱正弦信號時，由于有效值和峰值的關系，所以示波器的輸入波形如圖3(a)所示，根據虛短和虛斷理論，圖2中Vin值為5 mV，又由式(1)可知，理論放大100倍應該為500 mV，轉化為峰值約為707 mV，即理論輸出應該為707 mV，又如圖3(b)所示實際輸出為689．433，兩者近似相等。可見，前級放大電路滿足設計要求。

3．2 后級放大電路的設計及仿真

3．2．1 后級放大電路的設計

后級放大電路技術指標:放大倍數為1/100～100連續(xù)可調，等效輸入噪聲電壓≤ 5 nV/@30 kHz、50 kHz。

前置放大電路將信號放大了100倍，總的設計指標中要求放大倍數1～10000連續(xù)可調，那么對于后級放大電路的設計，要求后級放大電路在1/100～100倍連續(xù)可調;VCA610P是一款寬帶，連續(xù)可變電壓控制增益放大器。根據電路實測，單塊VCA610P在放大倍數為30 dB時，會出現自激震蕩。因此本設計用兩塊VCA610P級聯不僅能消除自激震蕩，而且還可以擴大增益的動態(tài)范圍到－80 dB～80 dB。控制電壓VC可以接電位器調節(jié)增益。表2為該芯片主要性能參數。

表2 芯片VCA610P主要性能參數

通過改變控制電壓VC可以靈活的改變增益的大小，可以滿足后級放大的要求。放大倍數滿足如下的關系:

式中，G為電壓控制芯片VCA610P增益;VC為增益控制電壓。根據后級電路的要求以及芯片性能和使用方法，連接的電路如圖4所示。

圖4 后級放大電路

3．2．2 后級放大電路的仿真

用Multisim進行仿真，圖5為后級放大電路輸入輸出波形，所用的測試源是10 mV、30 kHz正弦信號，設置VC電壓為－1．5 V。在實際應用時，結合要求和前置放大電路自由設置增益，有特殊需要時可對后級放大進行改進，通過獨立對VC1和VC2分別進行控制，不僅能夠使增益動態(tài)范圍更加靈活，而且可以提高系統抗噪聲的性能。

分析方法和前置放大電路相似，當VC1和VC2均為－1．5 V時，放大倍數應該為100倍，所以理論輸出為707 mV。如圖5(b)，實際輸出為705．532，兩者近似相等，可見后級放大電路滿足設計要求。

圖5 后級放大電路輸入輸出波形

3．3 AD 轉換

AD轉換(模數轉換)，就是把模擬信號轉換為數字信號。主要有積分型、逐次逼近型、并行比較型、串并行型、Σ－Δ調制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。本設計采用AD9214作為AD轉換芯片，該芯片是一款低功耗高速10位模數轉換芯片，數據采樣率最高可達105兆次/s。模擬信號經過AD部分轉換為10位數字信號被送入到FPGA中，進行數字濾波。

4 數字濾波的設計及仿真

4．1 數字濾波的原理

所謂的數字濾波器，是指輸入、輸出均為數字信號，通過一定運算改變輸入信號所含頻率成分的相對比例或者濾除某些頻率成分的器件。數字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定性強、體積小、設計靈活、不要求阻抗匹配等優(yōu)點［9］。FIR數字濾波器具有穩(wěn)定性、因果性、線性相位等特點，因此在設計時選擇了FIR濾波器［10］。FIR濾波器的一般表示如下:

式中，x［n］是n時刻濾波器的輸入信號;h［n］是濾波器的脈沖響應;h［i］是濾波器第i級的抽頭系數;y［n］是濾波器的輸出;N是濾波器的抽頭系數，脈沖系數具有對稱和反對稱特點，如下所示:

而線性相位FIR濾波器的差分方程如下:

當濾波器的階數為奇數和偶數時，線性相位結構FIR濾波器如圖6所示。

圖6 線性相位結構FIR濾波器

4．2 FIR數字濾波器的算法實現

數字濾波是一個卷積計算的過程，在計算中就要用到乘法器。而在硬件實現中，乘法器不僅消耗很多的資源，而且隨著乘法器數目的增加，系統處理速度明顯變慢。所以可以考慮采用分布式算法，將復雜的乘法器轉化為LUT(查找表)結構，FIR濾波器的IP核主要是用DA算法(分布式算法)實現的，利用LUT替換硬件當中較難實現的乘法器，可以減少資源的消耗以及提高運算速度。下面簡述一下分布式算法。

將式(3)變形為:

式中，hi即為 hi(x)，xi(n)即為 xi(n－i)。將xi(n)變換為2進制的補碼形式:

式中，xib(n)為0或者1，表示xi(n)的第b位;C為數據位寬，xio(n)為符號位，取0(代表正數)或者1(代表負數)。將式(7)代入到式(6)中有:現，由此可見，DA算法簡化了設計的復雜性，將復雜占用資源較大的乘法器用LUT代替，不僅可以減少資源的占用，而且可以提高處理速度，達到很好的實時性［11］。可以用LUT來實

4．3 FIR數字濾波器的硬件實現

隨著FPGA的飛速發(fā)展，因為其不可替代的優(yōu)點正在成為數字電路設計的主流方案。合理的FPGA選型不僅可以避免設計問題，還可以減少成本、提高系統性價比、延長產品的生命周期等［12］。目前，Xilinx和Altera是世界上最大的兩家FPGA供應商，分別有集成開發(fā)環(huán)境ISE和QuartersⅡ，這兩種開發(fā)環(huán)境支持本公司所有器件的開發(fā)而且可以獲得很多第三方合作伙伴的技術支持，方便產品的開發(fā)和獲得更高的性能。根據以上因素，選擇Xilinx公司的Virtex－6系列的XC6VCX240T－2FF784，該型號的FPGA具有豐富的硬件資源和較高的處理速度。特別是利用Xilinx公司的開發(fā)軟件ISE中的IP核，可以加速設計的進行。利用MATLAB設計一個208階的帶通和帶阻級聯的濾波器［13］。得到FIR濾波器的頻譜圖如圖7所示。XC6VCX240T－2FF784資源利用評估如表3所示。

式(8)方括號中

圖7 FIR濾波器的頻譜圖

4．4 FIR數字濾波器的仿真驗證

利用ISE 14．2對設計出來的濾波器進行時序仿真，仿真圖如圖8所示，可見滿足時序要求，在Matlab空間運行程序可得表4。

表3 XC6VCX240T－2FF784資源利用評估

圖8 FIR濾波器的時序仿真

表4 FIR濾波器Matlab分析

通過比較圖8和表4，對比兩者輸出，可以認為濾波器滿足設計要求。

5 設計結果分析

結合以上設計過程，可得放大器設計結果，如表5所示。

表5 放大器設計結果

根據表5可知，放大器設計達到了指標的要求。由FPGA實現濾波，如有特殊需要，可通過編程改變?yōu)V波器指標和效果，以適應不同頻段通信要求，方便升級與維護。而且由于FPGA器件實時性比較好，所以能夠滿足通信中對實時性的要求。

6 結語

針對近地層紫外自由空間紫外光信號微弱的特點設計了基于FPGA的微弱信號放大器。通過仿真測試表明，整個放大器的設計結果滿足技術指標要求。設計中采用了低噪聲器件，可用于微弱信號檢測放大。同時增益具有連續(xù)可調的功能，可以靈活方便的調節(jié)增益大小。利用基于AD算法的IP核設計的數字FIR濾波器，具有很好的幅頻特性，仿真表明，可以達到精確濾波的目的。

［1］ CHENG Zhongtao，WU Hanping，WU Jing，et al．Design of amplifier of weak signal in ultraviolet free space communication near surface layer［J］．Electro － optic Technology Application，2012，27(4):1 －6．(in Chinese)成中濤，吳晗平，吳晶，等．近地層紫外自由空間通信微弱信號放大器設計［J］．光電技術應用，2012，27(4):1－6．

［2］ L Zhaoshun，WU Hanping，ZHOUWei，et al．Characteristics and comparative study of free space optical communication of infrared and ultraviolet near surface layer［J］．Infrared Technology，2011，33(4):207 － 213．(in Chinese)呂照順，吳晗平，周偉，等．近地面紅外與紫外自由空間光通信特點及其比較研究［J］．紅外技術，2011，33(4):207－213．

［3］ Gray A Shaw，Melissa L Nischan，Mrinal A lyengar，et al．NLOS UV communication for distributed sensor system［J］．Proc．of SPIE，2000，4126:83 －97．

［4］ David M Reilly，Daniel T Moriarty，John A Maynard．U-nique properties of solar blind ultraviolet communication systems for unattended ground sensor networks［J］．Proc．of SPIE，2004，5611:244 －254．

［5］ XU Zhijun，XU Guanghui．Developmentand application of CPLD/FPAG［M］．Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2002:23 －27．(in Chinese)徐志軍，徐光輝．CPLD/FPAG的開發(fā)與應用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2002:23－27．

［6］ WANG Xudong，Pan Minghai．FPGA implementation of digital signal processing［M］．Beijing:Tsinghua University Press，2011:10 － 13．(in Chinese)王旭東，潘明海．數字信號處理的FPGA實現［M］．北京:清華大學出版社，2011:10－13．

［7］ LIGuanhua．Research of modulation and demodulation technology of half duplex ultraviolet communication system［D］．Chongqing:Chongqing University，2012．(in Chinese)李冠華．半雙工紫外通信系統調制解調技術研究［D］．重慶:重慶大學，2012．

［8］ ZHANGWenbo．Design and realization of the hardware platform ofultraviolet communication［D］．Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications，2013．(in Chinese)張文博．紫外光通信硬件平臺的設計與實現［D］．北京:北京郵電大學，2013．

［9］ LIQing，LIJinhong．Design of Multi－ function digital filter based on FPGA［J］．Journal of Hubei University of Education，2013，15(30):70 －75．(in Chinese)李清，李荊洪．基于FPGA的多功能數字濾波器設計［J］．湖北第二師范學院學報，2013，15(30):70 －75．

［10］ ZHOU Yafeng．Design of FIR filter based on FPGA［D］．Nanjing:Nanjing University of Technology，2005．(in Chinese)周亞鳳．基于FPGA的FIR濾波器的設計［D］．南京:南京工業(yè)大學，2005．

［11］ FENG Yisi．Research and design of FIR filter based on FPGA and MATLAB［D］．Changchun:Changchun University of Technology，2011．(in Chinese)馮毅思．基于FPGA和MATLAB的FIR濾波器的研究與設計［D］．長春:長春工業(yè)大學，2011．

［12］ TONG Peng，HU Yihua．Research of FPGA device selection［J］．Modern Electronics Technique，2007，(20):66 －68．(in Chinese)童鵬，胡以華．FPGA器件選型研究［J］．現代電子技術，2007，(20):66 －68．

［13］ XIA Pu．Designand realization of filter based on the distributed algorithm［D］．Dalian:Dalian Maritime University，2008．(in Chinese)夏瀑．基于分布式算法的濾波器設計及實現［D］．大連:大連海事大學，2008．