高效頻譜分割與聚合技術的FPGA 實現?

閻張懿 仇洪冰 唐清清

（桂林電子科技大學 桂林 541004）

1 引言

隨著人們對衛星通信業務的高速率及安全性的需求不斷增長，衛星通信系統應在相關技術、整體架構等方面不斷演進，以滿足持續增長的用戶需求。但是衛星通信系統頻譜資源受限，但是傳統衛星中不靈活的頻譜分配方式加劇了頻譜資源緊張的問題［1～2］。此外，地面移動通信系統的高效多載波技術由于存在峰均比過高等問題，不適用于功率受限、鏈路時延過大的衛星通信系統［3～5］。在這樣的情況下，將頻譜分割與聚合多載波技術，應用于衛星通信系統上，無疑為提高衛星通信系統頻帶利用效率提供了新方法［6～7］。第一，認知無線電能夠高效利用動態信道頻譜資源提高通信效率［8～10］；第二，在這種動態改變發射參數體制下采用高靈活性的頻譜分割與聚合技術實現信號任意帶寬分割，既能解決大帶寬信號無法接入頻譜零散信道的問題［11］，系統抗截獲性能也得到明顯提升；第三，分割與聚合濾波器組技術無需改變原衛星通訊的調制方式，甚至不用或少量改動原衛星通訊收發設備。

本文針對高效的頻譜分割與聚合系統，采用Xilinx Vivado FPGA 開發軟件，以及衛星通信中常用的QPSK 信號，搭建并驗證了頻譜分割與聚合基帶通信系統。該通信系統可對QPSK 信號進行最多8 次任意帶寬分割，以便搬移至零散的空閑頻段中提高系統頻帶利用率。

2 通信系統總體設計

頻譜分割與聚合通信系統的數字電路總體架構如圖1 所示，其中的核心為頻譜分割模塊與頻譜聚合模塊。衛星通信系統的頻譜分割與聚合是基于原通信系統環境下，通過發射端加入分割模塊對調制信號頻譜的分割，并將分割后的信號發送；在接收端通過再聚合模塊，將分散和亂序的子譜信號重新聚合為原調制信號，并將該信號輸出給原解調端。因此，本文的頻譜分割與聚合系統實現方案盡量減少對原通信系統的修改，盡可能獨立于原通信系統。其中，各模塊功能如下:

圖1 頻譜分割與聚合系統總體框架

1）頻譜分割模塊是整個系統的核心，主要功能是對基帶信號譜進行頻域分割。由于頻譜的分割采用根升余弦濾波器，所以頻譜分割濾波器的設計是模塊的核心之一。為了解決由于信源序列與濾波器輸出序列長度相差很大，造成了FFT/IFFT 運算長度較長、復雜度較高以及存儲資源浪費的問題［12］，濾波過程采用重疊相加算法完成。所以頻譜分割模塊的思想是采用頻譜分割濾波器組以重疊相加法的方式完成原基帶信號的分割。

2）分割子帶搬移是將分割后的各子譜進行頻譜搬移，即通過時域載波相乘的方式實現，搬移的頻段為信道中零散的較窄空閑頻帶，實現了整個系統的頻帶利用率的提高。

3）分割子帶逆搬移的目的是將各子譜搬移回原來位置，方便對各子譜進行聚合恢復。

4）頻譜聚合模塊是頻譜分割的逆過程，唯一不同的是該模塊采用的聚合濾波器與發射端聚合濾波器構造不一樣。

3 核心模塊設計

3.1 分割聚合濾波器設計

下面將對整個設計系統中的核心模塊—頻帶分割與聚合模塊分別進行詳細介紹。頻譜分割模塊是整個頻譜分割與聚合系統發射端的核心模塊，其目的是將基帶信號譜分割成自定義帶寬和個數的子頻譜。其中，模塊由分割濾波器以及重疊相加算法組成。如圖2分割濾波器的FPGA實現方案中頻域分割濾波器的輸出給定的頻譜分割信息所決定，本文所設長度為1024 個點。首先，通過給定的分割子帶個數和各分割帶寬，計算出根升余弦函數中的自變量［13］:((1+β)B/2-f)/2βB，其中所有固定數乘除運算都采用移位實現，變量乘除運算都采用IP 核實現。再將計算出的自變量值送入Matlab 量化配置并映射好的sin 函數Ram IP 核查找表中，輸出濾波器的滾降邊帶幅度，整個查找表中sin 函數的自變量精度為10-3?π，足以確保濾波器的精度。然后將輸出的滾降邊帶寫入初始化好的Ram中，由子帶中心頻率信息作為讀地址，外部使能信息作為讀有效，同時讀出完整的頻域濾波器幅度以及在Rom IP 核中初始化好并變換成1024 個點的基帶I、Q 調制模塊中的成型濾波器頻域形式。隨后，頻域濾波器幅度乘上連續的相位信息構成完整的濾波器函數與成型濾波器頻域形式相除輸出完整的分割濾波器，相位信息為exp(j?π/4)。整個濾波器設計中的定量乘除運算全部采用移位的方式現實，變量的乘除運算全部采用IP 核的實現方式，降低了分割濾波器模塊的資源消耗。

圖2 分割聚合濾波器實現框圖

如果在接收端對各子譜進行聚合時，此時濾波器輸出不再與存儲有成型濾波器參數的ROM IP核輸出相除，這樣才能完成各子譜的匹配濾波，使得聚合恢復信號譜具有全響應特性。

3.2 重疊相加法設計

分割濾波器輸出信號后再對基帶信號進行頻譜分割濾波，采用重疊相加法實現頻域濾波過程，目的是為了解決輸入信號長度與濾波器信號長度差距過大引起的計算量浪費及降低FFT/IFFT 運算量的問題，本系統所設計的重疊相加法FPGA 方案如圖3所示。

圖3 重疊相加法FPGA實現方案

本文以1024 點為一段進行分段運算，基帶輸入Ram IP 核中進行補零成1024 個點信號，在FFT以后，濾波器輸出通過移位寄存器分為延時不一致的多段信號保證每一段對齊，隨后進行相乘送入IFFT 中，再對IFFT 運算結果中的每段輸出延時相加計算出結果。重疊相加法用了相對有限的資源實現了兩個長度差距較大的信號的卷積。

4 時序仿真分析

本文的實驗為1MHz 帶寬QPSK 信號，采樣時鐘為8MHz，并采用四次分割的等分割方式。將FPGA時序數據通過Matlab觀察頻譜分割模塊的頻譜情況，如圖4 所示，可以看出，本系統中的重疊相加法實現了對基帶信號的分割，且分割后的子譜相較于原基帶頻譜具有更低的帶外頻譜功率分量?？梢钥闯稣麄€系統中的頻譜分割模塊時序功能正常。對分割后的子帶進行頻譜搬移，再相加發送。

圖4 FPGA中分割子帶頻域圖示

接收端接收到信號后，當接收信號完成了對各個子帶的相干解調并下采樣，每路信號在頻譜上還有其余子帶的頻率分量，且具有根升余弦滾降特性，所以頻譜聚合模塊的作用是濾除其余子帶分量，完成子帶的匹配濾波，恢復出信號的完整頻帶。具體的實現過程與頻帶分割模塊類似，不同的是聚合濾波器相較于分割濾波器不再與成型濾波器相除，濾波過程同發射端頻帶分割模塊一樣采用重疊相加法。當子帶都進行聚合濾波后，觀察聚合后各路信號頻譜，從FPGA 端將信號分別讀出，在Matlab中觀察信號頻率響應，結果如圖5所示。

圖5 FPGA中聚合子帶頻域圖示

可以看出頻帶聚合模塊濾除了其余子帶頻率分量，輸出的這四路子帶相加后恢復成完整子帶，如圖6 的FPGA 時序結果可以看出，對相加后的聚合信號恢復出的I、Q 兩路基帶信號進行判決后的結果。

圖6 聚合恢復后基帶信號時序

將聚合恢復后判決前的碼元I、Q 兩路基帶信號讀到Matlab 中觀察星座圖及眼圖。如圖7?？梢钥闯鲈陬l譜聚合后，信號能夠良好地解調。

圖7 FPGA解調星座圖及眼圖

5 結語

文章采用Xilinx FPGA 實現了QPSK 頻譜分割與聚合通信系統，完成了各個模塊的邏輯程序及調試。時序結果表明:QPSK 信號在頻譜四分割的條件下，能得到良好的解調，保證了通信質量。該設計已在具體項目中使用，且均能保證穩定可靠的通信功能。本中的設計方法對頻譜分割與聚合通信系統的實現具有較大的參考價值。