一般來說,，無線電臺通信采用半雙工通信方式,，一方在發(fā)送話音信號的同時，不能接收另一方的話音信號,。因此電臺的通信接口分為兩部分,，一部分為話音信號接口，用于發(fā)送接收話音,，另一部分為PTT控制信號接口,，用于控制電臺的發(fā)送接收狀態(tài)。然而,，目前有許多通信設(shè)備,，如民航、海事,、鐵路交通的內(nèi)部通信以及應(yīng)急通信等,，為了實現(xiàn)電臺的遠(yuǎn)程遙控，并且節(jié)省信道資源,，將PTT控制信號調(diào)制成已知的單頻信號與話音信號一起發(fā)送,，確保PTT控制信號傳輸?shù)目煽啃浴．?dāng)內(nèi)通設(shè)備與電臺直接相連時,，接口不兼容,。因此需要設(shè)計一種電臺接口轉(zhuǎn)換模塊，能夠?qū)晤l信號與話音信號分離開來,，實現(xiàn)電臺與內(nèi)通設(shè)備的通信,。
現(xiàn)代的大規(guī)模FPGA既能處理過去DSP處理器領(lǐng)域的功能，同時又大大地降低專用集成電路方案的風(fēng)險和前期成本,，因此采用FPGA作為核心芯片和先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)來開發(fā)將為開發(fā)帶來諸多的優(yōu)勢,。
1 設(shè)計原理
基于FPGA的電臺接口轉(zhuǎn)換模塊是基于數(shù)字信號處理技術(shù)，將設(shè)備的話音信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)捷斎刖彌_區(qū),，數(shù)字話音信號一方面經(jīng)過FIR(Finite Impulse Response)帶阻濾波器,，濾除某一已知的單頻信號，發(fā)送到輸出緩沖區(qū),，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為話音信號,，傳輸給電臺；另一方面,，通過時頻變換,、閾值檢測以及穩(wěn)定處理三個步驟，檢測出單頻信號,，據(jù)此產(chǎn)生PTT(Push-to-Talk)控制信號輸出,，其接口轉(zhuǎn)換模塊功能框圖如圖1所示。
2 FFT處理器設(shè)計
在Altera可編程邏輯器件中數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計需要能夠同時具有高速運(yùn)算以及硬件語言描述的開發(fā)工具,。Altera DSP Builder集成了這些工具,。Altera公司的DSP Builder大大縮短了DSP開發(fā)周期，在友好開發(fā)環(huán)境里它能幫助使用者生成一個有關(guān)DSP設(shè)計的高級硬件描述語言,。IP中的FFT MegaCore function是一個具有良好性能,，高度參數(shù)化的快速傅里葉變換的進(jìn)程。該設(shè)計采用DSP Builder模型這個共享開發(fā)平臺中的Megacore functions完成FFT處理器和FIR陷波濾波器的設(shè)計,。
I/O數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計如下：
在FFT MegaCore宏功能模塊中主要的參數(shù)指標(biāo)就是數(shù)據(jù)流相應(yīng)的時序規(guī)則,，下面簡要介紹一下流結(jié)構(gòu)的時序原理圖，如圖2所示,。
在圖2中,，sink_valid是FFT模塊的輸出信號，它表示FFT處理器是否做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備,。sink_ready和sink_valid都處于高位時,，F(xiàn)FT開始運(yùn)行，等待sink_sop信號置位開始輸入數(shù)據(jù),，只要這兩個信號中任一個信號置低位,，就表明FFT還未準(zhǔn)備好，F(xiàn)FT將處于等待狀態(tài),，直到這兩個信號都處于高位才開始運(yùn)行,。sink_sop是一幀信號傳輸?shù)钠鹗夹盘枺瑂ink_eop表示一幀信號傳輸結(jié)束信號,。
3 FIR陷波濾波器的設(shè)計
窗函數(shù)設(shè)計法在設(shè)計常用FIR數(shù)字濾波器中有非常廣泛的應(yīng)用,，正確的選擇窗函數(shù)可以提高所設(shè)計的數(shù)字濾波器的性能，或者在滿足技術(shù)指標(biāo)的條件下,，減少FIR數(shù)字濾波器的階數(shù),。窗函數(shù)設(shè)計法主要目標(biāo)是獲得最窄的主瓣寬度和盡可能大的旁瓣衰減。若阻帶衰減不高,，則濾除不干凈,，衰減過高，可能將有用信號也一并濾除,。據(jù)資料可知,，矩形窗、漢寧窗的阻帶衰減很低,，海明窗較好一點,，布萊克曼窗應(yīng)該是最恰當(dāng)?shù)摹?/p>
圖3是加布萊克曼窗后的陷波濾波器,，采用Matlab工具產(chǎn)生，橫坐標(biāo)為頻率范圍,，縱坐標(biāo)為各頻率點上的幅度,。
由圖3可知，陷波濾波器在頻率為2 kHz的地方幅度最低,，達(dá)-60 dB,，其過渡帶寬200 Hz，大體上能滿足設(shè)計的需求,。
4 Cordic算法實現(xiàn)求模
目前實現(xiàn)Cordic算法主要有兩種基本的結(jié)構(gòu)：較為簡潔的狀態(tài)機(jī)和高速全流水線處理器,。在此采用高速全流水線處理器。在流水線結(jié)構(gòu)中,，各階段數(shù)據(jù)處理不影響后面數(shù)據(jù)的輸入,，在每個時鐘周期到來是將各階段的數(shù)據(jù)不斷前移，后面的數(shù)據(jù)不斷輸入,，猶如一個FIFO緩沖期,，在每個時鐘周期到來時地址不斷向前移一位，后來的數(shù)據(jù)不斷的往里輸,，在各時鐘周期不同地址間數(shù)據(jù)不會相互影響,。這就保證了實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能不斷地流入而不會導(dǎo)致沖突。圖4所示為5級迭代快速Cordic流水線結(jié)構(gòu)：
如圖5所示,，采用QuartusⅡ的SignalTap采集的數(shù)據(jù),，經(jīng)計算其準(zhǔn)確率高達(dá)98%以上，能夠滿足設(shè)計的需求,。根據(jù)圖5所示計算mmsource_ exp信號,，此信號是指數(shù)修正信號，是有符號型,，將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)的-2,。先計算頭二組mmsource_real信號和mmource_imag信號數(shù)據(jù)。它們也是有符號數(shù),，因此將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù),，轉(zhuǎn)換結(jié)果為{-1，-80,；-2,，-17；-11,，-53,；26，-51},，而根據(jù)Cordic算法得出的結(jié)果從圖5中讀出,，依次為{5 209,；1 113；3 517,；3 723},。而實際經(jīng)模修改后得到的標(biāo)準(zhǔn)值分別為{5 120；1 088,；5 317；3 648},。
5 穩(wěn)定處理
FFT閾值法的原理是先對原始信號做FFT處理,，適當(dāng)預(yù)設(shè)濾波閾值，將低于該閾值的頻帶設(shè)定為無效信號,，定義為接收器沒有接收到信號,。當(dāng)然閾值以下，并不能代表該周期產(chǎn)生了單頻信而由于信道上或者硬件本身的干擾,，單檢測周期的測量值超過閾值或者在號或沒產(chǎn)生,。僅憑單檢測周期的閾值檢測而產(chǎn)生PTT控制信號會帶來話音控制的不穩(wěn)定性。
設(shè)計的算法能極大地提高閾值測試的穩(wěn)定性,。具體處理如下,，流程如圖6所示。
為實現(xiàn)該功能,，需自定義一個計數(shù)器,，初始值為0，計數(shù)器值定義在0到T(T>0)之間,。若在加操作中使計數(shù)器值大于T,，則將計數(shù)器值飽和到T；若在減操作中使計數(shù)器小于0,，則將計數(shù)器值飽和到0,。
第一步，檢測測量值是否過閾值,。若過閾值,，計數(shù)器值加m，進(jìn)行第二步,；若不過閾值,，計數(shù)器值減n，進(jìn)行第四步,。
第二步,，若計數(shù)器值大于T，則飽和到T值,。進(jìn)行第三步,。
第三步,，檢測計數(shù)器值，若計數(shù)器值等于T,，則啟動輸出PTT控制信號,，結(jié)束流程；若計數(shù)器值小于T,，則維持上一次的PTT控制信號輸出狀態(tài),，結(jié)束流程。
第四步,，若計數(shù)器值小于0,，則飽和到0值。進(jìn)行第五步,。
第五步,，檢測計數(shù)器值，若計數(shù)器值等于0,，則取消輸出PTT控制信號,，結(jié)束流程；若計數(shù)器值大于0,，則維持上一次的PTT控制信號輸出狀態(tài),，結(jié)束流程。
在流程中,，m,，n值的選擇取決于信道上或者硬件本身干擾的大小。若沒有單頻信號而誤檢出單頻信號的錯誤概率比較大,，則m的取值應(yīng)較?。环粗?，若沒有單頻信號而誤檢出單頻信號的錯誤概率比較小,，則m的取值可以較大。同理,，若有單頻信號而未檢出單頻信號的錯誤概率比較大,，則n的取值應(yīng)較小,；反之,，若有單頻信號而未檢出單頻信號的錯誤概率比較小，則n的取值可以較大,。
圖7所示,，在CycloneⅢ實驗板運(yùn)行時采用SignalTapⅡ?qū)顟B(tài)機(jī)的各項內(nèi)容進(jìn)行驗證，保證狀態(tài)機(jī)運(yùn)行良好,。將相關(guān)程序下載到Cyclone-Ⅲ芯片里,，實時采集音頻數(shù)據(jù)對狀態(tài)機(jī)進(jìn)行分析,。
在圖7中，mmod在一個采樣周期結(jié)束后ostart信號被觸發(fā),，其獲得的總能量為1 427,，比預(yù)設(shè)閾值要低，因此ocounter1的狀態(tài)不變,，仍保持在第0狀態(tài),，而ocounter2的狀態(tài)則由第3狀態(tài)跳到第2狀態(tài)，這實踐的結(jié)果和理論都是保持一致的,，可以說明程序的正確性,，狀態(tài)機(jī)運(yùn)行正常。
6 結(jié)語
本文可以用于一切需要PTT信號端的設(shè)備上,，應(yīng)用極其廣泛，如：對講機(jī),、飛機(jī)場指揮塔的應(yīng)答系統(tǒng)以及目前已在美國推出的PTT手機(jī)業(yè)務(wù)等均運(yùn)用到該技術(shù),。而在做該課題時遇到一些問題，如：陷波濾波器其阻帶帶寬偏大,，需要尋求一種更好的算法來解決其帶寬問題,；其次，F(xiàn)IR消耗內(nèi)存較大,，這樣會消耗大部分的FPGA邏輯資源,，會導(dǎo)致較大系統(tǒng)的資源不夠，因此需要設(shè)計更好的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)和算法來處理這個問題,。這將是筆者以后需要繼續(xù)研究學(xué)習(xí)的,。
作者：王宇杰 林明 姜黎 顧晶 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)