文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2012)12-0080-03
測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸作為測(cè)井系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,其傳輸速度直接影響測(cè)井儀器和裝備的發(fā)展,。 隨著測(cè)井新理論和新方法的不斷出現(xiàn),,要求實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)量越來越大。如何提高測(cè)井?dāng)?shù)傳的速度已成為測(cè)井儀器裝備研制開發(fā)的關(guān)鍵問題之一,。
根據(jù)測(cè)井電纜的傳輸特性,,將OFDM技術(shù)應(yīng)用到測(cè)井電纜數(shù)傳系統(tǒng)中將有望大幅提高測(cè)井電纜數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣萚1],。OFDM的主要思想是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道,各子載波并行傳輸,,以提高頻譜利用率,,從而在有限帶寬上,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。因此,,OFDM技術(shù)被視為解決測(cè)井?dāng)?shù)傳問題的有效方案。
經(jīng)實(shí)測(cè),,實(shí)際饋送到電纜上的信號(hào)功率是很小的,。所以要提高信號(hào)傳輸速率,則需要提高發(fā)送信號(hào)功率,。然而,,OFDM信號(hào)峰平比較大,如果直接采用線性放大器,,發(fā)送功率提升有限,,而且容易造成信號(hào)失真。根據(jù)系統(tǒng)特性,,本文設(shè)計(jì)了一種高效的數(shù)字功率放大器,,用于OFDM信號(hào)的功率放大。要求系統(tǒng)傳輸?shù)男旁氡冗_(dá)到72 dB以上即可,。
1 數(shù)字功率放大器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
數(shù)字功率放大器是基于內(nèi)插濾波器的Sigma_Delta調(diào)制器,通過過采樣,、量化噪聲整型(Quantization-Noise-Shaping)和粗糙量化(Coarse-Quantization),能實(shí)現(xiàn)消除OFDM信號(hào)高峰平比特性和高精度低速率的數(shù)據(jù)向低精度高速率的轉(zhuǎn)換。
首先高比特的PCM(脈碼調(diào)制)數(shù)據(jù)經(jīng)過過采樣濾波器進(jìn)行濾波,。過采樣濾波器是低通濾波器, 其作用是把取樣數(shù)據(jù)變?yōu)檫^采樣數(shù)據(jù), 使得采樣率遠(yuǎn)大于臨界取樣速率, 同時(shí)濾去內(nèi)插產(chǎn)生的鏡像頻譜和有用信號(hào)帶寬以外的高頻噪聲,。而后經(jīng)過Sigma_Delta調(diào)制器, 實(shí)現(xiàn)量化噪聲整型和粗糙量化, 調(diào)制器輸出高頻的數(shù)碼流, 其中“1”、“0”的密度與輸入信號(hào)的幅度相關(guān),,即PWM(脈沖寬度調(diào)制),。經(jīng)過D類放大器把調(diào)制后的PWM信號(hào)輸出,利用低通濾波器把高頻噪聲濾除,,得到高信噪比輸出信號(hào),。
數(shù)字功率放大器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.1 內(nèi)插濾波器的設(shè)計(jì)
內(nèi)插濾波器采用級(jí)聯(lián)的形式實(shí)現(xiàn),,其中包括半帶濾波器,、FIR濾波器、CIC濾波器,。半帶濾波器是一種特殊類型的FIR濾波器,,有一半的系數(shù)為0,因此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)比普通FIR濾波器簡(jiǎn)單,但其僅適合實(shí)現(xiàn)2倍內(nèi)插,,因此半帶濾波器通常被用做內(nèi)插器的第一級(jí),。在經(jīng)過第一級(jí)的半帶濾波器進(jìn)行2倍內(nèi)插之后,使用低階的FIR濾波器進(jìn)行第二級(jí)內(nèi)插,。而CIC濾波器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)適合高倍內(nèi)插,,但由于其通帶內(nèi)幅頻響應(yīng)不平坦,因此通常作為內(nèi)插器的最后一級(jí)使用,。
128倍內(nèi)插濾波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
二階Sigma-Delta調(diào)制器由兩個(gè)積分器、一個(gè)量化器和一個(gè)DAC構(gòu)成反饋系統(tǒng),。其中兩個(gè)積分器輸入處的增益因子用來保證積分器不飽和,。它的傳遞函數(shù)如下式所示:
Y(z)=STF(z)*X(z)+NTF(z)*E(z)
STF(z)=Z-1;NTF(z)=(1-Z-1)2
其中,,STF(z)和NTF(z)分別表示調(diào)制器的信號(hào)傳輸函數(shù)和噪聲傳輸函數(shù),。從系統(tǒng)傳輸函數(shù)可以看出,調(diào)制器對(duì)信號(hào)只是進(jìn)行了延時(shí),對(duì)噪聲則是進(jìn)行了高通濾波,,因此大部分噪聲將被整形到高頻部分,,從而大大減少了信號(hào)頻帶內(nèi)的噪聲,顯著提高了基帶信噪比,。
如果Sigma_Delta調(diào)制器的階數(shù)超過兩階,則存在穩(wěn)定性問題,。因此本系統(tǒng)選取兩階Sigma_Delta調(diào)制器。過采樣倍數(shù)為128倍,,理論上可以達(dá)到94 dB的信噪比,,但實(shí)際由于定點(diǎn)運(yùn)算精度有限,以及模擬電路的參數(shù)誤差,,會(huì)有較大的信噪比損失,。
2 仿真與結(jié)果
2.1 Simulink仿真原理框圖
圖4為未經(jīng)過處理的定點(diǎn)系統(tǒng)仿真原理框圖,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字D類放大器的仿真設(shè)計(jì),包括內(nèi)插器濾波器,、Sigma_Delta調(diào)制器、模擬濾波器和D類放大器,。其中信源是兩組偽隨機(jī)的OFMD信號(hào)序列,信宿模塊在接受濾波器以后,,先采樣基帶的625 kHz信號(hào),以通過與第一組信號(hào)的同步來確定邊界,,再進(jìn)行FFT和解調(diào)信號(hào)的處理,。由于之前的內(nèi)插濾波器會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生失真,在第二組偽隨機(jī)序列中先做均衡處理后,再計(jì)算輸入輸出的信噪比,。
將Simulink中的信號(hào)源設(shè)為輸出信號(hào),Matlab程序設(shè)計(jì)內(nèi)插濾波器和Sigma_Delta調(diào)制器,,經(jīng)過飽和加運(yùn)算和四舍五入取整運(yùn)算,將浮點(diǎn)系數(shù)轉(zhuǎn)為定點(diǎn)系數(shù),可以得到更高的信噪比,。圖5為信號(hào)的頻譜輸出,。
2.2 仿真結(jié)果及分析
由圖4輸出的SNR結(jié)果輸出顯示,Simulink未經(jīng)處理的定點(diǎn)系統(tǒng)仿真已達(dá)到75 dB的信噪比,。經(jīng)過飽和加法運(yùn)算和四舍五入的定點(diǎn)數(shù)據(jù)取整運(yùn)算,數(shù)字放大器調(diào)制處理后輸出信號(hào)的信噪比能達(dá)到78 dB,,相當(dāng)于13 bit的ADC性能,因此達(dá)到設(shè)計(jì)要求,。
由圖5的信號(hào)功率譜可以看出,,量化噪聲功率譜被推到高頻端,因此只需要采用一個(gè)低通濾波器即可恢復(fù)低頻部分的有用信號(hào),。模擬濾波器可以采用巴特沃斯濾波器,,其通帶截止頻率為312.5 kHz,而阻帶截止頻率為800 kHz,,阻帶抑制應(yīng)大于80 dB,。
3 硬件實(shí)現(xiàn)
3.1 硬件實(shí)現(xiàn)原理與結(jié)構(gòu)
FPGA的設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)流程。利用每一
信號(hào)源為DSP內(nèi)部產(chǎn)生的OFDM信號(hào),,通過DSP的MCBSP接口與FPGA進(jìn)行通信,,其中幀同步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)由FPGA提供。其Mcbsp的接口結(jié)構(gòu)圖,,如圖7所示,。
由于DA算法具有硬件資源占用少、結(jié)構(gòu)緊湊,、工作頻率高等突出優(yōu)點(diǎn),,所以半帶內(nèi)插濾波器和FIR內(nèi)插濾波器均采用了該算法的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)圖如圖8所示,。
CIC內(nèi)插濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,使用的資源少,采用了內(nèi)插64倍的結(jié)構(gòu),能夠更好地節(jié)省硬件資源,。CIC內(nèi)插濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖9所示,。
Sigma_Delta調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,采用2階單環(huán)結(jié)構(gòu),,具有良好的穩(wěn)定性,。
3.2 FPGA綜合實(shí)現(xiàn)結(jié)果
硬件的FPGA實(shí)現(xiàn)是由Actel的低功耗Proasic3系列芯片A3P250VQ100完成內(nèi)插濾波器和Sigma_Delta調(diào)制器部分。此芯片即使在高溫高壓等惡劣環(huán)境下也很高的穩(wěn)定性,。
通過Modelsim 6.5軟件的時(shí)序仿真,,得到的結(jié)果與Matlab實(shí)現(xiàn)結(jié)果相同,沒有造成其他額外的損失,。在Synplify Pro AE綜合,,最終用到90%的芯片資源。FPGA的輸出信號(hào)接D類放大器。D類放大器采用橋式差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),。由于其功率管都工作于開關(guān)狀態(tài), 輸出的PWM信號(hào)為1,、0信號(hào),其理想的效率可以達(dá)到100%(對(duì)于AB類放大器, 其理想的效率只能達(dá)到78.5%)[5],。
本文介紹了數(shù)字功率放大器的一種實(shí)現(xiàn)方式,。通過過采樣、內(nèi)插,、Sigma_Delta調(diào)制,,降低低速率輸入信號(hào)的精度,使重新量化的信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖寬度不同的高速率PWM信號(hào),用來驅(qū)動(dòng)輸出端的開關(guān)MOSFET,通過低通濾波器重建輸入高精度的數(shù)字信號(hào)。這種實(shí)現(xiàn)功率放大的方式由于只在輸出端產(chǎn)生模擬信號(hào),抗干擾能力強(qiáng),能夠極大地提高電源的使用效率,。
參考文獻(xiàn)
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