摘要：本文设计实现了一款基于FPGA的PCM-FM遥测中频接收机，在FPGA中实现遥测信号解调、位同步、帧同步等功能，系统码速率、帧长、帧同步码可灵活设置。接收机硬件结构简单，主要包括FPGA、ADC、电源转换芯片、USB接口芯片等常用器件，可单板实现，达到低成本、小型化设计要求。性能测试表明，中频接收机满足设计指标要求，目前该接收机已服务于多个项目。
PCM-FM遥测系统[1]在航空、航天等领域得到广泛应用，国内外遥测厂家均致力于高码率、功能可扩展的遥测产品设计，多功能、通用化、小型化遥测接收系统应用需求越来越迫切，更小、更快、更灵活成为遥测接收技术的又一发展方向。随着数字技术的不断发展，尤其是FPGA技术的发展，遥测中频接收机小型化设计得以实现。本文设计了一款基于FPGA的PCM-FM遥测中频接收机，实现70MHz中频输入PCM-FM遥测信号的下变频、载波跟踪、解调、位同步、帧同步，并最终通过USB接口将数据传给计算机用以数据的存储及分析，接收机码速率、字长、帧长、帧同步码等均可由上位机软件通过USB接口进行设置，所有处理均在FPGA中完成，硬件电路仅由FPGA、AD、电源芯片、晶振等构成，可单板实现，达到小型化设计目的。
1 系统组成与工作原理
本文设计的PCM/FM遥测中频接收机原理框图如图1所示。
由图1可以看出，PCM/FM遥测中频接收机主要包括A/D采样、数字下变频、鉴频、位同步、帧同步及USB接口等功能模块。70MHz中频输入信号经40MHz带通采样送入FPGA进行处理，在FPGA中产生两路正交信号对A/D采样信号进行数字正交下变频生成基带I、Q信号，I、Q信号分别进行低通滤波后送入鉴频模块，通过叉积鉴频完成解调得到PCM码流，按上位机事先设置的码速率、帧同步码、帧长、时间码等，依次完成PCM码流的位同步、帧同步、时间码合并，最后通过USB接口送入上位机进行遥测数据的存贮和处理。
2 系统详细设计
2.1 数字下变频与FM解调
数字下变频与FM解调模块主要包括数控振荡器(NCO)、鉴频器、环路滤波器的设计，数字控制振荡器(NCO)是数字下变频器(DDC)的重要组成部分，它的作用是产生正弦和余弦信号。正、余弦信号如(1)、(2)式所示：
式中，fL0为NCO频率;fs为输入信号的采样频率。由于设计采用带通采样，信号频谱发生搬移。当fs=40MHz时，经过AD采样后，在10MHz、30MHz、70MHz等中心频率上都有所需的有用信号，本设计选择对中心频率为10MHz的有用信号进行混频，此时，fL0为10MHz。在FPGA实现时，采用查表法产生正、余弦信号，建立两个ROM表分别存储0º～90º的正、余弦量化值，通过频率控制字累加值的高两位判断当前的正、余弦值处于哪个象限，对查表输出值进行相应处理，最终得到正、余弦信号[2]。余弦、正弦信号分别与AD采样输入混频得到I、Q基带信号，经低通FIR滤波器滤波后送入数字鉴频器[3]。假设瞬时频率为f(t)，瞬时相位为
，同相分量为I(t)，正交分量为Q(t)，由：
得到：
对应的数字域表达式为：
数字鉴频模块的实现框图见图2，鉴频输出即为FM解调得到的PCM码流
2.2 载波跟踪设计
在高动态应用环境下，遥测接收机需具备抗多普勒频偏的能力，本设计中，鉴频输出经过一阶锁频环得到频率修正值并反馈给NCO，锁频环结构框图见图3。指标要求中频接收机抗多普勒频偏能力为250kHz，所以在实现时，对超出250kHz的频偏按250kHz进行处理。
2.3位同步设计
设计采用直接位同步法中的数字锁相环方法实现位同步器设计[4]。在设计中利用数字锁相环来提取位同步信号：在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地同步信号的相位，若两者相位不一致(超前或者滞后)，鉴相器产生误差信号调整本地同步信号的相位，直至获得准确的位同步信息。位同步器主要由参考频率生成、同相正交积分环路、数字序列滤波器、分频器等几部分组成，其原理如图4所示。
本设计参考时钟为码速率的16倍，通过上位机设置接收机码速率时，参考时钟频率也相应得到设置，参考时钟的精度直接影响位同步器性能，因此，生成高质量的参考时钟是基本前提。在FPGA中采用查表法产生位同步参考时钟，原理与NCO生成一致，不再赘述，区别仅在于只取输出的符号位。
2.4帧同步设计
位同步输出经过串/并转换后，与本地帧同步码(由上位机设置)进行同或后全加，然后与门限值Nt进行比较，大于门限值表示接收到帧同步码。三态逻辑电路保证帧同步器在三个固定模式(搜索、校核、锁定)上工作[5]。在搜索态，不使用窗口，符合相关器输出即认为是帧同步码。一旦接收到帧同步码，转入校核态，位/字计数器、字/帧计数器复位并开始计数，这个过程一直持续到字/帧计数器达到预定的字/帧数。以预期检测位为中心产生窗口脉冲，利用帧同步码的周期性，下一个检测位应落在窗口脉冲宽度内，三态逻辑产生帧标志脉冲。若在窗口范围内，没有检测到帧同步码，认为是虚警，则从校核态返回到搜索态。在校核态，连续通过预定的校核帧数A，则帧同步器进入锁定态。在锁定态下，若帧同步码发生漏检或数据错误，帧标志脉冲由本地产生，以避免由于帧同步码的漏检而造成的数据丢失。连续漏检超过预定的保护帧数B，返回搜索态，否则保持在锁定态。
2.5 硬件设计
接收机以FPGA为中心，外围为晶振、电源模块、A/D转换电路和USB接口电路。
AD转换设计采用AD6645，AD6645是采用CMOS工艺的14位模数转换器，最高采样率为105MSPS，在中频为70MHz时的SNR为73.5dB，SFDR为89dBc，模拟带宽达200MHz[6]。AD模拟输入端为差分输入，通过阻抗比4：1的变压器进行交流耦合，电路原理图见图5。图中R1=R2=24.9Ω，R3=178Ω，输入端匹配阻抗为50Ω。AD时钟管脚与FPGA相连，采样频率由FPGA控制，本设计采样频率为40HMz。
FPGA选用Xilinx Spartan-6系列XC6SLX100工业级FPGA芯片。该芯片采用45nm工艺，专为低成本与低功耗而精心优化，集成了丰富的逻辑资源，接口可选择使用1.2V、1.5V、1.8V、2.5V或3.3V多种标准，便于与其它电路接口[7]。XC6SLX100 FPGA的配置文件大小为26,543,264bits，配置芯片选用XCF32P，采用BASIC Master Serial 配置模式,配置时钟由FPGA内部提供，配置速率22MHz。
遥测中频接收机与上位机之间采用USB接口，接口芯片选用CY7C68013，FPGA与CY7C68013间采用SlaveFIFO通信模式。
3 测试结果
搭建测试平台，遥测接收系统由射频接收机、本文设计的中频接收机、上位机等组成。中频接收机测试结果：最大多普勒频偏250kHz、码速率100kbps～5Mbps可调、抗连续连0或连1可达128位、帧长与帧同步码可灵活设置。结果表明满足设计指标要求。
4 结论
本文设计了一款基于FPGA的PCM/FM 遥测中频接收机，码速率、帧长、帧同步码等可灵活设置，硬件结构简单，可单板实现，达到小型化、低成本设计目的。目前，该接收机已服务于多个项目，性能稳定可靠。
参考文献：
[1] 李英丽，刘春亭.空空导弹遥测系统设计[M].北京：国防工业出版社，2006
[2] Uwe Meyer-Baese.数字信号处理的FPGA实现[M].北京：清华大学出版社，2002
[3] Miao G J.Signal processing in digitai communications [M].Artech House Inc,2007
[4] 樊昌信，詹道庸，徐炳祥等.通信原理(第四版)[M].北京：国防工业出版社，2001
[5] 夏利利，刘冰，周江等.PCM遥测帧同步技术性能分析[J].电讯技术，2014, 54(6)：803-807
[6] AD6645 Data Sheet，Analog Device Inc，2002
[7] Xilinx Inc.Data Sheet，Spartan-6 Family Overiew，2010