來源：電子技術(shù)應(yīng)用  作者：清華大學(xué)電子工程系 章 屹 陸明泉 尹旭明 馮振明

    摘要：在許多測距系統(tǒng)中，精確地調(diào)整用戶端回復(fù)幀的發(fā)送時刻是提高測距精度的關(guān)鍵。介紹了用FPGA實現(xiàn)的一種數(shù)字式成型濾波器組，它可大幅度地縮短發(fā)送時刻的調(diào)整步長，有效地提高測距精度，已被成功應(yīng)用于某個測距系統(tǒng)中。
    關(guān)鍵詞：測距 幀參考時標(biāo) 子波形 成型濾波器 成型濾波器組

    在許多測距系統(tǒng)中，用戶端接收到基站發(fā)送的幀信號后，便以該幀中特定的位置（稱為幀參考時標(biāo)）為基準(zhǔn)發(fā)送“回復(fù)幀”給基站。基站收到回復(fù)幀后，提取它的幀參考時標(biāo)，并以其作為測距的依據(jù)。

    通常用戶端的系統(tǒng)時鐘精度較低（本文提到的系統(tǒng)時鐘均指用戶端的系統(tǒng)時鐘），因此接收到的幀參考時標(biāo)會存在誤差。在用戶端經(jīng)過計算估計出幀參考時標(biāo)的誤差，再用該誤差調(diào)整發(fā)送回復(fù)幀的時刻，可實現(xiàn)精確測距。因此測距精度取決于兩個因素：幀參考時標(biāo)誤差的估計精度和回復(fù)發(fā)送時刻的調(diào)整精度。本文主要討論如何提高回復(fù)幀發(fā)送時刻的調(diào)整精度�；貜�(fù)幀是由基帶碼組成的，因此下文中講的發(fā)送時刻的高速均指基帶碼發(fā)送時刻的調(diào)整。

    發(fā)送時刻的調(diào)整精度是由發(fā)送時刻的調(diào)整步長決定的。在一般的數(shù)字系統(tǒng)中，發(fā)送時刻的高速步長不小于個系統(tǒng)時鐘的周期。本文利用Altera公司的EP20K300EQC240-3型FPGA器件設(shè)計了一種成型濾波器組，使發(fā)送時刻的調(diào)整步長縮短為時鐘周期的五分之一，從而將發(fā)送時刻的高速精度大幅度地提高。

　　1 成型濾波器組調(diào)整發(fā)送時刻的原理

    成型濾波器組的設(shè)計原理圖如圖1所示。成型濾波器組包括一組成型濾波器。相同的發(fā)送基帶碼經(jīng)成型濾波器組中不同的成型濾波器濾波后，會產(chǎn)生不同延時的發(fā)送數(shù)據(jù)波形。發(fā)送數(shù)據(jù)波形的延時不同，則發(fā)送時刻也不同。這就是說，相同的基帶碼經(jīng)過不同的成型濾波器濾波后可產(chǎn)生不同發(fā)送時刻的波形。因此，以測距誤差作為選擇字，根據(jù)誤差的大小選擇相應(yīng)的成型濾波器，就可間接地調(diào)整發(fā)送基帶碼的時刻。

　　2 用FPGA設(shè)計成型濾波器

    通常，系統(tǒng)時鐘頻率遠(yuǎn)高于基帶碼的速率，因此在成型濾波前，要在基帶碼的相鄰碼之間進(jìn)行內(nèi)插。內(nèi)插的方式有多種，通常的內(nèi)插方法是在發(fā)送的基帶碼的相鄰碼之間內(nèi)插“0”。將基帶碼插“0”后，與低通濾波器的沖激響應(yīng)卷積，再送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬濾波器就可以實現(xiàn)濾波成型。設(shè)計低通濾波器時，為了得到較好的波形，通常采用高階的FIR濾波器。如果在FPGA中用邏輯單元實現(xiàn)高階FIR濾波器，全占用大量的邏輯單元。比如在Altera公司的FPGA中用邏輯單元實現(xiàn)一個50階的FIR濾波器，需要26個乘法器和50個加法器，要占用一千多個邏輯單元。而本文利用FPGA中的ROM，用查表的方法設(shè)計同樣的FIR濾波器，則只需占用幾十個邏輯單元。圖2是成型濾波器的設(shè)計原理圖。該設(shè)計包括用數(shù)學(xué)工具——MATLAB預(yù)先設(shè)計的部分和在FPGA中實現(xiàn)的部分，MATLAB完成成型濾波后的數(shù)據(jù)波形文件的設(shè)計。FPGA存儲設(shè)計好的數(shù)據(jù)波形文件，并用發(fā)送的基帶碼選通相應(yīng)波形的存儲地址，完成濾波成型。

    首先用MATLAB設(shè)計數(shù)據(jù)波形文件。設(shè)系統(tǒng)基帶碼速率為N MHz，系統(tǒng)時鐘頻率為B MHz。FIR濾波器的階數(shù)為（C×B）/N（C為奇數(shù)，可根據(jù)濾波器的階數(shù)要求進(jìn)行選擇）。FIR濾波器的系數(shù)可通過MATLAB進(jìn)行設(shè)計。將C個基帶碼排列組合成2 C種情況。對于每種組合，在C個基帶碼的相鄰碼間內(nèi)插（B/N）-1個0后，與設(shè)計好的濾波器的沖激響應(yīng)卷積。卷積結(jié)果的中間B/N個數(shù)據(jù)波形值就是該C個基帶組合的中間基帶碼（簡稱中間碼）的濾波結(jié)果值。這B/N個數(shù)據(jù)波形值可以存儲在以該種組合（C個碼）為基地址的ROM中。MATLAB可以計算出所有組合下C個基帶碼的中間碼的濾波結(jié)果值。

    FPGA將所有濾波結(jié)果值存入ROM，將每個濾波結(jié)果值所對應(yīng)的基帶碼組合作為該濾波結(jié)果值的存儲地址。系統(tǒng)運行時，用一個C位移位寄存器存儲C個基帶碼，作為地址選通ROM，則ROM輸出的濾波結(jié)果值是C個基帶碼的中間碼的濾波結(jié)果值。隨著基帶碼依次到達(dá)移位寄存器，移位寄存器中C個基帶碼的中間碼也被后面的基帶碼依次替換，ROM輸出的將是依次到達(dá)的中間碼的濾波結(jié)果值，從而實現(xiàn)基帶碼的濾波成型。

    圖2中ROM存儲的數(shù)據(jù)是設(shè)計一個成型濾波器得到的波形數(shù)據(jù)，為了與下面成型濾波器組的存儲數(shù)據(jù)相區(qū)別，將圖2中ROM存儲的所有波形數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為一個子波形。