基于fpga的电台.doc

摘要
在军事指挥系统中，一般地空电台部署在沿边界的各雷达站，而指挥员在一个区域指挥中心实现大范围空域的地空指挥，因此电台远程遥控是非常有意义的。为了实现电台的远程遥控，并且节省信道资源，将PTT控制信号调制成一个单频信号与话音信号一起发送，确保PTT控制信号传输的可靠性。
本课题以地空通信系统的研制为背景，深入研究了电台转换接口的设计过程及实现的关键技术，详细介绍了一种基于FPGA的模块化电台接口的信号处理过程。在软件算法设计方面，重点主要讨论了话音信号和PTT信号处理流程以及FFT处理器的算法结构、FIR陷波滤波器结构、阈值检测、稳定算法等相关算法。在系统设计方面，将FPGA硬件的高速性能和I2C总线的简单有效相结合；在运算板的设计中，根据系统算法及实时性要求，研制了一种基于FPGA的通用高速音频处理运算板模块。该系统具有音量调整灵活，实时性高，稳定性强和扩展性强等特点。本课题的创新点为采用FIR滤波器实现单频信号的滤波；采用时频变换的方式实现单频信号的检测；设计了新型稳定处理算法，保证PTT控制信号的稳定有效。
研制的电台接口转换模块经过仿真，模拟实验和实际测试，结果表明各项指标均达到系统要求，性能稳定，已成功的应用于某地空通信系统中。

关键词 FIR；FFT；Cordic算法；稳定处理

























Abstract
In the military command system, in general, earth-to-air radio stations are disposed along the border in the radar station, and the commander in a regional command center achieves air-ground command in a wide range of air space, so it is very significant for the radio remote control. In order to achieve the radio remote control, and save the channel resources, the PTT control signal modulates a single-frequency signal to sent along with the voice signal, control to ensure the signal transmission reliability.
The topic sets earth- to-air communications system for the background,, deathly study the radio transformation interface design process and implementation of key technologies, in detail, introduces a signal processing of modular radio interface based on FPGA. In the software design of algorithm, focusing mainly on the signal processing algorithm both the PTT control signal and voice signal, and the FFT processor structure, FIR notch filter structure, threshold detection, stable algorithm and other related algorithms. In the system design, communicating the FPGA hardware with good performance and I2C bus with simple and effective; in the operation panel design, according to the system requirements with algorithms and real-time, developing a general-purpose, high-speed and FPGA-based computing board for audio processing module. The system has the flexibility to adjust the volume, high real-time, good reliability, and expandability features.
Simulation result and environment test show that all specifications of the Radio interface converter modules can meet requirements of the system, the ground-air communication has been successfully used in some fire control radar due to its stable and perfect performance.
Key words:FIR; FFT; CORDIC arithmetic; stable processing



























目 录
摘要 I
Abstract III
第1章 绪论 1
1.1 选题的研究背景和实际意义 1
1.1.1 课题的研究背景 2
1.1.2 实际意义 2
1.2 本课题国内外研究现状与发展趋势 3
1.2.1 国内外现状 3
1.2.2 发展趋势 3
1.3 本研究课题的来源及主要内容 4
1.4 论文章节安排 5
第2章 总体设计 7
2.1 系统组成 7
2.2 本课题的设计方案 8
2.3 本章小结 9
第3章 快速傅里叶变换处理器的设计 11
3.1 FFT的基本理论及算法 11
3.1.1 离散傅里叶变换(DFT)的基本原理 12
3.1.2快速傅里叶变换(FFT)的基本原理 14
3.1.3 频域抽选基4碟形运算单元 14
3.2 FFT处理器总体方案的设计 16
3.3 FFT IP核的设计 17
3.3.1 块浮点结构原理 17
3.3.2 FFT处理器的引擎结构的设计 19
3.3.3 I/O数据流结构的设计 20
3.3.4逻辑资源的使用 23
3.3.5 FFT IP核的设计工具 23
3.4 求模单元的设计 24
3.4.1 Cordic算法原理 24
3.4.2 Cordic算法的结构 25
3.5 本章小结 28
第4章 有限脉冲响应(FIR)陷波滤波器的设计 29
4.1 数字滤波器概述 29
4.2 分布式算法 29
4.2.1 分布式算法原理 29
4.2.2 串行DA和并行DA的理论 30
4.2.3 串并DA结构 30
4.3 基于查找表的分布式算法 30
4.3.1查找表原理 30
4.3.2 查找表ROM的设计 33
4.4 基于FPGA的FIR陷波滤波器的设计 34
4.4.1 陷波滤波器结构的设计方案 35
4.4.2 窗函数法原理介绍 35
4.4.3 窗函数法设计方案 36
4.4.4 约束最小二乘法设计FIR陷波滤波器 39
4.4.5 等波纹法设计FIR陷波滤波器 40
4.5 本章小结 41
第5章 基于I2C总线的输入输出信号转换设计 43
5.1 简要介绍8731芯片的整体功效 43
5.2 WM8731寄存器的地址分配 45
5.3 WM8731控制电路的实现 50
5.4 用WM8731 D/A转换器产生音频信号 50
5.5 本章小结 53
第6章 阈值检测和稳定算法处理 55
6.1 阈值检测 55
6.2 稳定处理算法 56
6.3 本章小结 58
第7章 PCB设计及系统实现 59
7.1 原理图的设计 59
7.2 PCB图设计 63
7.2.1 布局原则 63
7.2.2 布线原则 64
7.2.3 系统实现 65
7.3 本章小结 66
结束语 67
参考文献 69