用成型濾波器組提高測距精度的一種方法

摘要：在許多測距系統中，精確地調整用戶(hù)端回復幀的發(fā)送時(shí)刻是提高測距精度的關(guān)鍵。介紹了用FPGA實(shí)現的一種數字式成型濾波器組，它可大幅度地縮短發(fā)送時(shí)刻的調整步長(cháng)，有效地提高測距精度，已被成功應用于某個(gè)測距系統中。

在許多測距系統中，用戶(hù)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(chēng)為幀參考時(shí)標）為基準發(fā)送“回復幀”給基站�；�站收到回復幀后，提取它的幀參考時(shí)標，并以其作為測距的依據。

通常用戶(hù)端的系統時(shí)鐘精度較低（本文提到的系統時(shí)鐘均指用戶(hù)端的系統時(shí)鐘），因此接收到的幀參考時(shí)標會(huì )存在誤差。在用戶(hù)端經(jīng)過(guò)計算估計出幀參考時(shí)標的誤差，再用該誤差調整發(fā)送回復幀的時(shí)刻，可實(shí)現精確測距。因此測距精度取決于兩個(gè)因素：幀參考時(shí)標誤差的估計精度和回復發(fā)送時(shí)刻的調整精度。本文主要討論如何提高回復幀發(fā)送時(shí)刻的調整精度�；貜蛶�是由基帶碼組成的，因此下文中講的發(fā)送時(shí)刻的高速均指基帶碼發(fā)送時(shí)刻的調整。

發(fā)送時(shí)刻的調整精度是由發(fā)送時(shí)刻的調整步長(cháng)決定的。在一般的數字系統中，發(fā)送時(shí)刻的高速步長(cháng)不小于個(gè)系統時(shí)鐘的周期。本文利用Altera公司的EP20K300EQC240-3型FPGA器件設計了一種成型濾波器組，使發(fā)送時(shí)刻的調整步長(cháng)縮短為時(shí)鐘周期的五分之一，從而將發(fā)送時(shí)刻的高速精度大幅度地提高。

1 成型濾波器組調整發(fā)送時(shí)刻的原理

成型濾波器組的設計原理圖如圖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(huì )產(chǎn)生不同延時(shí)的發(fā)送數據波形。發(fā)送數據波形的延時(shí)不同，則發(fā)送時(shí)刻也不同。這就是說(shuō)，相同的基帶碼經(jīng)過(guò)不同的成型濾波器濾波后可產(chǎn)生不同發(fā)送時(shí)刻的波形。因此，以測距誤差作為選擇字，根據誤差的大小選擇相應的成型濾波器，就可間接地調整發(fā)送基帶碼的時(shí)刻。

2 用FPGA設計成型濾波器

通常，系統時(shí)鐘頻率遠高于基帶碼的速率，因此在成型濾波前，要在基帶碼的相鄰碼之間進(jìn)行內插。內插的方式有多種，通常的內插方法是在發(fā)送的基帶碼的相鄰碼之間內插“0”。將基帶碼插“0”后，與低通濾波器的沖激響應卷積，再送到D/A轉換器轉換成模擬濾波器就可以實(shí)現濾波成型。設計低通濾波器時(shí)，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(shí)現高階FIR濾波器，全占用大量的邏輯單元。比如在A(yíng)ltera公司的FPGA中用邏輯單元實(shí)現一個(gè)50階的FIR濾波器，需要26個(gè)乘法器和50個(gè)加法器，要占用一千多個(gè)邏輯單元。而本文利用FPGA中的ROM，用查表的方法設計同樣的FIR濾波器，則只需占用幾十個(gè)邏輯單元。圖2是成型濾波器的設計原理圖。該設計包括用數學(xué)工具——MATLAB預先設計的部分和在FPGA中實(shí)現的部分，MATLAB完成成型濾波后的數據波形文件的設計。FPGA存儲設計好的數據波形文件，并用發(fā)送的基帶碼選通相應波形的存儲地址，完成濾波成型。

首先用MATLAB設計數據波形文件。設系統基帶碼速率為N MHz，系統時(shí)鐘頻率為B MHz。FIR濾波器的階數為（C×B）/N（C為奇數，可根據濾波器的階數要求進(jìn)行選擇）。FIR濾波器的系數可通過(guò)MATLAB進(jìn)行設計。將C個(gè)基帶碼排列組合成2 C種情況。對于每種組合，在C個(gè)基帶碼的相鄰碼間內插（B/N）-1個(gè)0后，與設計好的濾波器的沖激響應卷積。卷積結果的中間B/N個(gè)數據波形值就是該C個(gè)基帶組合的中間基帶碼（簡(jiǎn)稱(chēng)中間碼）的濾波結果值。這B/N個(gè)數據波形值可以存儲在以該種組合（C個(gè)碼）為基地址的ROM中。MATLAB可以計算出所有組合下C個(gè)基帶碼的中間碼的濾波結果值。

FPGA將所有濾波結果值存入ROM，將每個(gè)濾波結果值所對應的基帶碼組合作為該濾波結果值的存儲地址。系統運行時(shí)，用一個(gè)C位移位寄存器存儲C個(gè)基帶碼，作為地址選通ROM，則ROM輸出的濾波結果值是C個(gè)基帶碼的中間碼的濾波結果值。隨著(zhù)基帶碼依次到達移位寄存器，移位寄存器中C個(gè)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的中間碼的濾波結果值，從而實(shí)現基帶碼的濾波成型。

圖2中ROM存儲的數據是設計一個(gè)成型濾波器得到的波形數據，為了與下面成型濾波器組的存儲數據相區別，將圖2中ROM存儲的所有波形數據統稱(chēng)為一個(gè)子波形。

3 在FPGA中用成型濾波器組調整發(fā)送時(shí)刻的方法

圖3是成型濾波器組的實(shí)現方案圖。圖中的FPGA的ROM中存儲了E個(gè)子波形，稱(chēng)為一個(gè)成型濾波器組。第一個(gè)子波形就是圖2所設計的子波形，稱(chēng)為原來(lái)的子波形。之后的E-1個(gè)子波形是原來(lái)的子波形以時(shí)鐘周期的1/E循環(huán)左移1，2，…，E-1次得到的。如果得到這些移位后的子波形是設計的關(guān)鍵。由于波形的移位在MATLAB中是以數值的變化體現出來(lái)的，而通過(guò)MATLAB計算可以得到數值精度很高的波形數據，所以用MATLAB設計的波形，移位可以遠小于時(shí)鐘周期，因此可以很容易用MATLAB得到以時(shí)鐘周期的1/E循環(huán)左移后的各個(gè)子波形。

各移位后的子波形按循環(huán)左移大小依次存儲在ROM中。因此一個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)被劃分成了E個(gè)區間，將測距誤差除以時(shí)鐘周期，得到余數R，計算出R落在了E個(gè)區間中的哪個(gè)。選擇該區間的子波形，將該子波形送到調整步長(cháng)降到時(shí)鐘周期的1/E。實(shí)際設計時(shí)，在MATLAB中將FIR濾波器的沖激響應以時(shí)鐘周期的1/E循環(huán)左移，再與插

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