基于FPGA的通用位同步器设计方案（3） 同步器, 通用

yuyang911220

　2.2.2 定时误差检测设计
　　定时误差检测程序采用独立于载波相位偏差的GA-TED算法。该算法每个符号周期只需要两个插值，每个码元周期输出一个误差信号μτ （n） ，即：

　　

　　其中，y（n） 表示第n 个码元选通时刻的内插值，前后两个内插值的插值代表误差方向；y（n - 1 2） 表示第 n 个和第n - 1 个码元的中间时刻内插值，代表误差大小。
　　FPGA实现时，为避免乘法运算，采用y（n） 和y（n - 1）的符号来代替实际值［8］，即采用式（5）计算误差信息：

　　

　　根据式（5）进行程序设计，误差的正负方向判断采用case 语句，当y（n） 和y（n - 1） 的符号位分别为“0”和“1”时，y（n - 1 2）的符号位不变；当符号位分别为“1”和“0”时，y（n - 1 2） 的符号位取反；当符号位为“0”“0”或“1”“1”时，令输出的μτ （n） = 0.TED程序在1 Ti 的时钟控制下进行运算，最终得到29位误差数据，并以1 T 的速率即码元速率输出至环路滤波器电路。
　　2.2.3 环路滤波器设计
　　本文对Gardner算法中的环路滤波器进行了改进，根据通用位同步器的要求，采用二阶数字滤波器，并且开放滤波器参数（C1，C2 ） 和使能（c_en）端口，当码元速率变化时，通过外部控制器来改变参数，实现滤波器的通用性。滤波器结构如图5所示。

　　

　　从图5可以看到，滤波器的输出为：

　　

　　式中：Ko Kd 为环路增益；ζ 为阻尼系数，取ζ =0.707;T 为采样时间间隔，即相位调整间隔；ωn 为无阻尼振荡频率。
　　为减少资源占用，环路滤波器中的乘法运算均采用移位方式实现，处理后的误差信息送给内部控制器。
　　2.2.4 内部控制器设计
　　内部控制器根据定时误差信息，调整插值频率1 Ti和误差间隔μk ，并输出位同步脉冲BS，它包含NCO（Numerically Controlled Oscillator）和误差间隔计算两部分。该程序提供接口（频率字fw 和使能端fw_en），外部控制器可以通过该接口输入参数。
　　本设计中NCO 采用与文献［10］类似的DDS（DirectDigital Synthesis）结构，其频率控制字Fw 可由外部控制器设置，其结构如图6所示。
　　图6中，M 为频率控制字位数，N 为相位累加器和相位寄存器的位数。这里取M = N = 23，采用递减型的NCO，归一化后相位累加器的累加值为：

　　

　　式中：Fw 为频率控制字；W （mk ） 为环路滤波器输出的误差信号，二者由环路滤波器提供，决定了NCO的溢出周期。其中，当：

　　

　　

　　NCO 溢出信号即为提取出的位同步信号的2 倍频（2BS），经2分频后可以得到位同步脉冲（BS）输出，2BS同时作为内插滤波器和误差间隔计算的使能信号。
　　误差间隔μk 在NCO 溢出后的下一个Ts 时刻进行计算，环路锁定时：

　　

　　将其截断为8位数据送给内插滤波器。
　　本设计同时对代码进行了优化，数据有效位的截取、内插滤波器的结构优化、乘法采用移位计算代替等措施，有效地节省了硬件资源，优化前和优化后的资源占用情况对比见表1.