基于FPGA的电台接口转换模块

　　目前市场上电台接口转换模块大多都采用模拟电路，其带来稳定性差，工艺复杂等缺陷。通过采用数字信号处理技术来处理信号通信，提高信号的传输速率和降低传输的误码率，并提高系统的稳定性，节省信道资源。这里采用FPGA作为核心芯片来设计和开发，利用DSP Builder来仿真FFT实验，用OuartusⅡ软件开发设计此接口转换模块，最终获得的模块电路系统稳定，PTT信号更纯净。

　　一般来说，无线电台通信采用半双工通信方式，一方在发送话音信号的同时，不能接收另一方的话音信号。因此电台的通信接口分为两部分，一部分为话音信号接口，用于发送接收话音，另一部分为PTT控制信号接口，用于控制电台的发送接收状态。然而，目前有许多通信设备，如民航、海事、铁路交通的内部通信以及应急通信等，为了实现电台的远程遥控，并且节省信道资源，将PTT控制信号调制成已知的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。当内通设备与电台直接相连时，接口不兼容。因此需要设计一种电台接口转换模块，能够将单频信号与话音信号分离开来，实现电台与内通设备的通信。

　　现代的大规模FPGA既能处理过去DSP处理器领域的功能，同时又大大地降低专用集成电路方案的风险和前期成本，因此采用FPGA作为核心芯片和先进的数字信号处理技术来开发将为开发带来诸多的优势。

　　1 设计原理

　　基于FPGA的电台接口转换模块是基于数字信号处理技术，将设备的话音信号通过模/数转换器转化为数字信号传输到输入缓冲区，数字话音信号一方面经过FIR（Finite Impulse Response）带阻滤波器，滤除某一已知的单频信号，发送到输出缓冲区，再通过数模转换器转化为话音信号，传输给电台；另一方面，通过时频变换、阈值检测以及稳定处理三个步骤，检测出单频信号，据此产生PTT（Push-to-Talk）控制信号输出，其接口转换模块功能框图如图1所示。

　　2 FFT处理器设计

　　在Altera可编程逻辑器件中数字信号处理系统设计需要能够同时具有高速运算以及硬件语言描述的开发工具。Altera DSP Builder集成了这些工具。Altera公司的DSP Builder大大缩短了DSP开发周期，在友好开发环境里它能帮助使用者生成一个有关DSP设计的高级硬件描述语言。IP中的FFT MegaCore function是一个具有良好性能，高度参数化的快速傅里叶变换的进程。该设计采用DSP Builder模型这个共享开发平台中的Megacore functions完成FFT处理器和FIR陷波滤波器的设计。

　　I/O数据流结构的设计如下：

　　在FFT MegaCore宏功能模块中主要的参数指标就是数据流相应的时序规则，下面简要介绍一下流结构的时序原理图，如图2所示。

　　在图2中，sink_valid是FFT模块的输出信号，它表示FFT处理器是否做好接收数据的准备。sink_ready和sink_valid都处于高位时，FFT开始运行，等待sink_sop信号置位开始输入数据，只要这两个信号中任一个信号置低位，就表明FFT还未准备好，FFT将处于等待状态，直到这两个信号都处于高位才开始运行。sink_sop是一帧信号传输的起始信号，sink_eop表示一帧信号传输结束信号。

　　3 FIR陷波滤波器的设计

　　窗函数设计法在设计常用FIR数字滤波器中有非常广泛的应用，正确的选择窗函数可以提高所设计的数字滤波器的性能，或者在满足技术指标的条件下，减少FIR数字滤波器的阶数。窗函数设计法主要目标是获得最窄的主瓣宽度和尽可能大的旁瓣衰减。若阻带衰减不高，则滤除不干净，衰减过高，可能将有用信号也一并滤除。据资料可知，矩形窗、汉宁窗的阻带衰减很低，海明窗较好一点，布莱克曼窗应该是最恰当的。

　　图3是加布莱克曼窗后的陷波滤波器，采用Matlab工具产生，横坐标为频率范围，纵坐标为各频率点上的幅度。

　　由图3可知，陷波滤波器在频率为2 kHz的地方幅度最低，达-60 dB，其过渡带宽200 Hz，大体上能满足设计的需求。