摘要：提出了一種基于FPGA 的數(shù)字幅頻均衡功率放大器的設計方案。系統(tǒng)在完成基于AD620前級小信號放大電路設計的基礎上，分析了阻帶網(wǎng)絡的幅頻特性；結(jié)合分析結(jié)果與FIR 濾波算法給出了相應的濾波器組成方案。后級功率放大電路采用分立MOS 管實現(xiàn)。

　　在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，碼間干擾是制約通信質(zhì)量的重要因素。為了減小碼間干擾，需要對信道進行適當?shù)难a償，以減小誤碼率，提高通信質(zhì)量，接收機中能夠補償或減小接收信號碼間干擾的補償器稱為均衡器。。本文提出了一種基于FPGA 的數(shù)字幅頻均衡功率放大器的解決方案。

　　1 系統(tǒng)總體設計

　　本文設計了一種數(shù)字信號幅頻均衡功率放大器的實現(xiàn)方案。設計主要由四個模塊組成。分別為小信號放大，帶阻網(wǎng)絡衰減，數(shù)字信號幅度的均衡處理以及功率放大。其中小信號放大部分由精密度高、噪音系數(shù)小的運算放大器AD620 實現(xiàn)；數(shù)字信號處理部分以FPGA 為處理核心，輔助以A/D、D/A 模塊進行模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；末級功放電路采用分立的MOS管來實現(xiàn)。

　　2 硬件電路設計

　　2.1 前置放大電路設計

　　前置小信號放大器利用低功耗高精度的儀表運放AD620[3]，在運放1 管腳和8 管腳之間介入可變電阻來實現(xiàn)增益可控，以滿足題目中要求放大倍數(shù)不小于400 倍。前級放大電路如圖1所示。根據(jù)AD620 的內(nèi)部結(jié)構，其增益表達式如下：

　　Au=(R1+R2)/RG+1=49.4k Ω / RG+1，其中，RG 的單位為k Ω 。

圖1 AD620 放大電路

　　2.2 帶阻網(wǎng)絡的計算

　　阻帶網(wǎng)絡電路(詳見賽題)。根據(jù)基爾霍夫定律：

　　I1=I2+I3 (1)

　　U1= I1Z1+I3Z3 (2)

　　I3Z3= I2Z2+ U2 (3)

　　U2= I2RL=600*I2 (4)

　　由式(1)(2)(3)(4)得U1 、U2 的關系：

　?。ㄆ渲校琙1、 Z2 、Z3 分別為各諧振網(wǎng)絡的總阻抗）

　　采用Tina 仿真軟件中的Signal Analyzer 測得帶阻網(wǎng)絡輸出信號的幅頻特性如圖2 所示。

圖2 帶阻網(wǎng)絡輸出信號的幅頻特性

　　2.3 數(shù)字信號均衡處理模塊電路設計

　　均衡技術的實質(zhì)是在某種優(yōu)化規(guī)則下完成隨機信號的最優(yōu)濾波。因此信號的幅頻均衡問題即轉(zhuǎn)變?yōu)闉V波器的設計問題。在大多數(shù)使用均衡器的通信系統(tǒng)中，信道特性是未知的；并且在許多情況下，信道響應是時變的，在這種情況下，應將均衡器設計成對信道響應是可調(diào)的；對時變信道，應設計成對信道響應的時變是自適應的。所以自適應均衡器在通信系統(tǒng)中得到普遍應用。但本賽題中，因為其采用帶阻網(wǎng)絡模擬實際的信道，但帶阻網(wǎng)絡中所有器件參數(shù)均為固定值，不存在時變問題，故設計的濾波器系數(shù)無需自適應。

　　均衡模塊采用Altera 公司的CycloneII 系列FPGA 作為信號濾波處理的核心； A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用TI 的高速8 位A/D 轉(zhuǎn)換器TLC5540，它的最高轉(zhuǎn)換速率可達每秒40 兆字節(jié)；D/A 模塊采用10 位高速轉(zhuǎn)換芯片THS5651。

　　為實現(xiàn)對如圖2 所示的衰減進行補償，均衡模塊采用了截止頻率均為400HZ 的低通濾波器和高通濾波器的疊加。濾波器組原理圖如圖3 所示。

　　2.4 功率放大電路設計

　　根據(jù)題目要求,末級功率放大電路采用分立的大功率MOS 管實現(xiàn),與分立的OCL 低功放相比，MOS 管功放具有激勵功率小，輸出功率大，輸出漏極電流具有負溫度系數(shù)，安全可靠，且有工作頻率高，偏置簡單等優(yōu)點。電路如圖3所示，以運放的輸出作為OCL 的輸入，達到抑制零點漂移的效果。此方案中用三極管來驅(qū)動MOS 管，集基極間的電容C4、C5 為高頻防振電容。（注：圖中數(shù)據(jù)為參考數(shù)值）

圖3 MOS 管功率放大器

　　實際功率低于這個值，通過測量來計算出電路的效率。

　　3 軟件設計

　　Altera 提供了基于Matlab、DSP Builder 的數(shù)字濾波器設計方法。使用DSP Builder可以方便地在圖形化環(huán)境中設計FIR 濾波器，而且濾波器系數(shù)可以通過Matlab 的濾波器設計工具FDATool 計算完成。本文中采用直接I 型來實現(xiàn)該FIR 濾波器。首先設計一個系數(shù)可變的4 階FIR 濾波器節(jié)。然后再通過不斷的調(diào)用FIR 濾波器節(jié)，級聯(lián)起來，從而完成高階濾波器設計。

　　4 實驗結(jié)果與結(jié)論

圖4 singaltap 測試結(jié)果

　　圖 4 為采用嵌入式邏輯分析儀SingalTap 得到的測試結(jié)果。其中，XIN 為由A/D 采樣得到的輸入信號，YOUT 為經(jīng)過均衡程序處理過的輸出信號。從輸出YOUT 可明顯觀測到程序?qū)斎胄盘栕鞒隽搜a償，去除了噪聲，穩(wěn)定了波形，起到了均衡信號的作用。本設計充分利用 FPGA 在數(shù)字信號處理上的優(yōu)勢，在數(shù)字幅度均衡模塊中以FPGA 為平臺，實現(xiàn)數(shù)字信號幅度均衡的高速處理。同時本設計中前級放大電路不僅可以滿足賽題中的各項指標，還可以實現(xiàn)增益的可選擇性，可以在其他小信號放大的場合中運用。