FPGA数字信号处理（十二）滑动平均滤波器 |
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FPGA数字信号处理（十二）滑动平均滤波器
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上一篇介绍了数字通信系统中ASK解调技术的FPGA实现。在ASK解调系统中，需要对低通滤波器提取出的基带包络信号做判决输出，本文将介绍其中涉及到的判决门限问题，以及在FPGA中的实现方法。主要介绍了如何使用滑动平均滤波器求得信号均值。 判决门限由上一篇可知，LPF输出的基带包络信号包含有直流分量。2ASK信号只有2种电平状态，因此只需要将基带波形的直流分量作为判决门限即可。4ASK信号有4种电平状态：最大幅度的0、1/3、2/3、1倍，选取中间值1/6、1/2、5/6作为判决门限正确率最高。可见，无论是2ASK还是4ASK，都需要先获得直流分量。 本文将讲述ASK解调系统中判决门限的选择问题，以及FPGA的设计。由于ASK解调出的基带信号含有直流分量，因此需要这样处理。对于2FSK、BPSK这种不含直流分量的解调系统而言，判决门限直接选择0即可。 滑动平均在FPGA中，求取信号的直流分量即为求信号的均值，参与均值运算的数据越多，则计算准确度越高，消耗的资源也越大。 最方便实现的求均值方法便是滑动平均滤波器，之所以称之为滤波器是因为该算法本身有一种保留低频分量、滤除高频分量的特性。如3点滑动平均滤波器的输出y(n)=[x(n-2)+x(n-1)+x(n)]/3。滑动平均滤波器的频率响应与CIC滤波器的完全一致，系数都是1（CIC滤波器参考本系列16~19篇）。 上述示例x(n)的每个取样点权值相同，都为1/3。也可以为每个取样点选择不同的权值，即为所说的加权滑动平均滤波器，将在后面的文章中叙述。 FPGA设计在Vivado开发环境下完成256点滑动平均滤波器的设计。模块接口如下： `timescale 1ns / 1ps //-------------------------------------------------------- // ASK解调系统，符号判决模块 //-------------------------------------------------------- module gate ( input rst, input clk, input signed [13:0] din, //LPF输出的基带信号包络 output signed [13:0] mean //基带信号的直流分量 );使用一组256个寄存器移位存储基带信号数据，即求平均值时共选取256个数据进行运算。代码如下： //-------------------------------------------------------- // 256级寄存器移位缓存数据 //-------------------------------------------------------- reg [13:0] din_reg [255:0]; integer i, j; always @ (posedge clk or posedge rst) if (rst) //复位清0 for (i=0; i{8{din_reg[255][13]}},din_reg[255]}; assign mean = sum[21:8]; //右移8bit等效为÷256 endmodule这样便得到了基带信号的直流分量。对于2ASK解调，这个值可以直接作为判决门限；对于4ASK解调，还需要由直流分量（即1/2）得到1/6和5/6两个判决门限。这会涉及到常系数的乘除法，对于FPGA而言，这两种运算很消耗资源（尤其是除法），可以采用在https://blog.csdn.net/fpgadesigner/article/details/80710344 用过的移位相加的方法来代替。 仿真与工程下载将判决门限模块加入到ASK解调系统的工程中进行仿真。对2ASK信号解调的仿真效果如下图所示： 不过可以预料到的是，在初始阶段，当数据点数不足256个时（不够的值会采用默认值0填充），计算得到的直流分量会有相当大的误差，这在应用于解调系统时会造成一定的错误，具体情况可参考本系列第11篇的仿真。 |
看到黄色标签处的基带信号最大值为3923，此时的直流分量为1904，可以作为判决门限。直流分量的值一直都比较稳定。4ASK信号解调的仿真效果如下图所示： 
看到黄色标签处的基带信号最大值为4303，此时的直流分量为2031，可以作为判决门限。【本文地址】
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