数字幅频均衡功率放大器中FPGA的应用
提出了一种基于fpga 的数字幅频均衡功率放大器的设计方案。系统在完成基于ad620前级小信号放大电路设计的基础上，分析了阻带网络的幅频特性;结合分析结果与fir 滤波算法给出了相应的滤波器组成方案。后级功率放大电路采用分立mos 管实现。
在现代通信系统中，码间干扰是制约通信质量的重要因素。为了减小码间干扰，需要对信道进行适当的补偿，以减小误码率，提高通信质量。
1 系统总体设计
本文设计了一种数字信号幅频均衡功率放大器的实现方案。设计主要由四个模块组成。分别为小信号放大，带阻网络衰减，数字信号幅度的均衡处理以及功率放大。其中小信号放大部分由精密度高、噪音系数小的运算放大器ad620 实现;数字信号处理部分以fpga 为处理核心，辅助以a/d、d/a 模块进行模拟信号和数字信号的转换;末级功放电路采用分立的mos管来实现。
2 硬件电路设计
2.1 前置放大电路设计
前置小信号放大器利用低功耗高精度的仪表运放ad620[3]，在运放1 管脚和8 管脚之间介入可变电阻来实现增益可控，以满足题目中要求放大倍数不小于400 倍。前级放大电路如图1所示。根据ad620 的内部结构，其增益表达式如下：
au=(r1+r2)/rg+1=49.4k ω / rg+1，其中，rg 的单位为k ω 。
图1 ad620 放大电路
2.2 带阻网络的计算
阻带网络电路(详见赛题)。根据基尔霍夫定律：
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 的关系：
(其中，z1、 z2 、z3 分别为各谐振网络的总阻抗)
采用tina 仿真软件中的signal analyzer 测得带阻网络输出信号的幅频特性如图2 所示。
图2 带阻网络输出信号的幅频特性
2.3 数字信号均衡处理模块电路设计
均衡技术的实质是在某种优化规则下完成随机信号的最优滤波。因此信号的幅频均衡问题即转变为滤波器的设计问题。在大多数使用均衡器的通信系统中，信道特性是未知的;并且在许多情况下，信道响应是时变的，在这种情况下，应将均衡器设计成对信道响应是可调的;对时变信道，应设计成对信道响应的时变是自适应的。所以自适应均衡器在通信系统中得到普遍应用。但本赛题中，因为其采用带阻网络模拟实际的信道，但带阻网络中所有器件参数均为固定值，不存在时变问题，故设计的滤波器系数无需自适应。
均衡模块采用altera 公司的cycloneii 系列fpga 作为信号滤波处理的核心; a/d 转换模块采用ti 的高速8 位a/d 转换器tlc5540，它的最高转换速率可达每秒40 兆字节;d/a 模块采用10 位高速转换芯片ths5651。
为实现对如图2 所示的衰减进行补偿，均衡模块采用了截止频率均为400hz 的低通滤波器和高通滤波器的叠加。滤波器组原理图如图3 所示。
2.4 功率放大电路设计
根据题目要求,末级功率放大电路采用分立的大功率mos 管实现,与分立的ocl 低功放相比，mos 管功放具有激励功率小，输出功率大，输出漏极电流具有负温度系数，安全可靠，且有工作频率高，偏置简单等优点。电路如图3所示，以运放的输出作为ocl 的输入，达到抑制零点漂移的效果。此方案中用三极管来驱动mos 管，集基极间的电容c4、c5 为高频防振电容。(注：图中数据为参考数值)
图3 mos 管功率放大器
实际功率低于这个值，通过测量来计算出电路的效率。
3 软件设计
altera 提供了基于matlab、dsp builder 的数字滤波器设计方法。使用dsp builder可以方便地在图形化环境中设计fir 滤波器，而且滤波器系数可以通过matlab 的滤波器设计工具fdatool 计算完成。本文中采用直接i 型来实现该fir 滤波器。首先设计一个系数可变的4 阶fir 滤波器节。然后再通过不断的调用fir 滤波器节，级联起来，从而完成高阶滤波器设计。
4 实验结果与结论
图4 singaltap 测试结果
图 4 为采用嵌入式逻辑分析仪singaltap 得到的测试结果。其中，xin 为由a/d 采样得到的输入信号，yout 为经过均衡程序处理过的输出信号。从输出yout 可明显观测到程序对输入信号作出了补偿，去除了噪声，稳定了波形，起到了均衡信号的作用。
本设计实现数字信号幅度均衡的高速处理。同时本设计中前级放大电路不仅可以满足赛题中的各项指标，还可以实现增益的可选择性，可以在其他小信号放大的场合中运用。
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2.1 前置放大电路设计
前置小信号放大器利用低功耗高精度的仪表运放ad620[3]，在运放1 管脚和8 管脚之间介入可变电阻来实现增益可控，以满足题目中要求放大倍数不小于400 倍。前级放大电路如图1所示。根据ad620 的内部结构，其增益表达式如下：
au=(r1+r2)/rg+1=49.4k ω / rg+1，其中，rg 的单位为k ω 。
图1 ad620 放大电路
2.2 带阻网络的计算
阻带网络电路(详见赛题)。根据基尔霍夫定律：
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 的关系：
(其中，z1、 z2 、z3 分别为各谐振网络的总阻抗)
采用tina 仿真软件中的signal analyzer 测得带阻网络输出信号的幅频特性如图2 所示。
图2 带阻网络输出信号的幅频特性
2.3 数字信号均衡处理模块电路设计
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均衡模块采用altera 公司的cycloneii 系列fpga 作为信号滤波处理的核心; a/d 转换模块采用ti 的高速8 位a/d 转换器tlc5540，它的最高转换速率可达每秒40 兆字节;d/a 模块采用10 位高速转换芯片ths5651。
为实现对如图2 所示的衰减进行补偿，均衡模块采用了截止频率均为400hz 的低通滤波器和高通滤波器的叠加。滤波器组原理图如图3 所示。
2.4 功率放大电路设计
根据题目要求,末级功率放大电路采用分立的大功率mos 管实现,与分立的ocl 低功放相比，mos 管功放具有激励功率小，输出功率大，输出漏极电流具有负温度系数，安全可靠，且有工作频率高，偏置简单等优点。电路如图3所示，以运放的输出作为ocl 的输入，达到抑制零点漂移的效果。此方案中用三极管来驱动mos 管，集基极间的电容c4、c5 为高频防振电容。(注：图中数据为参考数值)
图3 mos 管功率放大器
实际功率低于这个值，通过测量来计算出电路的效率。
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4 实验结果与结论
图4 singaltap 测试结果
图 4 为采用嵌入式逻辑分析仪singaltap 得到的测试结果。其中，xin 为由a/d 采样得到的输入信号，yout 为经过均衡程序处理过的输出信号。从输出yout 可明显观测到程序对输入信号作出了补偿，去除了噪声，稳定了波形，起到了均衡信号的作用。
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