DVB-S射频调制的FPGA实现

DVB-S标准只是规定了信道编码及调制方式，没有提供具体的射频调制方案，DVB-S标准要求载波的频率范围为950 MHz-2150 MHz，由于受到FPGA内部资源运算速度的限制，一般只能实现中频调制[1]。传统的射频调制是在中频调制后加模拟上变频，如中频调制之后采用AD8346[2]进行射频调制，但这样就增加了设计的复杂度及成本。本文采用ADI公司最新推出的AD9789与FPGA相结合的方法实现了全数字DVB-S标准射频调制。
1 系统构架
AD9789[3] 14 bit TxDAC芯片内部集成了QAM编码器、内插器和数字上变频器，可为有线基础设施实现2.4 GHz的采样率。AD9789 TxDAC支持DOCSIS-III、DVB_C 2个标准，并不支持DVB-S标准。配置选项可以设置数据路径来为QAM编码器和SRRC滤波器设置旁路，从而使DAC能够用于诸如无线基础设施等多种应用中。本文就是利用这一点实现了DVB_S的射频调制，在FPGA内部实现DVB-S信道编码[3](随机化、RS编码、卷积交织、卷积压缩编码)、星图映射、SRRC 滤波器（滚降系数为0.35），经ODDR模块给AD9789提供复数数据。其射频调制方案如图1所示。

2 可变符号率的设计
DVB-S调制器符号率一般支持1 MS/s～45 MS/s可调，这就需要对TS流进行速率调整。整个DVB_S信道编码有2次速率的变化：(1)RS编码，它将188的包结构变成204的包结构，数据输出的速率为输入的204/188倍。(2)卷积压缩编码，由于卷积压缩编码采用不同的编码比率，如1/2、2/3、3/4、5/6、7/8，对应的输出数据速率就变成输入数据速率的1、3/4、2/3、3/5、4/7倍，针对符号率的设计，本文提出了符号率的设计公式：FBAND=A×204/188×8×1/2×(N/N-1)，其中A为TS流的输入数据速率，N的取值为2、3、4、6、7，之所以乘以8是因为在卷积编码时要进行数据的并串转换。
本文采用插空包的方式实现RS编码速率调整，其设计思路是在信道编码之前对TS流进行一次速率调整，将188的数据包变成204的数据包，这样大大简化了后端的设计，具体的操作就是通过FIFO实现，由于TS流速率慢，所以先写FIFO，等到写满一半，开始读，读的时候每次只读188个数据，然后再在其后添加16 B数据，添加0即可，这样就变成了204个字节的包结构。由于读的速率很快，有可能读空，所以要判断FIFO内部所剩下的数据，当不满188 B时，就插入204 B的空包，这样可以保证速率调整之后的数据是连续的。符号率的设计公式变成：FBAND=B×8×1/2×(N/N-1)，只需要改变B及N的值就可以实现符号率的可变。
针对卷积压缩编码速率调整，本文采用重配置DCM[4]与FIFO结合的方式实现，由于调制采用不同的编码率，导致输出的数据速率是可变的，这就使得数据的输出时钟是输入时钟的非整数倍，很难做到小数分频，所以提出了用重配置DCM的方式提供可靠的时钟对应关系。经卷积压缩编码后的数据输出是不连续的，为了便于后续数据升采样的处理，通过一个FIFO将数据打成匀速的。
3 AD9789基本结构[5]
AD9789 包含一个用于器件配置和状态寄存器回读的 SPI(串行外设接口)端口。灵活的数字接口可以适应4 bit～32 bit的数据总线宽度，并且可以接收实数或复数数据，最多可接收4路输入信号。每一路信号最大能经过5级半带插值滤波，插值之后的数据与NCO生成的正余弦信号相乘，再经过通道增益变化，4路信号相加后再通过总增益调整、16倍插值和带通滤波器实现数字上变频，最后经数模转换输出，其原理如图2所示。4个通道的基带处理模块内部结构相同，如图3所示。在本设计中，旁路掉QAM编码器和SRRC滤波器，经过5级半带插值后，通过调节P/Q值，可实现不同符号率的调整。

4 AD9789上变频原理及配置流程[5]
基带信号经过插值后与NCO生成的正余弦信号相乘，从而把基带信号频谱调制到0～fDAC/16之间完成基带调制，即实现图4(a)～图(b)的转换。经过16倍插值滤波器后，形成16个奈奎斯特区，后15个区内的频谱为第1奈奎斯特区基带调制信号的镜像频谱，通过配置带通滤波器的中心频率，可滤除不需要的15个镜像，得到要想的调制信号，如图4(c)所示。AD9789的这种特殊架构，使得输出的调制信号频率范围为0～fDAC，而fDAC最高可达2.4 GHz，完全可以满足DVB-S标准L波段输出的要求。

AD9789通过SPI接口进行参数配置，配置时钟SCLK不能超过25 MHz。写操作时，在SCLK上升沿有效。读操作时，数据在SCLK下降沿有效。AD9789的配置指令由指令控制字和操作数2部分组成。指令控制字包括3部分：读写操作指示位、一次读写的字节个数和起始寄存器的地址。如果执行写操作，操作数就是要写入寄存器的值。如果执行读操作，则操作数就是从相