Der Einsatz komplexer Algorithmen zur Realisierung universeller Abtastempfänger in FPGA-Technik:
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| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1996
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| adam_text | Titel: Der Einsatz komplexer Algorithmen zur Realisierung universeller Abtastempfänger in FPGA-Technik
Autor: Meyer-Baese, Uwe
Jahr: 1996
V Inhaltsverzeichnis 1 Grundlegende Betrachtungen 3 1.1 Darstellung von Bandpaß-Signalen durch I- und Q-Phase ......... 3 1.1.1 Klassische Erzeugung von I- und Q-Phase durch die Hilbert-Transformation ................................ 5 1.1.2 Kohärente Demodulation........................ 6 1.1.3 Demodulation mit Hilfe von I- und Q-Phase............. 7 1.2 Beschreibung der LW-Datensignale...................... 8 1.2.1 Der Zeitzeichensender DCF77..................... 9 1.2.2 Die Wetterbildsender DCF37 und DCF54............... 12 1.2.3 Signale des Textsenders DCF49.................... 12 1.3 Kriterien zur Beurteilung von PGAs ..................... 13 2 Methoden der Frequenzsynthese 19 2.1 Klassische analoge Verfahren zur Frequenzsynthese ............. 19 2.2 Direkte Digitale Synthesizer.......................... 20 2.2.1 Direkte Digitale Synthesizer mit Akkumulator............ 20 2.2.2 Der Frequenzteiler........................... 26 2.2.3 Multiplikative Frequenzerzeugung .................. 27 2.2.4 Abschließender Vergleich der DDS-Verfahren............. 28 2.3 Hybride Verfahren zur Frequenzsynthese................... 28 2.3.1 Phase Locked Loop (PLL) zur Frequenzsynthese........... 29 2.3.2 Modifizierte PLL-Synthesizer..................... 30 2.3.2.1 Akkumulator-Synthesizer als PLL-Referenz........ 31 2.3.2.2 Fraktionale M- Synthese................... 32 2.3.3 Neuer Synthesizer mit Akkumulator-Rest-Division......... 34 2.3.3.1 Verallgemeinerung...................... 34 2.3.3.2 Hybride Struktur zur Phasenfehlerkompensation...... 35 2.3.3.3 Hardware-Konzepte..................... 36 2.3.3.4 Beschreibung des Testaufbaus................ 38 2.3.3.5 Meßergebnisse ........................ 39 2.3.3.6 Vergleich zwischen Theorie und Praxis........... 40 2.4 Einordnung des neuen Verfahrens....................... 41 3 Selektion und A/D-Wandlung für Bandpaßsignale 43 3.1 A/D-Wandlung für Bandpaßsignale......................
43 3.2 Der konventionelle SA-A/D-Wandler..................... 45
VI INHALTSVERZEICHNIS 3.2.1 Das Prinzip des „Noise Shaping“ für Tiefpaßsignale.........46 3.2.2 S/N-Gewinn durch Dezimation.................... 47 3.2.3 „Noise Shaping“ für Bandpaßsignale ................. 50 3.2.4 S/N-Gewinn für den Bandpaßwandler ................ 50 3.3 Entwurf des Analogteils ............................ 53 3.3.1 DCF77-BP-£A-A/D-Wandler .................... 61 3.4 Dezimationsfilter für den £A-Bandpaßwandler................ 62 3.4.1 Stabilitätstests für Frequenzabtastfilter................ 64 3.4.2 Stabilität von Elementarfilterstrukturen ............... 66 3.4.3 Bestimmung geeigneter Bit-Breiten in der Kaskade......... 70 3.4.3.1 Bestimmung der Bit-Breite der einzelnen Register .... 72 3.4.4 Entwurfsbeispiel .................. 75 3.4.4.1 Realisierung mit parallelen Elementarfiltern........ 75 3.4.4.2 Realisierung mit Halbbandfilter und Elementarfiltern ... 76 3.4.4.3 Realisierung mit CBPC-Filtern............... 78 4 Universelle Demodulatoren 80 4.1 Inkohärente Abtastempfänger für Bandpaßsignale.............. 80 4.1.1 Quadraturüberlagerungsempfänger.................. 81 4.1.2 Die Bandpaßabtastung (Integer-Band-Sampling) .......... 85 4.1.3 Der Quadraturabtastempfänger.................... 87 4.1.4 Der Hilbert-Abtastempfänger.....................90 4.1.4.1 Hilbert-Abtaster nullter Ordnung........ 91 4.1.4.2 Hilbert-Abtaster höherer Ordnung............. 91 4.1.4.3 Hilbert-Abtastempfänger mit Unterabtastung........ 95 4.1.5 Vergleich der Abtastempfänger ............ 97 4.2 CORDIC-Demodulator .................. 98 4.2.1 Grundlagen des CORDIC-Prinzips......; . . ......... 98 4.2.2 Funktionale Beschreibung des Koordinatentransformators ...... 99 4.2.3 Mögliche Hardware-Realisierung des CORDIC-Algorithmus .... 102 4.2.4 Hilbert-Integer-Band-Aufteilung für BP-£A-Wandler.......106 4.2.5 Vergleich verschiedener Demodulationsprinzipien...........108 4.3 Optimalstrategien
zur inkohärenten FM-Demodulation...........109 4.3.1 Abschätzung zur Bitfehlerwahrscheinlichkeit.............111 4.3.2 Strategien zur Optimaldemodulation für FM-LW-Signale......113 4.3.3 Gedächtnisbehaftete Demodulation..................115 4.4 Kohärente Empfänger für Bandpaßsignale ..................119 4.4.1 Linearer Phasenregelkreis . ......... 121 4.4.2 Die digitale PLL .............................123 4.4.3 Costas Regelschleife...........................125 4.5 Vergleich der realisierten Empfängerschaltungen........ 129 5 Verschlüsselung und Fehlerkorrektur 137 5.1 Fehlerkorrektur für DCF77 . . ......................... 138 5.1.1 Protokollfeldauswertung als Wiederholungscode...........139 5.1.2 Erweiterung der Fehlererkennung zum Hamming-Code . ......140
INHALTSVERZEICHNIS VII 5.1.3 Fehlerschutz für das gesamte Minutentelegramm...........142 5.1.3.1 Codierungsschranken.....................144 5.1.3.2 Auswahl des Codes für das gesamte Minutentelegramm . . 145 5.1.3.3 Codierung...........................145 5.1.3.4 Decodierung .........................146 5.1.4 Vergleich der verschiedenen Verfahren . . ...............149 5.2 Personenrufsystem für Langwelle.......................152 5.2.1 Beschreibung des Datenformats....................153 5.2.2 Das Minutenintervall ..........................153 5.2.3 Fehlerkorrekturschaltung........................155 5.2.3.1 Der Maximum Likelihood Sequence Decoder........156 5.2.3.2 Sequentielle Decoder.....................162 5.2.3.3 Algebraische Decoder ....................164 5.2.3.4 Abschließender Vergleich...................167 5.2.4 Verschlüsselungsverfahren für FPGAs.................167 5.2.4.1 Strom-Chiffren........................168 5.2.4.2 Block-Chiffren........................169 5.2.4.3 Vergleich der Verfahren bezüglich der kryptographischen Sicherheit...........................175 5.2.5 Hardware-Struktur des gesamten Decoders..............177 5.2.5.1 Blockstruktur des Decoder-FPGAs.............179 6 Zusammenfassung 181
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