基于FPGA的低资源开销低频正弦信号数字解调方法及装置与流程

本发明属于航空机载电子设备，涉及一种用于处理线性可变变压器（lvt）和旋转可变变压器（rvt）输出信号的数字解调方法与装置，具体涉及一种基于fpga的低资源开销低频正弦信号数字解调方法及装置，适用于在资源数量紧张的fpga平台上，对载波频率在khz级别、调制信号为超低频（通常低于60hz）的正弦调幅信号，进行高精度、低延迟的解调。

背景技术：

1、在航空工业中，线性可变变压器（lvt）和旋转可变变压器（rvt）被广泛用于测量飞机的各种机械位移量，如舵面偏角、油门位置、起落架收放状态等。这些传感器通过初级绕组施加一个khz级别的正弦载波激励，其次级绕组会感应出一个幅值与机械位移成正比的调幅信号。该调制信号（即被测的位移信号）的主要频率成分在60hz以下，对应的是作动器的缓慢机械动作。

2、考虑民航领域的抗单粒子性能、适航和非相似设计要求，民航领域的fpga选型必须考虑制程大、资源少的低密度器件，对可编程逻辑算法复杂度提出了极高要求。在航空领域常用的抗辐照低密度fpga上，可用逻辑资源往往不足通用fpga的十分之一，常规数字解调算法因资源需求超限而无法部署。

3、传统的机载设备中对lvt/rvt信号的解调通常采用模拟电路或通用数字解调算法，但其存在以下问题：

4、模拟解调方案采用模拟包络检波电路和rc低通滤波器，需要消耗额外电路板面积和高精度元件。对于小型化机载设备，存在高性能元器件体积较大导致的布局布线困难，同时该方案受温度漂移、元件老化影响大，对产品精度、稳定性、使用寿命和设计、制造、试验、维护成本造成负面影响。

5、传统的数字解调方案主要包括包络检波法、高阶数字滤波器法、相干解调法、频域处理法。其中，包络检波法和高阶数字滤波器法依赖于高阶滤波器的部署，会导致通常高达几十毫秒的群延迟，实时性差，且高阶滤波器难以在民航领域使用的fpga平台上部署。相干解调法和频域处理法依赖于时频域变换算法，其同样受限于fpga资源数量，无法部署于指定fpga系列。同时，相干解调的解调机制依赖于与载波激励源严格同步的本振信号，系统复杂。在载波激励源与数字解调设备不在同一电路板上的情况下，会面临抗干扰能力弱、布局布线困难与对接口数量增加困难等问题。时频域变换类高性能解算算法资源消耗巨大，无法在此类硬件上集成部署。

6、因此，在追求高可靠性、低资源开销、毫秒级延时的实时性且小型化航电设备中硬件布局空间紧张的背景下，新一代航空传感器的信号处理需要一种新型的数字解调方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术不足，提出一种基于fpga的低资源开销低频正弦信号数字解调方法及装置，以严格的数学关系为指导，绕过复杂的频域计算操作，基于理想正弦波的样本均值和有效值的固定比例关系，解决当前缺少可以在资源数量紧张的fpga上部署的精度高、响应迅速的调幅信号数字解调算法的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种以样本积分计算与低通滤波为核心的数字解调方案，其核心思路为：调制信号频率远低于载波时，调幅信号波形接近理想正弦波，而理想正弦波的绝对值均值和有效值之间存在固定的比例关系。其中理想正弦波的绝对值均值和有效值的固定比例关系如下所示：设理想正弦波的振幅为，则理想正弦波的绝对值均值为，理想正弦波的有效值为。以上述原理计算连续滑动窗口内波形有效值，结合后级的一阶滤波器，避免采样导致的频谱混叠效应。

3、具体的，本发明采用如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供一种基于fpga的低资源开销低频正弦信号数字解调方法，包括以下步骤：

5、模数转换步骤：以固定的采样频率对输入的低频调幅信号进行采样，获得数字信号序列。同时进行去毛刺操作，丢弃数值超过预设阈值的样本，即丢弃误差值过大的样本，以时间上最近的一个有效样本代替被丢弃的样本。

6、全波整流步骤：对采样后的数字信号取绝对值，将双向交流信号转换为单向的馒头波信号。

7、滑窗积分计算步骤：设定长度为个样本点的计算窗口，其中为正整数，计算所述馒头波信号在所述计算窗口内的样本积分。对于样本序列，通过迭代公式计算滑窗积分并输出样本积分结果，对信号进行初步平滑，即滑窗积分提供初步滤波（移动平均效应），后续一阶低通滤波器完成最终滤波，两者级联共同抑制载波分量。样本序列的缓存采用深度同样为的bram结构，采用地址轮询的方式实现环形fifo，进行滑动窗口内最近个样本数据的存储与读取，实现寄存器资源的最少占用。每次更新时，读取所存储个样本序列中的最早样本，并将最新整流结果写入bram覆盖最早样本，同时更新存储最早样本的指针。

8、增益补偿计算步骤：根据计算窗口长度与移位操作位数，对样本积分结果使用定点乘法进行增益的增益补偿，得到计算窗口内调制信号的有效值。其中增益可以根据算法设置预先计算，并作为常量参数固化于fpga的硬件描述代码中。

9、由于定点乘法无法对小数执行计算，增益补偿计算步骤在乘法计算前对增益参数进行了移位操作。移位操作位数通过增益的数值和精度要求权衡设计，其最小数值的计算过程如下：设采样最大样本数值为，采样深度为，解调结果误差要求为（其中和采用同一量纲，的单位为bit），可以得出的最小值。

10、通过固定窗口长度的滑窗积分计算与增益得到信号瞬时均值过程，利用调幅信号波形接近理想正弦波的特性，根据正弦波信号短时绝对值均值与有效值的比例关系简化了有效值的计算。

11、移位补偿步骤：根据增益补偿操作的移位操作位数，对增益补偿计算结果右移位，使得解调前后量纲不变。

12、低通滤波步骤：使每个滑动窗口的移位补偿结果依次通过一个一阶低通滤波器（如截止频率为60hz）进行滤波，最终输出解调后的低频信号。根据解调操作执行频率和滤波器截止频率，得到一阶低通滤波器的传递函数为：，为拉普拉斯变量。一阶低通滤波器通过双线性变换计算，可以得到时域差分方程，通过加法和定点乘法的组合实现一阶低通滤波器的高效部署。

13、进一步地，所述输入的低频调幅信号为航空线性可变变压器或旋转可变变压器传感器输出的调幅信号，其载波频率在khz级别，调制信号频率低于60hz。

14、第二方面，本发明提供一种基于fpga的低资源开销低频正弦信号数字解调装置，包括：

15、模数转换模块，用于以固定的采样频率对输入的低频调幅信号进行采样，获得数字信号序列；

16、全波整流模块，用于对采样后的数字信号取绝对值，将双向交流信号转换为单向的馒头波信号；

17、滑窗积分计算模块，用于设定长度为个样本点的计算窗口，其中为正整数，计算所述馒头波信号在所述计算窗口内的样本积分，对于样本序列，通过迭代公式计算滑窗积分并输出样本积分结果；

18、增益补偿计算模块，用于根据窗口长度与移位操作位数，对所述样本积分结果使用定点乘法进行增益的增益补偿，得到计算窗口内调制信号的有效值；

19、移位补偿模块，用于根据所述移位操作位数，对增益补偿计算结果右移位；

20、一阶低通滤波模块，用于对每个滑动窗口的移位补偿结果进行低通滤波，输出解调后的低频信号。

21、进一步地，所述滑窗积分计算模块包括深度为的bram存储结构，通过地址轮询方式实现环形fifo，用于存储滑动窗口内最近个样本数据。

22、进一步地，所述一阶低通滤波模块的传递函数为，其中为拉普拉斯变量，为滤波器截止频率；所述一阶低通滤波模块通过双线性变换得到的时域差分方程以加法和定点乘法的组合实现。

23、与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：

24、1.资源效率极高：本发明算法利用数学模型绕过复杂的频域变换，实现了极致的资源优化，计算流程由最基本的算术运算（取绝对值、累加、移位操作）和一个乘法器、一个一阶滤波器构成，结构极其简洁，无需复杂算子或大量寄存器存储资源，这使得它能够以极低的逻辑资源占用，在片上资源紧张的抗辐照低密度fpga上高效实现，解决了通用解调算法无法在机载硬件平台落地的核心瓶颈。

25、2.响应实时性高：本发明由于算法流程简单，且使用的滤波器阶数仅为一阶，整个解调链路的信号处理延迟可达微秒级，显著优于传统高阶滤波器方案（通常高达几十毫秒的群延迟），能够满足飞行控制系统对传感器信号实时响应的严格要求。

26、3.数学原理严谨，精度高：本发明方案专为航空lvt/rvt等传感器输出的超低频调幅信号设计，基于严格的数学关系，解调精度高。针对调制信号频率远低于载波时，调幅信号波形接近理想正弦波的特性，结合理想正弦波的绝对值均值和有效值的固定比例关系。同时结合后级的一阶滤波器，避免采样导致的频谱混叠效应。

27、4.降低硬件系统成本：本发明通过全流程数字解调在机载平台的成功部署，降低了模拟解调方案使用高精度电子元件带来的元件成本，消除了模拟电路的温度漂移和元件老化问题，提高了系统的长期稳定性。同时达到了节约电路板空间、减少高精度元件采购、减少试验损耗、提升产品可靠性、降低fpga器件成本的目的，从版图设计、物料采购、试验损耗、产品寿命等多方面降低了硬件系统开发与生产成本。同时，简洁的算法逻辑降低了设计复杂性，易于验证和测试，符合航空电子高可靠性的设计准则。

28、本发明方案特别适合于在制程较大、资源紧张的抗辐照低密度fpga上实现多通道lvt/rvt传感器的实时数字解调。