文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.010
中文引用格式： 李飛，馮曉東，李華會. 可變帶寬數(shù)字下變頻的設(shè)計與FPGA實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(4)：35-38.
英文引用格式： Li Fei，F(xiàn)eng Xiaodong，Li Huahui. Design and implementation of digital down conversion with variable bandwidth based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2016，42(4)：35-38.
0 引言
數(shù)字下變頻技術(shù)(Digital Down Conversion，DDC)是軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)之一，其主要功能是從高速寬帶信號中提取到基帶信號，同時對基帶信號進(jìn)行抽取和濾波，降低信號速率，以滿足后續(xù)模塊的實時處理[1]。采用DDC技術(shù)的數(shù)字接收機(jī)被廣泛應(yīng)用于廣播電視、移動通信和無線電監(jiān)測等領(lǐng)域。但是，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的DDC方案由于支持帶寬種類較為單一，已經(jīng)無法滿足上述應(yīng)用領(lǐng)域的需求。帶寬可靈活改變的DDC成為了市場的需求方向，在功能實現(xiàn)方面，由于FPGA具有并行處理能力強(qiáng)、編程開發(fā)周期短、靈活性好的特點，是目前實現(xiàn)數(shù)字下變頻很好的選擇。
1 數(shù)字下變頻的總體設(shè)計
方案的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括混頻部分和抽取濾波部分。
信號下變頻的過程為：數(shù)字振蕩器(Numerical Controlled Oscillator，NCO)產(chǎn)生正余弦本振信號與A/D轉(zhuǎn)換后的信號相乘進(jìn)行正交混頻，把基帶信號搬移到零中頻處[2]，然后采用積分梳狀濾波器(Cascaded Integrator-Comb，CIC)、補(bǔ)償濾波器（Compensation FIR，CFIR）和半帶濾波器（Half-Band，HB）對其進(jìn)行抽取濾波[3]，F(xiàn)IR濾波器對抽取后的信號做整形濾波，最后輸出兩路基帶信號I(n)和Q(n)。
抽取濾波器組包括2個CIC濾波器、1個CFIR濾波器和3個HB濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個濾波器都設(shè)置了選擇開關(guān)，控制模塊可以對濾波器的個數(shù)進(jìn)行選擇，同時也可以配置每個濾波器的抽取率，該設(shè)計通過對濾波器進(jìn)行合理的分組級聯(lián)，可以在滿足系統(tǒng)性能的前提下，有效降低濾波器的階數(shù)，更加高效地利用FPGA資源。
2 數(shù)字下變頻各模塊的設(shè)計
2.1 混頻模塊的設(shè)計
混頻模塊主要是由NCO和乘法器組成， NCO的功能是產(chǎn)生頻率可控的正余弦本振信號，然后與輸入信號相乘進(jìn)行混頻。NCO的結(jié)構(gòu)如圖3所示，工作原理是：輸入的頻率控制字與當(dāng)前相位值不斷進(jìn)行累加計算新的相位值，然后在查找表中以該相位值為地址找出對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)[4]；NCO產(chǎn)生正弦波的初始頻率由頻率控制字決定，初始相位由相位控制字決定。
NCO輸出頻率由式(1)求得
其中，F(xiàn)clk為系統(tǒng)時鐘頻率，F(xiàn)cw為頻率控制字，F(xiàn)out為NCO的輸出頻率，N為累加器的位數(shù)。本文中Fclk=102.4 MHz，N=32，參數(shù)控制模塊通過改變頻率控制字就可以改變輸出正余弦波的頻率。
2.2 抽取濾波器組的設(shè)計
2.2.1 積分梳狀濾波器的設(shè)計
CIC濾波器的沖激響應(yīng)可表示為：
其中，D為抽取因子，從上式中可以看出CIC濾波器的結(jié)構(gòu)比較簡單，系數(shù)只有1和0，即只包含加法器不包含乘法器，所以占用資源較少，處理速度快，CIC濾波器常用作DDC濾波器組的第一級[6]。
CIC濾波器是由積分器和梳狀濾波器組成，單級CIC濾波器的阻帶衰減很小，約為13.4 dB，滿足不了實際要求。本設(shè)計中使用5級CIC濾波器進(jìn)行級聯(lián)，級聯(lián)之后濾波器具有67.3 dB的阻帶衰減[4]，能夠滿足實際要求。
由CIC濾波器特點可知其比較適合大比例抽取，所以對帶寬較小的窄帶信號進(jìn)行數(shù)字下變頻時，可以通過控制模塊配置2個5級CIC濾波器進(jìn)行大比例抽??；對寬帶信號下變頻時，不需要很大的抽取率，控制模塊可將CIC濾波器旁路。對CIC濾波器進(jìn)行設(shè)計時，可采用Xilinx公司提供的CIC IP Core配置相應(yīng)的抽取因子、級聯(lián)數(shù)以及數(shù)據(jù)的位寬[8]。
2.2.2 補(bǔ)償濾波器的設(shè)計
CIC濾波器的通帶衰減會隨著階數(shù)的增加而增大，為了克服信號由于通帶衰減造成的失真，要在CIC濾波器后面級聯(lián)補(bǔ)償濾波器，對通帶衰減進(jìn)行補(bǔ)償。
理想的CFIR幅頻響應(yīng)函數(shù)為：
其中Q為CIC濾波器的級數(shù)，M為時間延遲，D為抽取因子[3]。補(bǔ)償濾波器的幅頻特性曲線局部放大后如圖4所示，從圖中能看出補(bǔ)償濾波器通帶增益是增加的。
補(bǔ)償前后CIC幅頻特性局部放大后如圖5所示。從圖5可以看出，補(bǔ)償濾波器對CIC濾波器通帶具有一定的修正作用，使通帶增益變穩(wěn)定了。當(dāng)CIC濾波器進(jìn)行大比例抽取時，通帶衰減比較大，控制模塊選擇CFIR濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)CIC濾波器不參與抽取時，CFIR濾波器也被旁路。
2.2.3 半帶濾波器的設(shè)計
半帶濾波器是通帶寬度和阻帶寬度相等的FIR濾波器，適合進(jìn)行2的冪次方倍抽取或內(nèi)插。HB濾波器的沖激響應(yīng)為：
從式(4)可以看出，HB濾波器的沖激響應(yīng)除了在h(0)零點處值為1外，在其他偶數(shù)點的取值均為零，即濾波器近一半的系數(shù)為零；比普通的2倍抽取FIR濾波器節(jié)省了一半的運算量，具有很高的實現(xiàn)效率[4]。
抽取過程中，控制模塊可以對3個HB濾波器進(jìn)行選擇。方案采用Matlab的FADtool工具箱設(shè)計HB濾波器，把生成的的系數(shù)保存為Xilinx COE系數(shù)文件，然后導(dǎo)入到FPGA中的FIR IP Core，在IP Core中配置好各項參數(shù)后，通過Verilog語言編程進(jìn)行實例化調(diào)用[7]。
2.2.4 FIR濾波器的設(shè)計
半帶濾波器阻帶大小恒等于通帶大小，濾波效果在一定程度上受到了限制，所以抽取濾波器后仍需要級聯(lián)FIR濾波器，完成最終的整形濾波。由于抽取濾波器組的作用，此時的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)相對較低，因此減少了FIR濾波器設(shè)計時的階數(shù)，進(jìn)而降低了資源占用率[5]。
設(shè)計FIR濾波器時需要由式(5)確定相應(yīng)采樣率。
其中1.28為濾波器的矩形系數(shù)，B為下變頻信號的帶寬，F(xiàn)s為濾波器采樣率。FIR濾波器的設(shè)計過程和HB濾波器類似，在Matlab中設(shè)計需要的濾波器，把濾波器系數(shù)導(dǎo)入到FPGA中，然后進(jìn)行IP Core的調(diào)用。
3 數(shù)字下變頻的FPGA實現(xiàn)
3.1 抽取率的配置
由于控制模塊的加入，可以選擇濾波器進(jìn)行靈活組合，DDC可以達(dá)到的指標(biāo)如表1所示。
從表1可以看出DDC支持信號的帶寬范圍達(dá)到了100 Hz~40 MHz；在實現(xiàn)功能的前提下，根據(jù)占用FPGA的寄存器、查找表、BlockRAM等資源盡量少的原則來分配抽取率，表2給出了其中3種信號和抽取率對應(yīng)關(guān)系。
這里對帶寬為400 kHz和5 MHz信號的下變頻功能進(jìn)行驗證。由上述FIR濾波器設(shè)計可得400 kHz帶寬信號對應(yīng)512 kHz的采樣頻率，系統(tǒng)采樣時鐘102.4 MHz下降到512 kHz時抽取率為200。同理，5 MHz帶寬信號對應(yīng)6.4 MHz采樣頻率，抽取率是16。
從表2中可以看出，當(dāng)下變頻帶寬設(shè)置為400 kHz時，CIC1抽取率為25，CIC2濾波器被旁路；HB1、HB2和HB3進(jìn)行抽取濾波，F(xiàn)IR不抽取，可得總抽取率為200。
當(dāng)下變頻帶寬設(shè)置為5 MHz時，CIC1和CIC2濾波器被旁路，HB1、HB2和HB3進(jìn)行抽取濾波，F(xiàn)IR抽取率為2，總抽取率為16。
3.2 實現(xiàn)結(jié)果及分析
系統(tǒng)采用Xinlinx公司 Artix-7系列的xc7a200tfbg-676-2芯片，采樣時鐘為102.4 MHz，輸入中心頻率為76.8 MHz，帶寬為400 kHz的線性調(diào)頻（LFM）信號，由帶通采樣定理可知，中頻信號經(jīng)過采樣后，在25.6 MHz處會出現(xiàn)基帶信號的鏡像信號，如圖6(a)所示。
把采樣信號的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FPGA中進(jìn)行數(shù)字下變頻，在Xilinx Vivado平臺上編寫頂層模塊、混頻模塊和抽取濾波模塊。設(shè)置頻率控制字，使NCO產(chǎn)生25.6 MHz的正余弦信號與輸入信號正交混頻，把數(shù)字下變頻帶寬設(shè)置成400 kHz，控制模塊按照表2進(jìn)行配置抽取率，借助Modelsim 10.1a仿真軟件進(jìn)行仿真，下變頻波形如圖6(b)所示。
把FPGA輸出的基帶數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中進(jìn)行快速傅里葉變換，可得到基帶信號的幅頻特性圖如圖6(c)所示。
從圖6中可以看出本設(shè)計準(zhǔn)確完成了對400 kHz帶寬信號的數(shù)字下變頻。
同理，對5 MHz帶寬信號進(jìn)行數(shù)字下變頻，如圖7所示。
從圖7可以看出，系統(tǒng)也準(zhǔn)確完成了對5 MHz帶寬信號的數(shù)字下變頻。
以上仿真結(jié)果表明，對于不同帶寬信號，本設(shè)計都可以通過控制模塊對濾波器進(jìn)行配置，準(zhǔn)確完成信號的數(shù)字下變頻。
數(shù)字下變頻系統(tǒng)占用資源如表3所示，從表中可以看出，設(shè)計方案能夠在占用FPGA較少資源的情況下完成數(shù)字下變頻功能，具有很高的實現(xiàn)效率。
4 結(jié)束語
本文提出了一種新的數(shù)字下變頻方案，在CIC濾波器后加入補(bǔ)償濾波器，改善了其通帶衰減；通過加入控制模塊對系統(tǒng)的各部分進(jìn)行實時配置，使接收信號的帶寬范圍可達(dá)到100 Hz~40 MHz，與傳統(tǒng)下變頻方案相比有很強(qiáng)的靈活性。在基于FPGA實現(xiàn)時，使用了Xilinx公司提供的IP核，大大縮短了開發(fā)周期，最后仿真結(jié)果表明本設(shè)計能夠完成不同帶寬信號的數(shù)字下變頻。目前該設(shè)計方案已經(jīng)應(yīng)用到數(shù)字寬帶中頻接收機(jī)中，極大地提高接收機(jī)的接收性能。
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