基于FPGA的數(shù)字下變頻的設(shè)計與仿真

河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 苗 靜 陳國通 孫 健

石家莊市晶禾科技有限公司研發(fā)中心 成傳湘

一、引言

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)憑借其高精度定位、授時的技術(shù)優(yōu)勢和全天候、實時性、連續(xù)性和被動式導(dǎo)航定位的工作特點，為大眾提供高精度的時間信息和導(dǎo)航定位服務(wù)。然而衛(wèi)星導(dǎo)航接收機很容易受到各種有意或者無意干擾的影響，從而無法正確地完成導(dǎo)航定位功能。因此，研究衛(wèi)星導(dǎo)航接收機怎樣能在各類干擾環(huán)境下正常工作顯得尤其重要，而數(shù)字下變頻就是進行抗干擾的前提，其完成的任務(wù)一方面將包含所有信道的寬帶信號進行信道分離,分別提取需要的窄帶信號；另一方面,對于分離的窄帶信號,可以大大降低其采樣速率,即降低數(shù)據(jù)量,緩解基帶部分的處理壓力。數(shù)字下變頻可以選用專用的數(shù)字下變頻芯片實現(xiàn),也可以采用DSP或FPGA實現(xiàn)。但數(shù)字下變頻芯片在設(shè)計和修改方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如FPGA靈活。

二、數(shù)字下變頻的原理

數(shù)字下變頻器的原理和模擬下變頻器是一致的，都是輸入信號與本地振蕩信號混頻，然后經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得到基帶信號。但由于模擬下變頻器的兩路乘法器和低通濾波器本身的一致性不好，致使I，Q兩路的幅度和相位不平衡，誤差較大，而且具有溫度漂移，穩(wěn)定性也不好。數(shù)字濾波器可以做到一致，而且數(shù)字濾波器的控制和修改也比較容易。

數(shù)字下變頻的組成包括數(shù)字控制振蕩器（NCO）、數(shù)字混頻器和低通濾波器（LPF），數(shù)字下變頻器的整體框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字下變頻的組成框圖

三、數(shù)控振蕩器的實現(xiàn)及仿真

NCO是數(shù)字下變頻中的核心，也是決定數(shù)字下變頻器性能的最主要因素之一，NCO的目標(biāo)就是產(chǎn)生一個理想的正弦波或余弦波采樣值。正弦波形采樣可以用實時計算的方法產(chǎn)生,但這只適用于采樣率較低的情況。在采樣率很高的情況下,產(chǎn)生正弦波采樣最簡單有效的方法是查表法,即把各個相位的正弦值事先計算好存儲在ROM中,然后按相位做地址查表得到正弦波采樣。NCO由相位累加器、相位加法器和正弦表只讀存儲器三部分組成。NCO的組成框圖如圖2所示，其工作原理是：每一個時鐘脈沖,利用相位累加器使相位在原來的基礎(chǔ)上加一個相位增加量即頻率控制字,再利用相位加法器加上初始相位即相位偏移,最后用相位值作為正弦表的地址,查出正弦值。每當(dāng)累加器溢出時就產(chǎn)生一個新的循環(huán),累加器完成一個循環(huán)的時間就是正弦波形的周期，用modelsim仿真出的波形如圖3所示。

圖2 NCO功能方框圖

圖3 NCO的波形仿真結(jié)果

四、混頻器的設(shè)計實現(xiàn)及仿真

數(shù)字混頻器實際上是一個乘法器，本振信號由NCO產(chǎn)生兩路信號，這兩路信號分別與輸入信號相乘，從而實現(xiàn)混頻的功能，產(chǎn)生出I，Q兩路信號。數(shù)字混頻器的RTL級結(jié)果圖如圖4所示，用modelsim仿真出的波形如圖5所示。

圖4 數(shù)字混頻器的RTL級結(jié)果圖

圖5 數(shù)字混頻器的波形仿真圖

五、低通濾波器的設(shè)計實現(xiàn)及仿真

數(shù)字低通濾波器通常采用FIR濾波器,它可以在設(shè)計任意幅頻特性的同時,保證精確、嚴(yán)格的線性相位。大多數(shù)普通的FIR濾波器是一種線性時間不變量濾波器，其系統(tǒng)函數(shù)僅有零點，因此FIR系統(tǒng)的差分方程可以表示為

式中，N為FIR濾波器的長度或者階數(shù)。

由式（1）可知，系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)是因果序列，因為其輸出僅與即時輸入以及過去的輸入數(shù)據(jù)有關(guān)，而與過去的輸出數(shù)據(jù)沒有直接的關(guān)系，所以FIR濾波器是因果的，是物理可實現(xiàn)的系統(tǒng)，因而它在實際中往往采用非遞歸形式的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。由（1）式還知道，此系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)是絕對可加的，所以FIR濾波器總是穩(wěn)定的。低通濾波器的RTL級結(jié)果圖如圖6所示，用modelsim仿真出的波形如圖7所示。

圖6 FIR濾波器的RTL級結(jié)果圖

圖7 低通濾波器的波形仿真圖

六、結(jié)束語

專用DDC芯片具有抽取比大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但是價格昂貴，靈活性不強，不能充分體現(xiàn)軟件無線電的優(yōu)勢。同時，高速發(fā)展的FPGA工藝具有低功耗、小尺寸、較強的現(xiàn)場可編程性等優(yōu)點，正好充分發(fā)揮了軟件無線電的可編程能力強，易于升級等特點，用FPGA取代專用ASIC芯片可提高數(shù)字下變頻的靈活性；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理過程；FPGA內(nèi)部邏輯的可重構(gòu)性，降低了設(shè)備成本，縮短可開發(fā)成本。正是因為這些優(yōu)點，F(xiàn)PGA在軟件無線電技術(shù)的研究和設(shè)備開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

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