基于FPGA的軟件無線電上下變頻技術(shù)的設(shè)計研究

劉興舉

摘要：近年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，促使無線電理論及相關(guān)技術(shù)均得到了十分廣泛的應(yīng)用，且軟件無線電在多個領(lǐng)域均受到了關(guān)注。將軟件無線電應(yīng)用在移動通信領(lǐng)域當(dāng)中，是未來通信技術(shù)發(fā)展的主要趨勢?？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展，使FPGA也得到了良好發(fā)展，并開始成為電子電路設(shè)計的新方向。

關(guān)鍵詞：FPGA；軟件無線電；數(shù)字上變頻；數(shù)字下變頻

軟件無線電技術(shù)最早應(yīng)用在軍事通信中，由于軍用無線設(shè)備的發(fā)射單元、接受單元等存在現(xiàn)較大差異，具有裝備系列多、協(xié)同困難的特點，因此很難適應(yīng)海陸空協(xié)同作戰(zhàn)的要求。此外，軟件無線電在民用無線系統(tǒng)中也得到了十分廣泛的應(yīng)用，通信技術(shù)的不斷發(fā)展，加快了通信系統(tǒng)的換代速度，也有效提高了通信服務(wù)質(zhì)量。軟件無線電通信系統(tǒng)組成部分之一是數(shù)字信號處理部分，因得到的數(shù)字信號速率比較高，運算量難以滿足實際要求，因此對數(shù)字上下變頻技術(shù)進(jìn)行探討具有重要價值。

1上下變頻技術(shù)的理論技術(shù)及FPGA

1.1信號采樣理論

只有以數(shù)字技術(shù)作為基礎(chǔ)，才能確保軟件無線電通信技術(shù)得以實現(xiàn)。軟件無線電技術(shù)主要以DAC為載體，將數(shù)字部分、模擬部分連接為一體，但是DAC器件的質(zhì)量、性能等，都會對軟件無線電的性能帶來很大影響。除此之外，因為軟件無線電工作頻帶比較寬，頻率比較頻繁的情況下，能夠進(jìn)行多頻段采樣工作。采樣工作完成后，其獲得的離散序列要能夠準(zhǔn)確回復(fù)最初的原始模擬信號。因此采樣過程中需要嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)律，即采樣定理。采樣定理一般包括2類。（1）是低通采樣。其內(nèi)容是一個連續(xù)信號m（t）在（O，f_s）頻帶限制范圍內(nèi)，若實施等間隔采樣時，以不小于f_s=2f（H）的采樣頻率進(jìn)行，則x（t）就能夠被已經(jīng)獲得的采樣值完全確定。相反，若采樣率f_s低于2f（H）恢復(fù)信號，便容易出現(xiàn)失真現(xiàn)象。軟件無線電關(guān)于低通采樣方法的應(yīng)用有嚴(yán)格要求，因此，低通采樣一般僅用在系統(tǒng)最高頻率比較低的情況下，如果采用相關(guān)技術(shù)將高頻轉(zhuǎn)化為低頻，就需要在天線和器件之間增設(shè)硬件設(shè)施，就完全違背了軟件無線設(shè)計的思想。（2）帶通采樣。軟件無線電要符合低通采樣的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率就應(yīng)該高于被采樣信號最高頻率的2倍，目前已有的器件基本上無法滿足此要求，由于當(dāng)前應(yīng)用的通信信號大部分是帶寬在幾兆赫茲的帶通信號，因此，帶通信號在其相關(guān)原理的指導(dǎo)下，采樣速率也不一定非要是最高頻率的2倍，即使采樣速率比較低，也能夠準(zhǔn)確反映帶通信號的具體情況。

1.2FPGA概述

現(xiàn)場可編程門列陣FPGA作為可編程邏輯器件，適用性很強(qiáng)，且具有較大靈活性。因為FPGA具有多種優(yōu)勢資源，比如I/O引腳、觸發(fā)器，能夠在很大程度上實現(xiàn)芯片級功能。同時，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，也增強(qiáng)了FPGA的兼容性，提高其應(yīng)用效率。FPGA作為半定制電路，在價格因素影響下，慢慢替代了以往的全定制ASIC，能夠?qū)崿F(xiàn)CPU的所有數(shù)字功能。一般情況下，F(xiàn)PGA應(yīng)用了SRAM生產(chǎn)工藝，器件密度跨度比較大。FPGA的所有可編程資源都分布在芯片當(dāng)中，能夠把I/O模塊、可編程邏輯功模塊等很好的連接在一起，繼而組成具有特殊功能的電路。此外，F(xiàn)PGA具有很多優(yōu)點，比如數(shù)字處理能力強(qiáng)大、低耗能、算法定制理想化、適配接口理想化以及靈活的重配置能力。

2軟件無線電上下變頻設(shè)計與實現(xiàn)

2.1軟件無線電上變頻設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)字上變頻與下變頻是彼此互逆的過程，上變頻能夠?qū)斎霐?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，是軟件無線電發(fā)射機(jī)的重要組成部分，可以通過插值器增強(qiáng)基帶信號采樣率，并和載波混合。在上變頻設(shè)計中，選擇ADI公司生產(chǎn)的器件AD9826，AD9826是高性能混合信號前端處理器，在無線寬帶通信系統(tǒng)當(dāng)中得到了十分廣泛的應(yīng)用，其發(fā)送通道具有良好的性能指標(biāo)，并且包含可編程增益放大器、內(nèi)插濾波器、數(shù)字濾波器以及數(shù)字混頻器，此外，還配備了可監(jiān)視接收信號強(qiáng)度指標(biāo)，在很大程度上降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對重構(gòu)的要求，因此，AD9826適合應(yīng)用在高性能、低成本以及低能耗的解決方案之中。在信號上變頻當(dāng)中，利用FPGA的靈活性，可以將FPGA、AD9826兩者有機(jī)組合在一起，如圖l所示，不僅有效降低了FPGA的處理時鐘，還節(jié)省了資源，降低了能耗。

上變頻FPGA要實現(xiàn)，就需要根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求編寫相應(yīng)的VerilogHDL程序，并將其下載在FPGA中，從而對AD9826寄存器進(jìn)行合理配置。處理中頻數(shù)字時，需要根據(jù)寄存器情況滿足設(shè)計需求，從而更加快速的實現(xiàn)數(shù)字上變頻，將FPGA、AD9826充分結(jié)合在一起并加以利用，不僅可以有效降低FPGA的處理時鐘，還能夠節(jié)省大量的FPGA資源，從而降低系統(tǒng)能耗。

一般來說，ROM越大（從而可表示的相位數(shù)越多，幅度值越精確），數(shù)控振蕩器的頻譜也就越純。但是ROM規(guī)模越大就意味著功率消耗大、速度低，成本也就提高了。一個最基本的壓縮技術(shù)就是利用正弦函數(shù)的對稱性，只存儲P/2的幅值信息，然后根據(jù)控制電路按要求尋址和決定極性。在這以后，還有許多方法來壓縮這1/4周期的波形信號。不同的方法其壓縮率、硬件實現(xiàn)代價和性能都是不盡相同的。這里我們只介紹最簡單的利用對稱性的壓縮方法。利用正弦函數(shù)的對稱性，可以只需要存儲1/4周期的正弦信號幅值。查找表容量的減少需要增加額外的邏輯電路來輸出整個周期的波形。k比特的相位信息只用k 2比特來進(jìn)行ROM尋址，最高的2比特提取出來作為控制信息。第k-l位數(shù)據(jù)決定所在的相位是一、三象限還是二、四象限，0為一、三象限，1為二、四象限，當(dāng)相位在二、四象限時對ROM尋址的地址需要進(jìn)行變換。第k位（MsB）決定輸出的正弦幅值的極性，0為正，1為負(fù)。

2.2軟件無線電下變頻設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)字下變頻設(shè)計的主要目的是把中頻信號逐漸轉(zhuǎn)化為基帶信號，并使數(shù)據(jù)傳輸速率符合USB2.0的要求，從而把數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)，便于計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理操作，使軟件無線電的功能得到強(qiáng)化。在此次數(shù)字下變頻設(shè)計方案當(dāng)中，通過多次抽取混頻模塊處理后的高速數(shù)據(jù)，將輸入數(shù)據(jù)速率有效降低為低速數(shù)據(jù)。數(shù)字下變頻電路設(shè)計，如圖2所示。多級濾波下變頻模塊，如圖3所示。其中NC0能夠獲得數(shù)字本振信號，CIC是低通濾波器組的第一級，主要由聯(lián)積分梳狀濾波器組成；HB是低通濾波器組第二級，主要由半帶濾波器組成；FIR是沖激響應(yīng)濾波器，和脈沖響應(yīng)濾波器是互相匹配的。

數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，使信號處理指標(biāo)要求也逐漸提高，而信號處理工作量也逐漸增大，用不同采樣率進(jìn)行處理或者轉(zhuǎn)化，可以有效節(jié)省存儲空間，因此，進(jìn)行多速率信號處理對系統(tǒng)設(shè)計具有重要作用，多速率濾波器主要包括CIC、HB以及FIR等，其主要特征是抽取、插值以及低通濾波，由于CIC、HB的組織結(jié)構(gòu)比較簡單，性能好，且可操作性強(qiáng)，因此得到了比較廣泛的應(yīng)用。由于無線通信數(shù)據(jù)傳輸率逐漸在增加，而CIC濾波器則得到了十分廣泛的應(yīng)用，因為此濾波器結(jié)構(gòu)比較簡單，適合用在采樣率比較高的環(huán)境下。此外，由于CIC是基于零極點相消的FIR濾波器，能夠在插值系統(tǒng)、高速抽取中得到廣泛應(yīng)用。HB模塊運算復(fù)雜度比較低，部分系數(shù)為0，并呈對稱性分布，因此其乘法運算次數(shù)、加法次數(shù)都比較低，能夠更好的實現(xiàn)數(shù)字信號處理。

3結(jié)語

綜上所述，通過了解軟件無線電上下變頻技術(shù)的相關(guān)理論，能夠更好的基于FPGA，設(shè)計并實現(xiàn)數(shù)字上下變頻算法，并有效解決軟件無線電變頻處理速度問題，從而使軟件無線電技術(shù)的發(fā)展方向得到擴(kuò)展。數(shù)字上變頻采用FPGA結(jié)合AD9862的解決方案，順利完成了數(shù)字上變頻的設(shè)計與實現(xiàn)；數(shù)字下變頻以多級濾波形式完成了設(shè)計及實現(xiàn)。