數(shù)字下變頻基于FPGA的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬純

【摘 要】雷達(dá)的數(shù)字下變頻功能主要是將天線接收到的中頻回波信號(hào)通過A/D變換后，進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，轉(zhuǎn)為兩路I/Q基帶數(shù)據(jù)。本文主要設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的數(shù)字下變頻方法，通過對(duì)數(shù)字控制振蕩器（NCO）及低通濾波器（FIR）的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，完成了對(duì)于不同頻率本振信號(hào)的數(shù)字下變頻處理。結(jié)果表明，基于該方案設(shè)計(jì)的數(shù)字下變頻功能已在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字下變頻（DDC）；FPGA；數(shù)字濾波器

【Abstract】The function of DDC is mainly to convert the signal received after A/D conversion by the antenna to Digital Down Convert（DDC）， finally into two I/Q baseband data. This paper mainly design a method about Digital Down Conversion based on FPGA， by designing the numerically controlled oscillator （NCO） and a low-pass filter （FIR）， to convert different frequency signal with DDC. The results showed that the conversion function has been used in the actual system.

【Key words】DDC（Digital Down Convert）； FPGA； FIR Filter

0 引言

軟件無線電是現(xiàn)今無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其核心思想是讓數(shù)字化處理功能盡量的靠近天線，從而將更多的處理通過數(shù)字的方式完成。[1]而數(shù)字下變頻是軟件無線電的關(guān)鍵部分，主要完成對(duì)信號(hào)的AD變換、混頻、濾波以及抽取等工作，包括數(shù)字混頻模塊和抽取濾波模塊。[2]另外，F(xiàn)PGA可編程、數(shù)字化、高速處理的特點(diǎn)使其在軟件無線電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的位置。

1 硬件總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，在FPGA等主要硬件模塊支撐的基礎(chǔ)上完成了對(duì)信號(hào)A/D變換后的下變頻處理。硬件模塊主要包括A/D芯片、FPGA，其他還使用D/A變換器、時(shí)鐘芯片、電源芯片以及用于光纖傳輸并行收發(fā)一體的光模塊。時(shí)鐘芯片為AD提供采樣時(shí)鐘，電源芯片為FPGA、AD芯片供電。由于在本設(shè)計(jì)中，A/D芯片和FPGA是軟件設(shè)計(jì)的主體芯片，因此其他硬件部分不作重點(diǎn)描述。

本設(shè)計(jì)選用的FPGA是來自于Kintex 7系列的XC7K325T，作為AD變換后的中頻信號(hào)下變頻處理以及通信的端口，Kintex 7屬于XILINX公司FPGA的高端系列，其高速的數(shù)據(jù)傳輸速率也為本設(shè)計(jì)提供了核心硬件支撐。另外FPGA因其擁有豐富的邏輯單元以及連線資源，也適合用于細(xì)粒度和高并行度結(jié)構(gòu)的FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用了一片雙通道125MSPS、采樣位數(shù)為16Bit的JAD9268，采樣速率為40Mbsps，每個(gè)通道的兩路中頻信號(hào)經(jīng)過下變頻后轉(zhuǎn)化為四路I/Q數(shù)字信號(hào)。

2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)思想如下：中頻模擬信號(hào)輸入進(jìn)入A/D 芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)， FPGA內(nèi)部對(duì)其解串對(duì)齊處理后，與NCO輸出的兩路正交信號(hào)相乘，完成混頻，下變頻后的信號(hào)通過FIR濾波器濾波，轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l的基帶信號(hào)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的重要所在是數(shù)據(jù)的下變頻以及低通濾波。

本設(shè)計(jì)主要在Xilinx公司的集成開發(fā)環(huán)境ISE.10.1中用VHDL語言以及調(diào)用IP核實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)A/D芯片的控制以及混頻低通濾波處理?；祛l利用FPGA 內(nèi)部IP核的乘法器實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)的主要工作在于數(shù)字控制振蕩器（NCO）的產(chǎn)生以及低通數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。數(shù)字控制振蕩器數(shù)據(jù)產(chǎn)生后通過存在ROM里與中頻信號(hào)通過乘法器混頻后得到下變頻后的信號(hào)，數(shù)字濾波器計(jì)算得到的數(shù)據(jù)也存入IP核FIR濾波器中，下變頻的信號(hào)經(jīng)過抽取后進(jìn)入低通濾波后整形輸出基帶信號(hào)。

2.1 數(shù)字控制振蕩器（NCO）設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)控震蕩器（NCO）的作用是產(chǎn)生兩路正交序列信號(hào)與中頻信號(hào)混頻，其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到數(shù)字下變頻的性能，目前NCO的設(shè)計(jì)有查表法，CORDIC算法，以及重采樣法，本文采用基于查找法的DDS進(jìn)行設(shè)計(jì)，用一個(gè)ROM來記錄值，通過ISE平臺(tái)調(diào)用IP core的乘法器辦法將NCO與輸入信號(hào)進(jìn)行混頻，該辦法快速，可操作性強(qiáng)。

2.2 FIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通常FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法很多，主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和切比雪夫最佳一致逼近法等。其中凱塞窗是最有用且最優(yōu)的窗結(jié)構(gòu)之一，對(duì)于給定的阻帶衰減，它提供了最小的主瓣寬度，也是平坦的過渡帶，就這點(diǎn)而言，它是最優(yōu)的。[3]由于FIR設(shè)計(jì)時(shí)其系數(shù)計(jì)算及其量化比較復(fù)雜，因此我們采用MATLAB軟件作為輔助設(shè)計(jì)，計(jì)算出FIR的系數(shù)。

根據(jù)凱塞窗的定義（式3），確定采樣頻率為40MHz，濾波器帶寬為5MHz，為可調(diào)參數(shù)，決定濾波器的帶內(nèi)波動(dòng)，根據(jù)需要計(jì)算可得值為2。

wkk=jOβ1-2k-N2/N2j0β0（3）

根據(jù)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)通過MATLAB的工具庫可直觀生成凱塞窗的頻譜特性曲線圖（如圖1所示），從圖中可看出，從0～5MHz的帶通衰減很小，即說明在這個(gè)范圍內(nèi)信號(hào)基本不受影響，滿足實(shí)際的需要。

3 系統(tǒng)整體仿真與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字下變頻過程是在采樣頻率為40MHz，頻率為66MHz的信號(hào)通過AD芯片轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后存入FPGA內(nèi)部，再與NCO產(chǎn)生的15MHz正余弦兩路信號(hào)混頻，混頻后得到I、Q兩路正交信號(hào)，相位相差90度。最后經(jīng)過5MHz的FIR低通濾波器后整形得到低頻的兩路正交信號(hào)，通過Xilinx公司ISE10.1開發(fā)環(huán)境下的在線調(diào)試軟件Chipscope觀察下變頻前后的信號(hào)。低通濾波后的結(jié)果如圖2（b）所示。

由圖2（a）可以看出，我們選擇其中一個(gè)AD通道作為觀察通道，圖2（a）為AD變換前的模擬信號(hào)，該通道進(jìn)入下變頻濾波后對(duì)應(yīng)為圖2（b）中的fir11、fir12兩路輸出正交信號(hào)，由圖中可看出，經(jīng)過濾波后每個(gè)系統(tǒng)采樣時(shí)鐘周期內(nèi)輸出一次數(shù)據(jù)。兩路輸出正交信號(hào)相位差90°。

4 結(jié)束語

本文主要研究了數(shù)字下變頻的原理以及利用FPGA進(jìn)行數(shù)字下變頻和濾波的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于該方案的下變頻濾波信號(hào)波形滿足要求，該設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李柳，彭蔓蔓.基于FPGA的數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)[M].電子產(chǎn)品世界.2012.

[2]Tacky R.J.Upmal D W.Speakeasy.The Military Software Radio[J].IEEE Communications Magazine，2008，（5）：2-5.

[3]何賓.FPGA數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)原理及方法[M].北京：清華大學(xué)出版社.2011：198.

[責(zé)任編輯：王偉平]