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基于FPGA的高效灵活性数字正交下变频器设计
来源:电子技术应用2012年第9期
徐 伟,王旭东
南京航空航天大学 电子信息工程学院,江苏 南京210016
摘要: 数字正交下变频器DDC是数字接收机系统中的核心部件,其作用是将ADC数字化后输出的高速中频信号进行下变频、抽取降速和低通滤波,使之变为适合处理的基带信号。给出了DDC各模块在FPGA中高效实现的方法,并且利用嵌入式逻辑分析仪对系统加载板卡后的实时运行结果进行了测试分析。
关键词: 软件无线电 DDC FPGA
中图分类号: TN773
文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2012)09-0005-03
Design of a high-efficiency and flexible digital down converter based on FPGA
Xu Wei,Wang Xudong
Eletronic Information Engineering Institute,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China
Abstract: Digital down converter DDC is the core technology in software radio receiver system. After converting down, speeding down and processed by low-pass filter, it can change the IF signal into baseband signal which is suitable for processing signal. This paper introduces a simply and flexible method to realize each module of DDC in FPGA,and get the real-time operation of the system with the SignalTap II logic analyzer.
Key words : software radio;DDC;FPGA

    在软件无线电中,数字下变频DDC作为一个桥梁连接着前端A/D转换器和后端的DSP器件。通过变频、抽取滤波,将低速数据送给DSP器件进行处理[1-4]。随着半导体技术的发展,FPGA的性能越来越高,而成本越来越低,并且内置越来越多的成熟IP核,这些都为其研究和开发提供了方便。利用FPGA实现DDC功能成为软件无线电设计中的常用手段。

1 数字下变频的基本原理
    在软件无线电中,一般都采用正交数字下变频法,如图1所示,正交数字下变频法主要由数字混频器、数字振荡器NCO和抽取滤波器三个部分组成。其中核心部件是抽取滤波器和数字振荡器NCO。抽取滤波器采用具有抗混叠效应的CIC滤波和作为补偿滤波器的FIR来实现,NCO模块采用Altera的NCO核来实现[5]。


    由于单级CIC滤波器的旁瓣电平比较大,阻带衰减很差,难以满足实用要求。为了降低旁瓣电平,采用多级CIC滤波器级联的方法来解决,滤波器级数N越大,CIC幅频相应越好。图2采用的是8级抽取结构的CIC滤波器。

3.2 FPGA设计
    对上述算法模型进行FPGA设计,采用Altera公司的STRATIXII系列FPGA作为器件平台,并在其STRATIXII DSP开发板上进行硬件验证。
    A/D采样率为120 MS/s,系统输入时钟频率为120 MHz,低通滤波器(LPF)的阶数为64阶,分解到奇偶两路各32阶。在QUARTUSII软件中应用Verilog进行开发,系统经综合编译后的RTL图如图7所示。

    表1为系统的资源消耗情况,可以看出该系统消耗的逻辑资源、存储器资源以及DSP模块资源非常少,满足绝大多数雷达、电子侦察、通信系统的要求。

    将关心的信号添加到Altera提供的SignalTap II Logic Analyzer中。利用板子上的ADC输入不同频率的信号,使用STP进行采集并将采集到的波形数据保存为CSV文件,然后利用Matlab将其中I/Q两路输出信号读出,作图分析其正交性。为验证该系统在整个频带内的性能平稳度,每隔10 MHz设置一个频点,进行详细验证,如图8~图12所示。

 

 

    硬件验证结果表明,在整个10 MHz~40 MHz设计带宽内有效地实现了对中频信号的下变频处理,并且信号具有很好的正交性。该正交变换系统的镜频抑制能力可达60 dB,能够满足绝大多雷达、电子侦察、通信系统的设计要求。
参考文献
[1] 杨小牛,楼才义,徐建庭.软件无线电技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2010.
[2] 杨勋.软件无线电中上下变频技术的设计和实现[D].西安:西安电子科技大学,2007.
[3] SIMONE L,COMPARINI M C,MARCHETTI F,et al. Spacecraft transponder for deep space applications:design and performance[C].IEEE Areospace Conference Proceeding,2002:1337-1347.
[4] COLEMAN J O,ALTER J J,SCHOLNIK D.FPGA Architecture for gigahertz-sampling wideband if-to-baseband conversion[C].2000 International Conference on Signal Processing Applications and Technology,2000.
[5] Altera Corporation.NCO megacore function user guide[Z].2009.

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