摘 要： 一种采用AD9739与FPGA相结合、在FPGA上实现全数字QAM射频调制的方法。阐述了柰奎斯特滤波器、插值滤波器、多相滤波器、多相数字频率合成器的实现方法，并采用多相滤波技术和OSERDES技术解决了射频信号高采样率问题。介绍了AD9739的接口设计，并给出调制器的射频输出信号的实测结果，性能指标符合国家制定的DVB_C标准。
关键词： Nyquist滤波器；插值滤波；多相滤波；多相载波；OSERDES
数字电视要求载波的频率范围为5 MHz～860 MHz，但由于受到FPGA内部资源运算速度的限制，一般只能实现中频调制[1]。传统的射频调制[2]需要在中频调制之后加上变频器，但这样增加了设计的复杂度及成本。本文采用多相滤波器、多相数字频率合成器及OSERDES技术，在FPGA内部通过对基带信号进行288倍插值运算，采用ADI 公司最新推出的AD9739，实现了全数字QAM射频调制。
1 系统构架
DVB-C的符号率一般为3 Mb/s～7 Mb/s，该TS流先经过信道编码，星图映射后生成I、Q两路，经过柰奎斯特滤波器、一级半带滤波、9倍CIC插值滤波生成中频信号，其速率为108 Mb/s～252 Mb/s。此时I、Q两路数据分别经过相同的多相滤波器，生成8路数据流。该8路数据流之间有连续的相位，DDS的输出也分为8路，每路同样有连续的相位，正弦信号的8路数据分别与I路的8路信号相乘，余弦信号的8路数据分别与Q路的8路信号相乘，然后再分别相加，生成的8路信号送给2路OSERDES，每路OSERDES采用4和1(DDR模式)，这样产生2路信号再按一定顺序传输给AD9739。此时的DA的采样率高达1 980 Mb/s，从而实现射频调制，全数字QAM射频调制原理如图1。
2 射频调制
2.1 柰奎斯特滤波器
在现代无线通信中，由于基带信号的频谱范围比较宽，为了有效利用信道，在信号传出去之前，都要对信号进行频谱压缩，使其在消除码间干扰和达到最佳检测的前提下，大大提高频带的利用率[3]。一般使用柰奎斯特滤波器完成这一变化，参数如下：滚降系数为0.15、WP=0.5、Wc=0.575、Ap=0.01 dB、As=80 dB、95个抽头系数。借助Matlab工具下Fdatool实现上述滤波器，其频率响应如图2。滤波器采用Xilinx ISE内部的IP核，输入数据宽度为5 bit，抽头系数进行14 bit量化，输出数据宽为18 bit，滤波器类型选择2倍内插。
2.2 半带滤波
要实现数字信号的升采样，一般采用半带滤波与CIC插值滤波联合的方式。为实现不同的升采样可以使用不同的级联方式，常规的做法是2级半带然后加CIC插值滤波，但这样占用的资源比较多，为此提出了一级半带加9倍CIC插值的模式。半带滤波器的设计参数：WP=0.25、Ws=0.75、Ap=0.01 dB、As=80 dB，对系数14 bit量化，在FPGA中实现其频响如图3 所示。
2.3 CIC插值滤波
CIC插值滤波调用Xilinx ISE的IP核， 采用4级级联积分梳妆滤波器，进行9倍插值，其频响如图4所示。其带外抑制比为50 dB，之前已经做了4倍插值，所以CIC的通带为(1/4×1/9=0.02778），其频谱倾斜小于 DVB-C标准中允许的带内波动小于0.4 dB。因此不必进行CIC滤波补偿。
2.4 多相滤波器[4]
经过CIC插值后的数据速率为108 Mb/s～252 Mb/s，如果直接进行8倍插值，需要的时钟必须是数据速率的8倍，而Virtex5系列的FPGA，DSP最高运行到550 Mb/s，无法直接实现，采用多相滤波器及OSERDES可巧妙地解决这一问题。传统的8倍插值滤波，是将每2个原始数据中间插入7个0，这样数据的速率就变成原始数据的8倍，然后再进行低通滤波。基于这种算法，将原始抽头系数分成8组，每一组单独成为一个子滤波器，原始数据经这8个子滤波器输出，生成的8路信号经OSERDES并串转化为原始数据速率的8倍，从而实现8倍插值。由于多相滤波器算法的限制，要进行8倍插值，所需的抽头系数必须是8的整数倍，且之前已进行了36倍插值，为节省资源设计了24个抽头系数的多相滤波器，其参数为：Wp=0.028，Ws=0.22，Ap=0.04 dB，As=60dB，其频谱特性如图5。
3 多相直接数字频率合成器
星图映射之后的数据经基带成型、升采样、多相滤波器之后分成具有连续相位的8路数据，因此与之相乘的载波也应有8路信号。这样，需要设计多相直接数字频率合成器，其原理与普通的DDS没有太大的差异，不同之处就是根据频率控制字生成8路具有特定相位差的信号作为ROM查找表的地址，从而输出8路具有相位连续的数字载波信号，其原理如图6。
在具体的工程应用中，地址位数为11 bit，输出信号为11 bit，为了抑制因相位量化造成的杂散[5]，将11 bit数据扩展成18 bit，其中低7位是用的随机数，实际参加运算的18 bit，这样既保证了精度，又节省了资源。
4 输出并串转换器OSERDES[6]
Virtex-5 OSERDES是专用的并串转换器，具有专门用来实现高速源同步接口的特定时钟控制和逻辑资源，使用CLK和CLKDIV两个时钟进行数据速率转换。CLK是高速串行时钟，CLKDIV是分频并行时钟，CLK和CLKDIV由PLL保证相位对齐。图7是OSERDES的结构框图。
本设计中OSERDES采用DDR模式，由于后端用到AD9739，所以用到2个OSERDES。8路升采样的数据与8路DDS乘加后生成的8路数据仍然保持着原有的相位关系，前4路数据进入第一个OSERDES，后4路数据进入第二个OSERDES。CLK频率为495 MHz，CLKDIV频率为247.5 Hz，这样每一个OSERDES输出的串行数据速率为990 MHz，然后这2路990 MHz的数据进入AD9739，其内部再进行一次并串转化生成1 980 MHz的数据。
5 FPGA与AD9739的接口设计及系统硬件测试
AD9739[7]是ADI 公司推出的一款高性能、高频率、14位DAC，取样速率高达2500 MS/s，宽带信号高达1 GHz，AD9739包括SPI接口，双端LVDS接口。针对这种高带宽的数据接口，设计了如图8所示的FPGA与DAC的数据接口。
AD9739包括2个14 bit复用低压差分信号(LVDS)输入端口，该器件接受1/4 DAC刷新速率的时钟，在时钟上升沿和下降沿均触发转换。输入数据速率为1/2时钟速率。本设计中时钟信号DACLKP/DACLKN为1.98 GHz，由ADF4350时钟芯片提供，其中DCOP/DCON输出作为FPGA的系统时钟，其频率为495 MHz。为保证FPGA生成的数据传输到AD9739接口端与DCIP/DCIN时钟相位对齐， DCIP/DCIN时钟产生方式同数据产生的方式相同，均由OSERDES产生。
系统硬件测试在XC5VSX35T上进行，测试结果表明，在载波为860 MHz时，符号率为6.875 MS/s，MER值为39.7，纠错后误码率为1.0E-9。符合国家制定的DVB_C标准。
本文详细介绍了各种滤波器设计方法，应用Virtex5系列高性能DSP模块、OSERDES模块、多相滤波技术解决了在FPGA内部实现高升采样问题；采用高达2.5 GS/s数据分辨率的AD9739，实现了QAM调制5 MHz～860 MHz内任意频率的输出。与传统的射频调制相比，免去对片外混频器和低通滤波器的需求，具有更佳的性能、更低的成本和更好的灵活性，可广泛用于电缆调制解调器系统。其中利用的多相滤波器技术、多相数字频率合成器技术、OSERDES技术对于实现数字信号高升采样具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 陈守金，于鸿洋，葛锦环.新型DVB_C信道编码、中频调制的全数字实现[J].电子技术应用，2006(5).
[2] 赵敏笑，赵云，陈文正.数字有线电视前段调制器的设计与实现[J].科技通报，2007(3).
[3] 姜宇柏，黄志强.通信收发机的verilog实现与仿真[M]. 北京：机械工业出版社，2006.
[4] 田耘，徐文波，张延伟.无线通信FPGA设计[M].北京：电子工业出版社，2008.
[5] 姜宇柏，游恩晴.软件无线电原理与工程实现[M].北京：机械工业出版社，2006.
[6] ug190:Virtex-5 FPGA Data Sheet[EB/OL].http：//www.xilinx.com.
[7] AD9739 Datasheet．Analog Devices，2009．http：//www.analog.com.