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基于可编程逻辑器件实现数字下变频系统的设计

2020年08月06日 15:31 次阅读

1 引言

数字下变频DDC(digital down lonvwrsionl作为系统前端A/D转换器与后端通用DSP器件间的桥梁,通过降低数据流的速率,将低速数据送给后端通用DSP器件处理,其性能的优劣将对整个软件无线电系统的稳定性产生直接影响。采用专用DDC器件完成数字下变频,虽具有抽取比大、性能稳定等优点,但价格昂贵,灵活性不强,不能充分体现软件无线电的优势。FPGA工艺发展迅速,处理能力大大增强,相对于ASIC,DSP,其具有吞吐量高、开发周期短、可实现在线重构诸多优势。基于这些优点,FPGA在软件无线电的研发中具有重要作用。

2 数字下变频系统

数字下变频器在软件无线电系统中完成的功能结构如图1所示,其中包括直接数字频率合成器DDS(direct digital synthesizer)、数字混频器、FIR滤波器、抽取等模块。原始模拟中频信号经A/D转换器带通采样后得到数字中频信号,输入DDC后先与DDS产生的两路正交本振信号相乘(数字混频),将数字中频搬移到基带。混频后得到的数据率和采样率一致,后级FIR滤波器要达到该处理速率。硬件实现相当困难,因此首先通过抽取模块大大降低数据速率,然后使用高阶FIR低通滤波器对整个信道整形滤波。滤波输出的两路正基带信号交由下一级DSP器件进行处理。

基于可编程逻辑器件实现数字下变频系统的设计

2.1 混频器的FPGA实现

数字混频器将原始采样信号与查找表生成的正、余弦波形分别相乘,最终得到两路互为正交的信号。由于输入信号的采样率较高,因此要求混频器的处理速度大于等于信号采样率。单通道的数字下变频系统需要两个数字混频器.也就是乘法器。XC2V1000器件内嵌64个18×18位硬件乘法器,其最高工作频率为500 MHz,因此采用硬件乘法器完全能够满足混频器的设计要求。使用Xilinx公司的Multiplier IP核可以轻松实现硬件乘法器的配置。该设计中采用两路14位的输入信号,输出信号也为14位。图2为混频器的结构图。

2.2 DDS的FPGA实现

采用ISE中的IPCORE实现DDS,由于原始信号为60±7 MHz带通信号,经过100 MHz MD转换器产生一个中频为40 MHz的信号,将DDS输出频率设为40 MHz,产生频率为40 MHz两路正交I/Q信号,并与原始信号混频后产生两路零中频正交信号,实现下变频。其中DDS参数设置动态范围 (SFDR)为80 dB;频率分辨率(Frequency ResoluTIon)为0.4Hz;DDS输出频率(Frequency)为40 MHz。DDS的仿真结果如图3所示。

2.3 抽取模块的FPGA实现

经混频后,到达抽取模块的是两路速率为100 MHz,位宽为14位的正交信号,为了更方便处理这两路正交信号,需降低信号速率。该设计中,按照4:1的比例抽取信号,抽取完成后,变为速率为25 MHz,位宽为14位的信号。

抽取模块的实现是在ISE中采用VHDL语言编写。首先对时钟4分频,将系统时钟100 MHz经分频变成25 MHz.再利用该25 MHz时钟控制两个D触发器.将经混频后速率为100 MHz,位宽为14位的两路I,Q正交信号分别作为这两个D触发器的输入信号,即可完成4:l抽取。经抽取模块后,信号变为速率为25 MHz,位宽为14位的信号。图4为分频的仿真波形。

2.4 FIR滤波器的FPGA实现

FIR滤波器也是由ISEIPCORE实现,因为经DDS后的信号是带宽为14 MHz的零中频信号,只考虑正频率范围,故PFIR的通带截止频率为7 MHz,在MATLAB中设计一个通带截止频率为7 MHz的FIR,将系数量化为14位二进制数值存入系数文件*.coe,将其导入FIR即可;FIR的阶数(系数长度)越高,性能越好,但考虑资源占用情况,FIR的阶数不宜过高,该设计采用35阶FIR。故FIR参数设置为:结果分辨率(Result ResoluTIon)为16位;滤波器阶数(Fiher Length)为35;系数精度(Precision)为14位。图5为FIR滤波器的结构。

2.5 FPGA器件选型

设计将对采样率为100 MHz的高速带通信号进行数字下变频处理,对系统的处理速度要求较高。由于Xilinx公司的FPGA处理速度较Ahera公司的更快,并且在系统稳定性和可操作性方面均优于Altera。考虑到数字下变频对系统的处理速度、可靠性、稳定性均有较高的要求.因此选用Xilinx公司的Virtex一2系列的XC2V1000器件。XCl2V1000器件内部包含1 280个CLB,每个CLB由4个Slice构成,共5 120个Slice,满足设计需求。

3 系统调试与结果分析

Xilinx的FPGA的开发工具为ISE,目前版本已更新到lO.2。ISE是一个集成的开发环境,包括HDL编辑器、IP—CORE Cenerator System、约束编辑器、静态时序分析工具、功耗分析工具等十多种工具。这些工具可以帮助设计人员提高工作效率。ISE可以方便集成第三方工具,如仿真工具Mod一elsim、综合工具Synplify。此外Xmnx的工具Clfipseope可以在线观察FPGA内部信号波形,Plan Ahead工具可以通过简化综合与布局布线间的步骤,大大减少设计时间,与ISE结合使用时可以实现30%的性能提升。在ISE环境下采用VHDL语言实现DDC的各个模块。经过硬件调试,系统功能正常,将FPGA产生的各部分数据导入MARLAB中,得出的运算结果波形如图6所示。

DDC模块原本不改变输入信号的位宽,输入为14位,100 MHz的单路信号,输出本应为两路位宽14位,速率100MHz的零中频正交信号。而实际输出为两路位宽30位,速率100 MHz的零中频正交信号,所以先要截取该两路30位信号,恢复至14位宽度,然后再抽取。经实验验证,在设计中,对两路(1/Q路)位宽为30位的信号进行13~26位截位,其效果最佳,信号质量性能都能得到保证。

4 结语

采用FPGA实现DDC,具有速度快,灵活性强等优点。该系统设计采用Xilinx的FPGA平台,其中有许多免费的IP核可供选用,在实现较好性能的同时,可有效减小开发的周期和难度,因此,该设计方案具有广泛的应用潜力。

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