基于FPGA的DDC的設(shè)計

摘要：數(shù)字下變頻技術(shù)是軟件無線電的核心技術(shù)之一。本文首先介紹了DDC的組成結(jié)構(gòu)，然后詳細(xì)分析了DDC各功能模塊的工作原理，通過Modelsim完成了DDC其主要模塊的仿真和調(diào)試，并進(jìn)行初步系統(tǒng)級驗(yàn)證。在仿真的基礎(chǔ)上使用了FPGA開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)測了DDC的性能。
關(guān)鍵詞：DDC；數(shù)控振蕩器；查表法；數(shù)字混頻器；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言
近年來，軟件無線電已經(jīng)成為通信領(lǐng)域一個新的發(fā)展方向，數(shù)字下變頻技術(shù)(Digital Down Converter-DDC)是軟件無線電的核心技術(shù)之一，也是計算量最大的部分，一般通過FPGA或?qū)Ｓ眯酒扔布?shí)現(xiàn)。
現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是一種由用戶自行配置的高密度專用數(shù)字集成芯片，具有小型化、低功耗、可編程、數(shù)字化和快速方便實(shí)用的特點(diǎn)。FPGA的靈活性與高速處理的能力，使其由一種靈活的邏輯設(shè)計平臺發(fā)展為重要的信號處理元件，在各種軟件無線電產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。
本文設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的可編程DDC(DDC)，用于寬帶數(shù)字中頻軟件無線電接收機(jī)中，完成數(shù)字下變頻、數(shù)據(jù)抽取等功能。采用自頂向下的模塊化設(shè)計方法，將整個DDC劃分為基本單元，實(shí)現(xiàn)這些功能模塊并組成模塊庫。在具體應(yīng)用時，優(yōu)化配置各個模塊來滿足具體無線通
信系統(tǒng)性能的要求。
DDC由數(shù)控振蕩器(NCO)、數(shù)字混頻器和積分清洗濾波器三部分組成，如圖1所示。從原理上比較，DDC和模擬下變頻器是一致的，都是輸入信號與本地振蕩信號混頻，然后經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得到基帶信號。

1 DDC的設(shè)計
1．1 數(shù)控振蕩器的設(shè)計
NCO是DDC中的重要組成部分，NCO的目標(biāo)是產(chǎn)生頻率可變的正交正、余弦樣本信號。NCO產(chǎn)生正弦波樣本通?？刹捎貌楸矸?。即通過輸入的相位數(shù)據(jù)來尋址查表以輸出相應(yīng)的正弦波幅值。如圖2所示，碼發(fā)生器由相位累加器和查找表構(gòu)成。累加器按已定的步長進(jìn)行累加，在每個參考時鐘周期累加，并將結(jié)果存入寄存器。當(dāng)結(jié)果溢出時重復(fù)執(zhí)行，累加的過程可以看作NCO輸出頻率的周期。使用查找表選擇相應(yīng)的SIN和COS值輸出。若使用字長為N位寬的累加器，對于某一頻率控制字A，輸出頻率fout與輸入頻率控制字A的關(guān)系為：

其中，fclk為系統(tǒng)時鐘。只要改變控制字A的大小，就可以控制輸出頻率fout。fout變化的最小步長△f由累加器的數(shù)據(jù)寬度決定。即：

1．2 數(shù)字混頻器和積分清洗濾波器的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)
在本設(shè)計中，全部過程均采用數(shù)字化處理，DDC由一對載波混頻器和一對積分清洗濾波器組成。載波混頻器主要用來實(shí)現(xiàn)下變頻，積分清洗濾波器用來去掉高頻分量，數(shù)據(jù)信息通過監(jiān)測相鄰兩個符號時間內(nèi)的相位變化來解調(diào)數(shù)據(jù)。兩路信號在經(jīng)過積分清洗濾波器后，輸出信號的函數(shù)形式仍然不變，只是信號的幅值發(fā)生了變化。
由于利用FPGA設(shè)計時，采用的是數(shù)字化的解調(diào)過程，因此在用VHDL實(shí)現(xiàn)時，需要將送過來的基于比特數(shù)據(jù)類型的位矢量先轉(zhuǎn)化為有符號數(shù)，然后再進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，運(yùn)算過程結(jié)束后，再將其轉(zhuǎn)化為位矢量以便于進(jìn)行信號的傳輸。兩個載波混頻器的輸入信號為前端送來的2比特的采樣數(shù)據(jù)，取值分別為±1和±3，其中，“00”代表‘1’，“01”代表‘3’，“10”代表‘-1’，“11”代表‘-3’，同樣，本地載波取值±1，±3，這樣經(jīng)過載波混頻后得到了±1、±3、±9等6個值。將這6個值用三位二進(jìn)制數(shù)表示，高位為符號位，0表示正，1表示負(fù)，低位為數(shù)據(jù)位00、01、10分別代表1、3、9。所以載波混頻器比較簡單，用簡單的門電路就可以實(shí)現(xiàn)，圖3為混頻器的綜合圖。對于本系統(tǒng)來說，雖然載波NCO的輸出不是一個方波，但對整體設(shè)計沒什么影響。

在實(shí)現(xiàn)積分清洗濾波時，采取了前后兩個樣點(diǎn)相加(基于主時鐘mainclk)，然后由chip時鐘(chipclk)進(jìn)行抽樣輸出。這樣做可以回避低通濾波器的同步問題。因?yàn)槿绻扇±奂?0次(Tchip=10Tmain)然后輸出累加量方式的話，需要準(zhǔn)確確定Iout和Qout的chip同步點(diǎn)，這樣才能恢復(fù)出正確的基帶信號。因此接收進(jìn)來的QPSK信號經(jīng)過下變頻和低通濾波后的波形如圖5中的i out和q out所示。