基于CORDIC算法的中頻多路控守系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線電頻譜是一種自然資源，由于無(wú)線電頻譜是有限的，而通信技術(shù)極度依賴頻譜的使用，傳統(tǒng)的短波和超短波頻段已經(jīng)不滿足當(dāng)前通信需求了，未來(lái)通信主要依賴超高頻的微波頻段。而無(wú)線電接收技術(shù)也向著大帶寬、高靈敏度、高采樣率的方向發(fā)展，更高的速率為信號(hào)的實(shí)時(shí)分析帶來(lái)了極大的困難。本文提出了一種基于CORDIC算法的窄帶多路控守系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)多路窄帶通信信號(hào)控守，設(shè)計(jì)滿足寬帶內(nèi)16 路任意頻點(diǎn)的控守。

1   CORDIC算法原理

2   多路控守FPGA實(shí)現(xiàn)方案

FPGA 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)多路窄帶控守出自處理流程框圖如圖1 所示。功能單元主要包括寬帶下變頻器、交換矩陣、窄帶下變頻器、存儲(chǔ)矩陣、控制單元等。

寬帶下變頻器功能是將輸入的ADC 采樣實(shí)信號(hào)變?yōu)榱阒蓄lIQ 數(shù)據(jù)；

交換矩陣是根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)的窄帶控守路數(shù)及頻點(diǎn)，計(jì)算數(shù)控振蕩器NCO，并輸出給窄帶下變頻器；

窄帶下變頻器件功能是同時(shí)實(shí)現(xiàn)64 路窄帶IQ 信號(hào)輸出；

存儲(chǔ)矩陣同時(shí)將64 路窄帶信號(hào)存儲(chǔ)并上傳。

2.1 寬帶下變頻器設(shè)計(jì)

寬帶下變頻器包括NCO 單元、乘法器、FIR 濾波器等；

ADC 芯片采樣時(shí)鐘為204.8 MHz, 輸入頻率范圍為（110 ～ 170）MHz，ADC 芯片采用ADI 公司的ADC9467芯片，最大位寬16 bit，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)優(yōu)于75 dBm；

數(shù)控振蕩器NCO 生成sin 與cos 信號(hào)，與ADC 芯片相乘得到零中頻IQ 信號(hào)；

為節(jié)省芯片的乘法器資源，NCO設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)直接使用ROM 查找表的方式實(shí)現(xiàn)；

在Matlab中產(chǎn)生采樣率為204.8 MHz, 頻率為64.8 MHz ( 超外差接收機(jī)為2 次混頻) 的sin 與cos 信號(hào)，并將數(shù)據(jù)初始化存儲(chǔ)在FPGA 內(nèi)rom 表即可。

乘法器為AD 信號(hào)與cos 或sin 信號(hào)相乘，實(shí)現(xiàn)混頻的功能，輸出的I 路和Q 路信號(hào)，信號(hào)帶寬為24 bit。

FIR 濾波器設(shè)計(jì)使用的濾波器系數(shù)為64 階對(duì)稱型的的低通濾波器，濾波器Fpass = 40 MHz，Apass = 0.1 dB；Fstop = 42 MHz，Astop = 95 dB；濾波后抽2，將IQ 數(shù)據(jù)的采樣率降為102.4 MHz，并輸出給子信道下變頻器控制矩陣，F(xiàn)FT運(yùn)算結(jié)果滿足優(yōu)于85 dB的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。

2.2 窄帶變頻器設(shè)計(jì)

窄帶變頻器為窄帶多路控守系統(tǒng)的核心模塊，為實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)多路任意頻點(diǎn)的控守，每個(gè)子帶變頻器都需要1個(gè)可配置的子帶NCO 模塊、復(fù)數(shù)乘法器模塊、濾波器模塊。單路子帶變頻器的實(shí)現(xiàn)框圖如下圖所示。

ch_nco 模塊是基于CORDIC 算法的可配置NCO 模塊，nco 值的計(jì)算由控制器單元完成。計(jì)算公式為：

complex_mult 模塊為復(fù)數(shù)乘法器模塊，每1 路需要消耗3 個(gè)乘法器資源。

filter_computer_p 模塊為級(jí)聯(lián)的濾波器，包含了CIC 和FIR 濾波器兩種，根據(jù)輸入的ch_bw 信號(hào)，可選擇輸出200、100、50、25、15、9、6、1 kHz 等8 種帶寬的窄帶信號(hào)。

每1 路輸出數(shù)據(jù)格式為16 bit 位寬的I 和16 bit 位寬的Q，ch_vld 標(biāo)識(shí)當(dāng)前時(shí)鐘周期數(shù)據(jù)有效。

2.3 控制單元設(shè)計(jì)

控制單元主要是完成DSP命令解析和子帶變頻器運(yùn)算和控制。系統(tǒng)工作過(guò)程中，將DSP 通過(guò)Emif 接口往FPGA下發(fā)若干個(gè)信道號(hào)、每1 個(gè)子信道的中心頻率、帶寬參數(shù)。ch_enable 信號(hào)分別對(duì)應(yīng)16 個(gè)子帶變頻器的復(fù)位使能信號(hào)；ch_nco 為對(duì)應(yīng)子帶的nco 值；ch_bw 為各子帶變頻器輸出帶寬選擇信號(hào)。

2.4 存儲(chǔ)矩陣設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)矩陣將64 路窄帶IQ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并上傳，傳輸數(shù)據(jù)的最大帶寬為64 路200 kHz, 采樣率為帶寬的1.28 倍；系統(tǒng)工作時(shí)鐘為102.4 MHz;

64 路IQ 數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲(chǔ)矩陣后，首先將數(shù)據(jù)根據(jù)ch_vld 信號(hào)鎖存；

RAM1 與RAM2 兩片存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)的進(jìn)行乒乓存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，存儲(chǔ)器容量為128 kBit, 位寬32 bit, 尋址為0-32767，實(shí)現(xiàn)每路512 點(diǎn)的存儲(chǔ)需求；

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為地址0- 地址63 為64 路的I₁，Q₁；地址64- 地址127 為64 路的I₂Q₂；依次存儲(chǔ)到I₅₁₂Q₅₁₂；

數(shù)據(jù)讀取上傳格式，先取第1 路的512 點(diǎn)IQ，地址為0、64、128…，再取第2 路的512 個(gè)點(diǎn)，地址為1、65、129…，依次取出64 路。

存RAM2 數(shù)據(jù)時(shí)，RAM1 數(shù)據(jù)通過(guò)SRIOx4 接口上傳數(shù)據(jù)到DSP；存RAM1 數(shù)據(jù)時(shí)，RAM2 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)上傳。

圖3 控制單元實(shí)現(xiàn)框圖

3   驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn)

多路窄帶控守系統(tǒng)，使用FPGA+DSP+ADC 的框架實(shí)現(xiàn)；FPGA 芯片使用設(shè)計(jì)的Xilinx 公司的K7 系列XCK7325T;ADC 采集芯片為ADI 公司的ADC9467，采樣率高達(dá)250 MHz,，DSP 芯片采用TI 公司的TMS320C6657。FPGA 與DSP 之間的通信接口包括EMIF 和SRIO x4，處理平臺(tái)的對(duì)外接口為千兆以太網(wǎng)。平臺(tái)組成如圖4 所示。

圖4 硬件驗(yàn)證平臺(tái)組成

系統(tǒng)上電后，首先由應(yīng)用層軟件的寬帶信號(hào)搜索功能，硬件平臺(tái)收到指令后，由FPGA 接收并解析ADC采樣數(shù)據(jù)，與NCO（COS,SIN）相乘得到基帶的IQ 信號(hào)；并將IQ 數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 運(yùn)算，F(xiàn)PGA 并將FFT 運(yùn)算后功率譜數(shù)據(jù)上傳；在頻譜顯示界面可自動(dòng)或者手動(dòng)分選要控守的信號(hào)頻率和分析帶寬，并將相應(yīng)的子帶頻率與分析帶寬下發(fā)給硬件平臺(tái)。

在FPGA 啟動(dòng)多路控守控制模塊與CORDIC 乘法器復(fù)數(shù)乘法模塊，并將對(duì)應(yīng)帶寬的數(shù)據(jù)輸出上傳。上傳后的數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)本地硬盤中，并使用Adobe Audition軟件驗(yàn)證播放，反復(fù)多次存儲(chǔ)播放，證明多路控守系統(tǒng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)64 路帶寬200 kHz。

4   結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一種基于CORDIC 算法的可配置的多路窄帶控守系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在操作終端上文件存儲(chǔ)的方式驗(yàn)證能夠?qū)崿F(xiàn)60 MHz 寬帶內(nèi)最多64 路的任意頻點(diǎn)控守，在工作中由寬帶搜索引導(dǎo)多路窄帶控守，可對(duì)多路窄帶信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析；同時(shí)所需要的FPGA內(nèi)部的乘法器和存儲(chǔ)器資源極少。下一步目標(biāo)優(yōu)化優(yōu)鏈路資源消耗，實(shí)現(xiàn)更多通道頻點(diǎn)的控守。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）