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        一種高效靈活數(shù)字上變頻FPGA設(shè)計(jì)

        2010-11-27 01:46:02張新勝
        關(guān)鍵詞:基帶級(jí)聯(lián)插值

        張新勝

        (中國(guó)人民解放軍空軍裝備部,北京100071)

        軟件無(wú)線電的基本思想是把A/D變換器盡可能地靠近射頻天線,用軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)線電系統(tǒng)的各種功能[1]。數(shù)字上變頻器是軟件無(wú)線電中發(fā)射機(jī)的核心部分,它的基本功能是增加基帶信號(hào)采樣率并將其上變頻到載波頻率上,經(jīng)過(guò)發(fā)射天線發(fā)射出去。采用專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻器集成度高,應(yīng)用方便,但是缺少靈活性,在軟件無(wú)線電中的應(yīng)用受到限制,因此研究使用可編程的FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變具有重要意義。

        半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使得FPGA的性能越來(lái)越高,目前較高性能的FPGA內(nèi)嵌了豐富乘累加單元和Block-Ram單元,再憑借可編程特點(diǎn)和高速并行結(jié)構(gòu),F(xiàn)PGA在越來(lái)越多的情況下可取代DSP和ASIC而成為未來(lái)數(shù)字信號(hào)處理的理想選擇。FPGA內(nèi)置越來(lái)越多的成熟IP核,為研究和開(kāi)發(fā)者提供了方便,縮短了開(kāi)發(fā)周期。

        本文研究了數(shù)字上變頻原理,根據(jù)一組設(shè)計(jì)實(shí)例參數(shù)要求,利用Matlab仿真分析,提出了滿足系統(tǒng)性能的高效插值濾波器的結(jié)構(gòu),即積分梳妝濾波器CIC(Cascade Integrator-Comb Filter)和補(bǔ)償濾波器(CFIR)級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。在FPGA中采用Altera提供的IP核實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)字上變頻。

        1 數(shù)字上變頻原理

        數(shù)字上變頻器的基本工作原理是將基帶信號(hào)通過(guò)脈沖成形濾波器進(jìn)行處理,以適應(yīng)帶限信道和消除碼間干擾(ISI),然后通過(guò)插值濾波器提高采樣率,最后與正交載波進(jìn)行數(shù)字混頻。其原理框圖如圖1所示。

        圖1 數(shù)字上變頻原理框圖

        數(shù)字上變頻器的核心部件是內(nèi)插器和數(shù)字振蕩器(NCO)。內(nèi)插器通過(guò)在原始的采樣間隔內(nèi)增加新的采樣點(diǎn)來(lái)提高信號(hào)的采樣率,因此在頻域內(nèi)產(chǎn)生原始信號(hào)的鏡像頻譜,需要通過(guò)低通濾波器[2]。本設(shè)計(jì)采用積分梳妝濾波器(CIC)和補(bǔ)償濾波器(CFIR)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)插和低通濾波。上變頻采用數(shù)字振蕩器(NCO)實(shí)現(xiàn)。

        2 插值濾波器的設(shè)計(jì)

        2.1 積分梳妝濾波器CIC

        積分梳妝濾波器CIC,又名Hogenauer filters,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)整,需要的存儲(chǔ)小等特點(diǎn)。由于它不需要乘法器,加之濾波器的所有系數(shù)均為1,而且利用積分環(huán)節(jié)減少了中間過(guò)程的存儲(chǔ)量,因此常常應(yīng)用在高速采樣(高速采樣使得乘法器個(gè)數(shù)太多)和插值比很大(插值比大使得FIR濾波器的階數(shù)過(guò)高,需要保存的系數(shù)太多)情況下。

        積分梳妝濾波器CIC一般由Integrator和 Comb兩個(gè)基本模塊組成。Integrator模塊的差分方程為:

        其Z域上的傳遞函數(shù)為:

        Comb模塊的差分方程為:

        其Z域上的傳遞函數(shù)為:

        積分梳妝濾波器CIC分為兩種功能,分別為抽取器和內(nèi)插器。本文主要關(guān)注CIC內(nèi)插器。CIC內(nèi)插器是由N個(gè)Comb模塊級(jí)聯(lián),以的速率采樣,再級(jí)聯(lián)以N個(gè)Integrator模塊,其采樣率為fs,內(nèi)插系數(shù)為R。那么,內(nèi)插器的Z域傳遞函數(shù)為:

        積分梳妝濾波器CIC其本質(zhì)上等同于N個(gè)具有矩形沖擊響應(yīng)的濾波器的級(jí)聯(lián)。但是在實(shí)現(xiàn)上卻減少了復(fù)雜度與資源消耗。CIC是一種在硬件實(shí)現(xiàn)上比較經(jīng)濟(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)。N越大,積分梳妝濾波器CIC幅頻響應(yīng)越好[3]。

        2.2 CFIR濾波器

        盡管積分梳妝濾波器在插值比較大的情況下很有效,但是其響應(yīng)缺少平坦通帶響應(yīng)和快速下降的過(guò)度帶。為了解決這個(gè)問(wèn)題,需要在積分梳妝濾波器CIC前面級(jí)聯(lián)一級(jí)補(bǔ)償濾波器CFIR。CFIR幅頻響應(yīng)函數(shù):

        其中M為濾波器的微分時(shí)間延遲,R為插值系數(shù),N為CIC濾波器的級(jí)數(shù)[4]。

        積分梳妝濾波器CIC經(jīng)過(guò)補(bǔ)償濾波器CFIR的補(bǔ)償后,其幅頻響應(yīng)具有近乎水平的通帶和快速下降的過(guò)渡帶。

        積分梳妝濾波器CIC、補(bǔ)償濾波器CFIR以及二者級(jí)聯(lián)后的信號(hào)分別如圖2、圖3、圖4所示。從圖中可以看出CIC與CFIR級(jí)聯(lián)后的幅頻響應(yīng)曲線通帶平坦,過(guò)渡帶陡峭,有很理想的幅頻響應(yīng)曲線。

        3 數(shù)控振蕩器NCO設(shè)計(jì)

        數(shù)控振蕩器NCO(Numerically Controlled Oscillator)是數(shù)字上變頻器的重要部件,用于實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)到中頻信號(hào)的頻譜搬移。數(shù)控振蕩器具有頻率分辨率高、頻率變化快、相位可連續(xù)性變化及生成的正余弦正交特性好等特點(diǎn),數(shù)字化的相位和幅度可以實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字調(diào)制解調(diào)。本設(shè)計(jì)中NCO采用CORDIC算法,不占用RAM和DSP資源,只消耗邏輯資源?;贑ORDIC迭代算法的數(shù)控振蕩器僅用移位寄存器和加法器就可產(chǎn)生正余弦信號(hào),不但省去了傳統(tǒng)NCO龐大的存儲(chǔ)器資源,而且具備數(shù)控振蕩器頻率分辨率高、頻率變化速度快、相位可連續(xù)性變化和生成的正余弦正交特性好的優(yōu)點(diǎn)[5]。本文設(shè)計(jì)的NCO可編程,無(wú)雜散,動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)100 dB。

        4 硬件實(shí)現(xiàn)

        本設(shè)計(jì)是在Altera QuatusII 8.0軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。在Altera FPGA EP2SGX90驗(yàn)證了數(shù)字上變頻功能。由于數(shù)字上變頻跟參數(shù)相關(guān),不同的參數(shù)要求有不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),因此本文以一組實(shí)際參數(shù)要求來(lái)介紹數(shù)字上變頻如何在FPGA中實(shí)現(xiàn)。數(shù)字上變頻參數(shù)要求如表1所示。

        表1 數(shù)字上變頻參數(shù)

        根據(jù)表1中數(shù)字上變頻器的要求,在Matlab中仿真插值濾波器的參數(shù)。本設(shè)計(jì)采用2插值的補(bǔ)償濾波器CFIR和4插值的積分梳妝濾波器CIC級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。補(bǔ)償濾波器CFIR不僅起到低通濾波器和2插值的作用,而且具備平滑 CIC濾波器的作用。圖4是參數(shù) R=4,M=2,N=8時(shí),補(bǔ)償濾波器CFIR和積分梳妝濾波器CIC級(jí)聯(lián)后的幅頻響應(yīng),從圖中可以看到該幅頻響應(yīng)的混疊抑制達(dá)到100 dB。

        FPGA EP2SGX90具有豐富的IP(Intellectual Property)資源。利用其FIR IP和CIC IP實(shí)現(xiàn)插值濾波,利用NCO IP實(shí)現(xiàn)上變頻。其中FIR IP系數(shù)采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),這樣節(jié)省一半的系數(shù)存儲(chǔ)單元。數(shù)字上變頻器在FPGA中的實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。由于補(bǔ)償濾波器CFIR和插值濾波器CIC IP核的特點(diǎn),輸入信號(hào)不是連續(xù)的,因此在設(shè)計(jì)中需要在二者的輸入端添加FIFO。采樣率為Fs的基帶信號(hào)通過(guò)CFIR 2插值后采樣率變?yōu)?Fs,同樣該信號(hào)再經(jīng)過(guò)4插值CIC濾波器后采樣率為8Fs。FPGA采用流水結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。

        圖5 FPGA中數(shù)字上變頻實(shí)現(xiàn)框圖

        本文設(shè)計(jì)的數(shù)字上變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通帶頻率1.0 MHz,截止頻率1.5 MHz基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)8插值上變頻到載頻10 MHz的調(diào)制信號(hào)。該數(shù)字上變頻占用的主要FPGA EP2SGX90內(nèi)部資源如表2所示。結(jié)果表明,該系統(tǒng)在占用少量資源的情況下實(shí)現(xiàn)了數(shù)字上變頻功能。

        表2 FPGA資源占用情況

        5 結(jié)果分析

        為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的數(shù)字上變頻的性能,數(shù)據(jù)從數(shù)字上變頻系統(tǒng)輸出后經(jīng)過(guò)AD9747芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,模擬信號(hào)接到示波器上觀察到的波形如圖6所示。這里使用的是LeCory公司的序列號(hào)LCRY0409N01153的示波器。 圖中C3對(duì)應(yīng)的是原始基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化后的模擬信號(hào),C4對(duì)應(yīng)的是數(shù)字上變頻后數(shù)模轉(zhuǎn)化后的模擬信號(hào)。

        本文研究了數(shù)字上變頻的原理,以實(shí)際工程需要為例介紹了使用FPGA設(shè)計(jì)數(shù)字上變頻的過(guò)程。采用梳妝濾波器和補(bǔ)償濾波器級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)使數(shù)字上變頻有很好的內(nèi)插濾波器特性。同時(shí)根據(jù)FPGA中CIC和FIR IP核的時(shí)序特點(diǎn),設(shè)計(jì)了高效流水結(jié)構(gòu),這對(duì)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字上變頻具有可編程、信號(hào)精度高、系統(tǒng)無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)100dB的特點(diǎn),在FPGA中能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

        [1]楊小牛,樓才義,徐建庭.軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

        [2]胡廣書(shū).數(shù)字信號(hào)處理-理論.算法與實(shí)現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.

        [3]Altera Corporation.CIC Megacore Function User Guide.2009(11).

        [4]Altera Corporation.Understanding CIC Compensation Filters.Ver.1.0.2007(4).

        [5]Altera Corporation.NCO Megacore Function User Guide.2009(11).

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