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        一種任意抽取數(shù)字下變頻器的設(shè)計

        2013-09-30 02:09:02袁子喬
        火控雷達(dá)技術(shù) 2013年3期
        關(guān)鍵詞:下變頻乘法器低通濾波器

        袁子喬 劉 翔

        (西安電子工程研究所 西安 710100)

        0 引言

        數(shù)字下變頻(DDC)是雷達(dá)數(shù)字接收機(jī)的重要組成部分,它位于ADC采樣芯片之后,主要功能是:對采樣后的中頻回波信號進(jìn)行混頻和濾波處理,將其變換至零中頻;對零中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取及抗混疊濾波處理,從而降低數(shù)據(jù)速率以適應(yīng)后端通用DSP器件對信號實(shí)時處理的要求。隨著芯片運(yùn)算速度的提高,大型相控陣?yán)走_(dá)采用數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)進(jìn)行接收波束控制成為可能,而采用DBF技術(shù),需要大量的采用ADC和DDC通道,因此,將處理過程相對簡單但運(yùn)算量巨大的DDC模塊進(jìn)行ASIC設(shè)計,對于降低相控陣?yán)走_(dá)接收通道的成本,有著非常重要的作用。

        雷達(dá)在不同的工作模式下,雷達(dá)發(fā)射信號的形式和濾波器的抽取率有所不同,需要設(shè)計不同頻率響應(yīng)、階數(shù)和抽取率的低通濾波器,因此需要充分考慮不同抽取率下的低通濾波器,實(shí)現(xiàn)資源復(fù)用,造成了資源浪費(fèi)。本文基于低通濾波法提出了任意抽取率數(shù)字下變頻器的架構(gòu),該數(shù)字下變頻器根據(jù)數(shù)字下變頻運(yùn)算的特點(diǎn),選取合適的濾波器階數(shù)和工作時鐘,使用相同的乘法器資源則可實(shí)現(xiàn)多抽取率的數(shù)字下變頻器,實(shí)現(xiàn)了不同模式下的乘法器資源復(fù)用,較大程度節(jié)約了乘法器資源。

        1 低通濾波法實(shí)現(xiàn)DDC

        圖1為低通濾波法實(shí)現(xiàn)DDC的原理框圖,輸入中頻信號x(t)的中心頻率為f0,帶寬為B,A/D采樣頻率為fs,經(jīng)A/D采樣后,以數(shù)字信號x(n)的形式輸出。數(shù)字信號x(n)與正交的本振信號分別相乘,將信號分為I,Q兩路,兩路信號再經(jīng)過低通濾波抽取后,得到正交雙通道信號I(n)和Q(n);兩路濾波器系數(shù)均為 h(n)[1]。

        圖1 低通濾波法實(shí)現(xiàn)DDC的原理框圖

        由于中頻信號中心頻率為f0,帶寬為 B,位于(fL,fH)之間,則A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率fs需要滿足帶通采樣定理:,M=0,1,2,…;M 取能滿足fs≥2B的最大整數(shù),則根據(jù)fs進(jìn)行等間隔采樣所得到的采樣信號x(n),就能準(zhǔn)確的恢復(fù)出原始信號x(t)[2]。

        假設(shè)采樣后的輸入信號為:

        上式中ω0=2πf0/fs,φ(n)為中頻信號的相位信息。本振信號的頻率要求與載波頻率相等,對輸入信號分別乘以正交的本振信號,可得到:

        I路:

        Q路:

        由式(2)、(3)看出:經(jīng)過數(shù)字正交混頻后,輸出信號包括了我們需要的低頻分量,以及二倍載波頻率(2ω0)的高頻成分,幅度值均為原來的二分之一。利用低通濾波器濾除不需要的高頻成分,即可得到需要的基帶信號。經(jīng)數(shù)字低通濾波器后得到的信號表達(dá)式為:

        其中I(n)和Q(n)分別表示信號的同相分量和正交分量。

        按照圖1的原理框圖,設(shè)計了數(shù)字下變頻芯片的框圖如圖2所示。主要包括:數(shù)字正交混頻、任意抽取低通濾波器、系數(shù)存儲器、SPI控制接口。

        圖2 數(shù)字下變頻芯片框圖

        其中SPI接口作為設(shè)置芯片參數(shù)的接口,在芯片正常工作前,實(shí)現(xiàn)對頻率控制字、相位控制字、抽取率以及低通濾波器系數(shù)的配置。

        2 數(shù)字正交混頻

        數(shù)字正交混頻可以采用查找表+乘法器,或者采用Cordic算法進(jìn)行向量旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)?;诓檎冶淼腘CO需要占用大量的ROM存儲器資源,才能保證一定的精度[3]。而基于Cordic算法進(jìn)行向量旋轉(zhuǎn)不需要使用存儲器資源,僅通過多級流水即可實(shí)現(xiàn)輸入向量的角度旋轉(zhuǎn),如圖3所示。

        圖3 數(shù)字混頻模塊框圖

        為了保證數(shù)字混頻的精確度,設(shè)計時Cordic采用16級流水線結(jié)構(gòu),Cordic的具體實(shí)現(xiàn)參見文獻(xiàn)[4]。Cordic算法最大能實(shí)現(xiàn)[-99.88°,99.88°]之間的角度旋轉(zhuǎn),而數(shù)字混頻中向量的旋轉(zhuǎn)角度范圍是[0°,360°],因此需要進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換,將向量[90°,270°]之間的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為[-90°,90°]之間的旋轉(zhuǎn)角度[4-5]。

        表1 輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表

        3 任意抽取低通濾波器

        從圖4可以看出,從d0至d16、d17至d32使用SRL(移位寄存器)進(jìn)行數(shù)據(jù)的延時,延時時鐘周期為抽取率,例如2抽取時,延時2個時鐘周期,10抽取時,延時10個時鐘周期,移位寄存器的深度決定最大抽取率。

        反序是將輸入數(shù)據(jù)的順序以每抽取個數(shù)為一組,按照相反的順序輸出。如圖5所示的4抽取數(shù)據(jù)流,以輸入順序的自然數(shù)為例,d16為d15延時4個時鐘周期得到,而d17為d15延時4個時鐘周期,并以4個數(shù)據(jù)為一組,按輸入數(shù)據(jù)相反的順序輸出,反序部分可以采用移位寄存器或者存儲器來實(shí)現(xiàn)。

        使用移位寄存器產(chǎn)生指定時序的數(shù)據(jù)流后,可進(jìn)入乘累加處理環(huán)節(jié)。當(dāng)濾波器系數(shù)對稱時,可通過預(yù)先加法將對稱位置的數(shù)據(jù)相加,然后與對應(yīng)的濾波器系數(shù)進(jìn)行乘累加運(yùn)算,這樣可以減少一半的乘法器資源。另外,由于輸入數(shù)據(jù)率較低,因此可以使用運(yùn)行在較高時鐘速率的乘法器,分時復(fù)用進(jìn)行乘累加運(yùn)算,乘法器運(yùn)行速率越高節(jié)約的乘法器資源也越多,一般乘法器的工作時鐘為輸入數(shù)據(jù)率的整數(shù)倍,當(dāng)然乘法器的最高工作時鐘受芯片工藝的限制,需要綜合考慮[6]。

        圖6 任意抽取低通濾波器

        本設(shè)計在不同抽取率情況下(見圖6),輸入數(shù)據(jù)率均為clk1x,濾波器工作時鐘為clk2x,低通濾波器采用對稱系數(shù),表2給出了不同抽取率下對應(yīng)的濾波器階數(shù)。

        表2 不同抽取率對應(yīng)的濾波器階數(shù)

        圖7 數(shù)據(jù)整理時序圖

        如圖7所示,數(shù)據(jù)整理是將兩個clk1x數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)整合為一個clk2x的數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù),產(chǎn)生標(biāo)志位flag信號區(qū)分d1和d2,產(chǎn)生標(biāo)志位bypass信號標(biāo)識一組乘累加運(yùn)算數(shù)據(jù)的第一個數(shù)。

        經(jīng)過乘法累加器輸出后,將數(shù)據(jù)的時鐘域從clk2x變到clk1x,降低8路求和運(yùn)算速率要求,可以采用3級流水并使用邏輯來實(shí)現(xiàn)8路數(shù)據(jù)的求和。輸出結(jié)果為輸入數(shù)據(jù)的數(shù)字下變頻結(jié)果。

        4 結(jié)束語

        本文提出了一種采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻的方法。針對不同抽取率的數(shù)字下變頻,選取合適的低通濾波器階數(shù)和工作時鐘,復(fù)用相同的乘法器資源可以實(shí)現(xiàn)不同抽取率的數(shù)字下變頻處理,滿足了雷達(dá)信號處理大部分情況的使用要求,由于采用優(yōu)化的結(jié)構(gòu)盡量減小邏輯資源,降低了ASIC芯片的成本和復(fù)雜度。

        [1]胡廣書.數(shù)字信號處理理論算法與實(shí)現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

        [2]高亞軍.基于FPGA的數(shù)字信號處理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

        [3]田耘.無線通信FPGA設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

        [4]吳曙榮.直接數(shù)字頻率合成器的設(shè)計[D].西安:西安電子科技大學(xué),2006.

        [5]鮑景富.現(xiàn)代頻率合成技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電視技術(shù),2007,47(2):1 -5.

        [6]遲忠君,徐云,常飛.頻率合成技術(shù)發(fā)展概述[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2006,(3):21 -25.

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