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        數(shù)字下變頻算法分析和仿真

        2019-10-26 13:19:46張晶晶
        科學(xué)大眾·教師版 2019年8期

        張晶晶

        摘 要:本文提出當(dāng)輸入中頻頻率可變時,通過改變AD采樣率,使之與中頻頻率相適應(yīng)。即將DDC與DDS相結(jié)合的實現(xiàn)方法。詳述了中頻信號頻率從60MHz到80MHz,碼元速率為1.338M/s時的具體DDC實現(xiàn)方法。最后,通過Simulink對數(shù)字下變頻的性能進行了仿真,并且在QuartusⅡ下用測試電路實測了數(shù)字下變頻的性能。

        關(guān)鍵詞:數(shù)字下變頻; FPGA; 半帶濾波器

        中圖分類號:TN911.6? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ?文章編號:1006-3315(2019)8-198-001

        一、數(shù)字下變頻的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)

        數(shù)字下變頻器的組成與模擬下變頻類似,包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器(Numerically Controlled Oscillator-NCO)和低通濾波器(LPF)三部分。從頻譜上看,數(shù)字下變頻將輸入信號從中頻變換到基帶。這樣的處理由兩步完成:量化后的中頻數(shù)字信號進入數(shù)字下變頻器后,先與數(shù)字控制振器NCO (Numerically Controlled Oscillator)產(chǎn)生的本地數(shù)字信號混頻,然后經(jīng)過低通濾波,信號變?yōu)榛鶐盘枴?/p>

        數(shù)字控制振蕩器在DDC中相對來說是比較復(fù)雜的,也是決定DDC性能的最主要因素之一。NCO的目標(biāo)是產(chǎn)生一個頻率可變的正弦波樣本。DDC工作時,每向DDC輸入一個待下變頻的信號采樣樣本,NCO就增加一個相位增量,然后按照相位累加角作為地址,檢查該地址上的數(shù)據(jù),并輸出到數(shù)字混頻器,與信號樣本相乘,乘積樣本在經(jīng)低通濾波器后輸出,這樣就完成了數(shù)字下變頻。

        二、數(shù)字下變頻的實現(xiàn)

        1.在MATLAB下仿真數(shù)字下變頻

        (1)仿真模塊的具體結(jié)構(gòu)

        在MATLAB下運用Simulink仿真工具對數(shù)字下變頻進行了仿真,DDC的頂層結(jié)構(gòu)Subsystem1和Subsystem2兩部分組成。其中,Subsystem1為數(shù)字序列生成模塊,產(chǎn)生數(shù)字下變頻模塊中頻信號。本文所設(shè)計的數(shù)字下變頻模塊可應(yīng)用到所有中頻采樣的解調(diào)器中。Subsystem2是數(shù)字下變頻中的核心部分,其中包括混頻、濾波兩部分。在Subsystem2模塊中先由數(shù)字控制振蕩器產(chǎn)生一個頻率可變的正弦波樣本。

        DDC工作時,在每向DDC輸入一個下變頻的信號采樣本時,NCO就增加一個相位增量,然后,按照相位累加角度作為地址,檢查該地址上的數(shù)值,并輸出到數(shù)字混頻器,與信號樣本相乘,乘積樣本再經(jīng)過低通濾波器濾波后輸出,這就完成了數(shù)字下變頻。

        (2)Simulink的仿真結(jié)果

        圖1給出了輸入中頻為70MHz時信號在零頻附近的頻譜圖以及下變頻后得到的基帶信號。

        從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)改變中頻信號頻率時,本文所設(shè)計的數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)可以完成將輸入信號從中頻搬移到基帶的功能。

        2.在QuartusⅡ下仿真數(shù)字下變頻

        DDC具體用FPGA實現(xiàn),本文用Verilog語言編寫了相應(yīng)的程序,并用QUARTUSⅡ軟件進行仿真。輸入中頻為70MHZ,碼元速率為1.338M/s,采樣率為11.2MHz。QuartusⅡ仿真時序波形如下圖所示,其中ad_date為輸入的中頻數(shù)字序列,i和q為兩路輸出結(jié)果。

        將QuartusⅡ下仿真得到的時序波形結(jié)果與MATLAB仿真結(jié)果相互吻合。由此驗證了本文所提出的當(dāng)輸入中頻頻率可變時,通過改變AD采樣率,使之與中頻頻率相適應(yīng)來實現(xiàn)DDC的方法的正確性。這種方案實現(xiàn)簡單,節(jié)省資源,適用于信號帶寬較小時的情況。

        參考文獻(xiàn):

        [1]宗孔德.多速率信號處理,北京:清華大學(xué)出版社,1996

        [2]夏宇聞編著.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程,北京:北京航空航天出版社,2003

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