基于FPGA的數字下變頻設計

　　摘要：數字下變頻(Digital Down Converter or DDC)是軟件無(wú)線(xiàn)電的核心技術(shù)之一，本文首先介紹了數字下變頻的原理，然后主要討論了基于FPGA的數字下變頻實(shí)現結構，在Xilinx公司ISE10.1開(kāi)發(fā)環(huán)境下，通過(guò)編寫(xiě)Verilog程序和調用IP核相結合的方式研究了數字下變頻的FPGA實(shí)現方法，通過(guò)FPGA芯片Virtex-5 XC5VLX110T設計實(shí)現了數字下變頻器，并用Modelsim對各個(gè)模塊和整個(gè)系統進(jìn)行仿真，結果表明，各個(gè)模塊和整個(gè)系統都能按要求工作，從而驗證了FPGA實(shí)現數字下變頻的正確性。

　　引言

　　軟件無(wú)線(xiàn)電是目前和未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)，其核心思想就是讓數字化處理盡量地靠近天線(xiàn)，從而將更多的處理通過(guò)數字的方式完成。軟件無(wú)線(xiàn)電強調體系結構的開(kāi)放性和全面的可編程性。由于目前硬件還不成熟，不能實(shí)現理想的軟件無(wú)線(xiàn)電，通常采用折衷的帶通采樣的軟件無(wú)線(xiàn)電結構。因此，數字下變頻技術(shù)在這種形勢下應運而生，所以研究數字下變頻技術(shù)具有非常重要的意義。

　　數字下變頻是軟件無(wú)線(xiàn)電系統的重要組成部分，主要完成對信號的混頻、濾波、抽取和整形等工作，包括數字混頻模塊和抽取濾波模塊。在數字下變頻系統實(shí)現方案中，輸入的模擬中頻信號經(jīng)過(guò)高速A/D采樣數字化后與數控振蕩器產(chǎn)生的正交本振信號進(jìn)行混頻，然后再由抽取濾波模塊進(jìn)行處理，以輸出低速的低頻或基帶信號?，F場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array-FPGA)是一種由用戶(hù)自行配置專(zhuān)用數字集成芯片，具有小型化、低功耗、可編程、數字化和快速方便實(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計平臺發(fā)展為重要的信號處理元件，在各種軟件無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品中得到了廣泛的應用。

　　數字下變頻器結構

　　數字下變頻由數控震蕩器(NCO)，數字混頻器，濾波器組組成，射頻信號經(jīng)過(guò)下變頻成模擬中頻信號，模擬中頻信號經(jīng)過(guò)A/D轉換成數字中頻信號，NCO產(chǎn)生的兩路正交序列信號與數字中頻信號相乘，將數字中頻信號變?yōu)榱说皖l基帶信號，經(jīng)過(guò)濾波器組的抽取，濾波及整形后輸出低頻低速率的基帶信號送給后端的DSP處理器進(jìn)行調制解調。這里的濾波器組由5級5倍抽取CIC濾波器、2倍抽取HB濾波器、FIR單倍濾波器組成。

　　數字下變頻器的FPGA實(shí)現

　　本設計選用Xilinx公司的Virtex-5 XC5VLX110T的FPGA開(kāi)發(fā)系統，結合MATLAB預先對濾波器的指標進(jìn)行仿真，然后在Xilinx公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ISE10.1中進(jìn)行Verilog語(yǔ)言編程和IP核的調用，并結合Mentor的子公司Model Tech出品的Modelsim進(jìn)行仿真和驗證。

　　NCO的FPGA設計

　　數控震蕩器(NCO)的作用是產(chǎn)生兩路正交序列信號與中頻信號混頻，其設計的好壞直接關(guān)系到數字下變頻的性能，目前NCO的設計有查表法，CORDIC算法，以及重采樣法，本文采用基于查找法的DDS進(jìn)行設計，通過(guò)ISE平臺調用IP core的辦法完成NCO設計，該本辦法快速，可操作性強。

　　設為DDS的輸出頻率，為輸入信號的采樣頻率，N為相位累加器的字長(cháng)，則輸出信號頻率與頻率控制字M的關(guān)系為：

　　當M為1時(shí)，上式代表DDS的輸出頻率分辨率，即：