高性能數字接收機FPGA設計

　　摘要：基于Xilinx FPGA設計出一種高性能數字接收機。該數字接收機由高速、高分辨率A/D和高性能FPGA構成。高速A/D實(shí)現中頻數字化，高性能FPGA實(shí)現數字下變頻、數字多相濾波、半帶抽取、匹配濾波和位同步功能，使得中頻載波為153.6MHz的TD-SCDMA信號，下變頻-抽取-濾波-位同步后得到高質(zhì)量的采樣率為1.28MHz的基帶信號。在中頻放大器工作時(shí)，接收機的動(dòng)態(tài)范圍達到84dB，即A/D有效分辨率到13bit，EVM小于1%，滿(mǎn)足TD-SCDMA綜測儀的測試用例要求。

　　引言

　　軟件無(wú)線(xiàn)電是近些年在移動(dòng)通信領(lǐng)域中流行的一種通信系統設計架構?；舅枷胧牵河密浖O計的方法構造一個(gè)開(kāi)放性、標準化和模塊化的通用平臺，設計出具有高度靈活性、開(kāi)放性的移動(dòng)通信系統。

　　基于軟件無(wú)線(xiàn)電的設計思想，數字接收機是根據奈奎斯特帶通采樣定理(欠采樣原理)利用A/D轉換器將中頻(IF)信號數字化，并在數字域中采用IQ正交下變頻方法將載波信號移除，得到高采樣率的零中頻基帶信號，再經(jīng)過(guò)多級濾波、抽取(下采樣)、匹配濾波、位同步等步驟將調制信號的采樣率降到合適水平給后級處理，以減輕DSP數據吞吐量的壓力。

　　本設計來(lái)源于國家科技重大專(zhuān)項“三模綜測儀”子項目開(kāi)發(fā)的TD-SCSMA部分;該數字接收機主要完成目標是實(shí)現數字信號處理的多速率變換，采樣率從122.88MHz降低到1.28MHz，線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于84dB，IQ兩路信號帶寬為1.6MHz。

　　電路設計

　　數字接收機架構

　　由于FPGA(XC5VSX95T)具備高速并行計算優(yōu)勢，數字接收機方案設計通常由A/D轉換器+高性能FPGA+DSP構成。接收通道原理框圖如圖1所示?！　?/p>

 

　　移動(dòng)終端的射頻范圍覆蓋1800MHz~2400MHz，射頻信號與本振信號混頻后，經(jīng)過(guò)濾波轉變成固定載波頻率的153.6MHz中頻信號。根據帶通采樣定理，A/D以122.88MHz時(shí)鐘對153.6MHz中頻信號進(jìn)行采樣、量化、編碼，數字化后的信號以122.88Msps速率傳輸給FPGA。最后在FPGA中實(shí)現30.72MHz的NCO與A/D發(fā)送的信號混頻以得到零中頻基帶信號，此時(shí)，數據的采樣率仍很高，需要進(jìn)行多速率抽取濾波轉換、最佳采樣點(diǎn)的判斷和位同步處理。

　　數字下變頻原理

　　根據奈奎斯特帶通采樣(欠采樣)定理的公式：
           

　　其中，Fs表示A/D采樣頻率，Fc表示載波中頻頻率，B表示信號帶寬。