基于FPGA的寬帶數(shù)字信道化接收機的設(shè)計

第k個信道輸出為：

引入多相概念可得：

將wk=2πk/K帶入可得：

即為圖3的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的信道化過程是在1／M的信號輸入速率下進行的，可以降低整個過程的運算量，使系統(tǒng)的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)速率大大降低，實時處理能力得到提高。

要實現(xiàn)480～960 MHz的16信道劃分，所以選取K=16。選擇無盲區(qū)相鄰信道50％交疊的信道化分形式，F(xiàn)應(yīng)該為2。根據(jù)上述原理M=8，信號需進行8倍抽取。

2 基于FPGA的信道化接收機實現(xiàn)

2.1 主要芯片介紹

ADC10D1000是NS最新推出的一款超高速低功耗10位模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器，單通道最高采樣頻率可達到2.0 GHz，全功率帶寬為2.8 GHz。該芯片采用單電源1.9 V供電，總功耗只有2.8 W，比同級的A／D低33％，被NS列為Power Wise系列的高能源效率產(chǎn)品之一。該芯片采用292個球體的BGA封裝，令產(chǎn)品更小巧輕盈，而且散熱能力更強，即使沒有散熱器，系統(tǒng)也可在攝氏-40°～85°的工業(yè)級溫度范圍內(nèi)工作。該芯片的無雜散信號動態(tài)范圍（SFDR）可高達66 dBc，達到業(yè)界最高水平，而且有效位數(shù)（ENOB）高達9.1位，為提高寬帶數(shù)字接收機的動態(tài)范圍提供了有力的條件。

ADC10D1000與8位高速A／D相比，在許多性能上有了提高，但輸入的最大模擬電壓的峰峰值為860 mV，相較于8位高速A／D較低，使得輸入信號的功率應(yīng)在3 dB以下，建議使用時功率在2 dB以下。

選用的StratixIII系列EP3SE110F1152C4型號的FPGA。該系列的FPGA是世界上結(jié)合了最佳性能、最大密度和最低功耗的65-nm器件。具有最低的靜態(tài)和動態(tài)功耗，比上一代器件快了25％。Stratix III FPGA系列有33.8萬的邏輯單元（LE）和27萬的寄存器、擁有17.2Mb的600MHz內(nèi)存和896個18x18的乘法器。Stratix III FPCA支持40多個I／O接口標準，支持高速內(nèi)核以及高速I／O，已實現(xiàn)400 MHz DDR3，并且具有業(yè)界最佳的信號完整性。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖

A／D轉(zhuǎn)換是進行數(shù)字化處理的前提，其性能直接影響接收機的整體性能。其性能指標主要有采樣速率和分辨率。射頻前端輸出信號的中心頻率為720 MHz，帶寬為480 MHz，根據(jù)帶通采樣定理，所需A／D器件的采樣速率應(yīng)為960 MHz。要想得到大動態(tài)范圍的接收機，所需A／D器件的分辨率應(yīng)越小越好，即輸出數(shù)據(jù)位數(shù)越多越好。綜合以上兩點選用了ADC10D1000。

為了給ADC10D1000提供更穩(wěn)定相噪更好的時鐘信號，該時鐘信號由外部晶振和鎖相環(huán)（LMX2312和VCO190-964）產(chǎn)生。VCO190-964的頻率范圍為951-977 MHz，單端輸出。由FPGA控制LMX2312的工作方式及工作頻率，設(shè)計選用200 kHz為相位監(jiān)測比較頻率，LMX2312通過比較自身時鐘信號與VCO反饋信號產(chǎn)生控制電壓，鎖定VCO的輸出頻率為960 MHz。

ADC10D1000輸入的時鐘信號要求為差分形式，因此要通過變壓器ADTL2-18對VCO輸出信號進行轉(zhuǎn)換，且變壓器輸出端應(yīng)接100 Ω差分阻抗匹配A／D的輸入阻抗。A／D的輸出為LVDS信號，所以在與FPGA連接時要注意100 Ω匹配電阻要靠近FPGA管腳。為保證ADC10D1000的輸出不減

少數(shù)據(jù)吞吐率，設(shè)計采用內(nèi)部1：2Demux增加數(shù)據(jù)寬度的方法，即同時并行輸出2組10位采樣數(shù)據(jù)，及DDR模式在時鐘上升沿和下降沿均輸出數(shù)據(jù)的方法降低了時鐘速率，使輸出時鐘頻率降為時鐘信號960 MHz的1／4，即240 MHz。

為了在調(diào)試時，可以很方便地修改FPGA內(nèi)部判定信號的幅度閾值，不用等待FPGA長時間的編譯過程，在設(shè)計中加入DSP。DSP還可以校正相位差編碼，確立相位差的零點。