基于FPGA的軟件無線電可編程DDC的設計

　　近年來，軟件無線電已經(jīng)成為通信領域一個新的發(fā)展方向，數(shù)字下變頻技術(DIGItal Down CONverter-DDC)是軟件無線電的核心技術之一，也是計算量最大的部分，一般通過FPGA或?qū)Ｓ眯酒扔布崿F(xiàn)。

　　現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是一種由用戶自行配置的高密度專用數(shù)字集成芯片，具有小型化、低功耗、可編程、數(shù)字化和快速方便實用的特點。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，在各種軟件無線電產(chǎn)品中得到了廣泛的應用。

　　本文設計和實現(xiàn)了基于FPGA的可編程DDC(DDC)，用于寬帶數(shù)字中頻軟件無線電接收機中，完成數(shù)字下變頻、數(shù)據(jù)抽取等功能。采用自頂向下的模塊化設計方法，將整個DDC劃分為基本單元，實現(xiàn)這些功能模塊并組成模塊庫。在具體應用時，優(yōu)化配置各個模塊來滿足具體無線通信系統(tǒng)性能的要求。

　　DDC由數(shù)控振蕩器(NCO)、數(shù)字混頻器和積分清洗濾波器三部分組成，如圖1所示。從原理上比較，DDC和模擬下變頻器是一致的，都是輸入信號與本地振蕩信號混頻，然后經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得到基帶信號。

　　1 DDC的設計

　　1.1 數(shù)控振蕩器的設計

　　NCO是DDC中的重要組成部分，NCO的目標是產(chǎn)生頻率可變的正交正、余弦樣本信號。NCO產(chǎn)生正弦波樣本通?？刹捎貌楸矸?。即通過輸入的相位數(shù)據(jù)來尋址查表以輸出相應的正弦波幅值。如圖2所示，碼發(fā)生器由相位累加器和查找表構(gòu)成。累加器按已定的步長進行累加，在每個參考時鐘周期累加，并將結(jié)果存入寄存器。當結(jié)果溢出時重復執(zhí)行，累加的過程可以看作NCO輸出頻率的周期。使用查找表選擇相應的SIN和COS值輸出。若使用字長為N位寬的累加器，對于某一頻率控制字A，輸出頻率fout與輸入頻率控制字A的關系為：

　　其中，fclk為系統(tǒng)時鐘。只要改變控制字A的大小，就可以控制輸出頻率fout。fout變化的最小步長△f由累加器的數(shù)據(jù)寬度決定。即：

　　1.2 數(shù)字混頻器和積分清洗濾波器的設計及實現(xiàn)

　　在本設計中，全部過程均采用數(shù)字化處理，DDC由一對載波混頻器和一對積分清洗濾波器組成。載波混頻器主要用來實現(xiàn)下變頻，積分清洗濾波器用來去掉高頻分量，數(shù)據(jù)信息通過監(jiān)測相鄰兩個符號時間內(nèi)的相位變化來解調(diào)數(shù)據(jù)。兩路信號在經(jīng)過積分清洗濾波器后，輸出信號的函數(shù)形式仍然不變，只是信號的幅值發(fā)生了變化。

　　由于利用FPGA設計時，采用的是數(shù)字化的解調(diào)過程，因此在用VHDL實現(xiàn)時，需要將送過來的基于比特數(shù)據(jù)類型的位矢量先轉(zhuǎn)化為有符號數(shù)，然后再進行數(shù)字運算，運算過程結(jié)束后，再將其轉(zhuǎn)化為位矢量以便于進行信號的傳輸。兩個載波混頻器的輸入信號為前端送來的2比特的采樣數(shù)據(jù)，取值分別為±1和±3，其中，“00”代表‘1’，“01”代表‘3’，“10”代表‘-1’，“11”代表‘-3’，同樣，本地載波取值±1，±3，這樣經(jīng)過載波混頻后得到了±1、±3、±9等6個值。將這6個值用三位二進制數(shù)表示，高位為符號位，0表示正，1表示負，低位為數(shù)據(jù)位00、01、10分別代表1、3、9。所以載波混頻器比較簡單，用簡單的門電路就可以實現(xiàn)，圖3為混頻器的綜合圖。對于本系統(tǒng)來說，雖然載波NCO的輸出不是一個方波，但對整體設計沒什么影響。

　　在實現(xiàn)積分清洗濾波時，采取了前后兩個樣點相加(基于主時鐘mainclk)，然后由chip時鐘(chipclk)進行抽樣輸出。這樣做可以回避低通濾波器的同步問題。因為如果采取累加10次(Tchip=10Tmain)然后輸出累加量方式的話，需要準確確定Iout和Qout的chip同步點，這樣才能恢復出正確的基帶信號。因此接收進來的QPSK信號經(jīng)過下變頻和低通濾波后的波形如圖5中的i out和q out所示。

　　2 DDC的系統(tǒng)仿真

　　通過VHDL語言編寫NCO模塊，其在Modelsim中的仿真如圖4所示。

　　其中：clk為基準時鐘信號;i和q分別為sin、cos兩路載波輸出;carr clock為載波周期時鐘，用來記錄載波周期個數(shù);load p為裝載初始相位有效信號;p_init為初始相位值;fctrl為頻率控制字。本設計用的是全局時鐘作為工作時鐘，所以雖然載波NCO的輸出不是一個方波，但對整體設計沒什么影響，本地載波在一個周期內(nèi)有4個相位，輸出為系統(tǒng)時鐘的分頻信號。

　　圖5是數(shù)字混頻器仿真圖，其中，sAMPle in為接收到的信號，本文中用偽隨機碼;sin in、cos in為輸入的兩路載波信號;i out、q out為輸出結(jié)果。

　　3 結(jié)論

　　本文所設計的簡單DDC系統(tǒng)可以完成基本的下變頻功能，適用于各種需要進行下變頻的場合。并可免去使用專業(yè)DDC芯片的麻煩，有效實現(xiàn)所期望的功能。程序設計和實驗表明，將接收進來的經(jīng)過采樣量化的數(shù)字中頻信號進行數(shù)字式下變頻在單片F(xiàn)PGA中完成是完全可行的。