基于FPGA的DDC的設(shè)計(jì)

摘要：數(shù)字下變頻技術(shù)是軟件無線電的核心技術(shù)之一。本文首先介紹了DDC的組成結(jié)構(gòu)，然后詳細(xì)分析了DDC各功能模塊的工作原理，通過Modelsim完成了DDC其主要模塊的仿真和調(diào)試，并進(jìn)行初步系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。在仿真的基礎(chǔ)上使用了FPGA開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)測(cè)了DDC的性能。
關(guān)鍵詞：DDC；數(shù)控振蕩器；查表法；數(shù)字混頻器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

0 引言
    近年來，軟件無線電已經(jīng)成為通信領(lǐng)域一個(gè)新的發(fā)展方向，數(shù)字下變頻技術(shù)(Digital Down Converter-DDC)是軟件無線電的核心技術(shù)之一，也是計(jì)算量最大的部分，一般通過FPGA或?qū)Ｓ眯酒扔布?shí)現(xiàn)。
    現(xiàn)場(chǎng)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(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(shè)計(jì)平臺(tái)發(fā)展為重要的信號(hào)處理元件，在各種軟件無線電產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。
    本文設(shè)計(jì)和實(shí)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(jī)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(shè)計(jì)方法，將整個(gè)DDC劃分為基本單元，實(shí)現(xiàn)這些功能模塊并組成模塊庫(kù)。在具體應(yīng)用時(shí)，優(yōu)化配置各個(gè)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(hào)與本地振蕩信號(hào)混頻，然后經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得到基帶信號(hào)。

1 DDC的設(shè)計(jì)
1．1 數(shù)控振蕩器的設(shè)計(jì)
    NCO是DDC中的重要組成部分，NCO的目標(biāo)是產(chǎn)生頻率可變的正交正、余弦樣本信號(hào)。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(yīng)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(zhǎng)進(jìn)行累加，在每個(gè)參考時(shí)鐘周期累加，并將結(jié)果存入寄存器。當(dāng)結(jié)果溢出時(shí)重復(fù)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(yīng)的SIN和COS值輸出。若使用字長(zhǎng)為N位寬的累加器，對(duì)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(guān)系為：
   
其中，fclk為系統(tǒng)時(shí)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(zhǎng)△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(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
   在本設(shè)計(jì)中，全部過程均采用數(shù)字化處理，DDC由一對(duì)載波混頻器和一對(duì)積分清洗濾波器組成。載波混頻器主要用來實(shí)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(cè)相鄰兩個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)的相位變化來解調(diào)數(shù)據(jù)。兩路信號(hào)在經(jīng)過積分清洗濾波器后，輸出信號(hào)的函數(shù)形式仍然不變，只是信號(hào)的幅值發(fā)生了變化。
    由于利用FPGA設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是數(shù)字化的解調(diào)過程，因此在用VHDL實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要將送過來的基于比特?cái)?shù)據(jù)類型的位矢量先轉(zhuǎn)化為有符號(hào)數(shù)，然后再進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，運(yùn)算過程結(jié)束后，再將其轉(zhuǎn)化為位矢量以便于進(jìn)行信號(hào)的傳輸。兩個(gè)載波混頻器的輸入信號(hào)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(gè)值。將這6個(gè)值用三位二進(jìn)制數(shù)表示，高位為符號(hào)位，0表示正，1表示負(fù)，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(jiǎn)單，用簡(jiǎn)單的門電路就可以實(shí)現(xiàn)，圖3為混頻器的綜合圖。對(duì)于本系統(tǒng)來說，雖然載波NCO的輸出不是一個(gè)方波，但對(duì)整體設(shè)計(jì)沒什么影響。

    在實(shí)現(xiàn)積分清洗濾波時(shí)，采取了前后兩個(gè)樣點(diǎn)相加(基于主時(shí)鐘mainclk)，然后由chip時(shí)鐘(chipclk)進(jìn)行抽樣輸出。這樣做可以回避低通濾波器的同步問題。因?yàn)槿绻扇±奂?0次(Tchip=10Tmain)然后輸出累加量方式的話，需要準(zhǔn)確確定Iout和Qout的chip同步點(diǎn)，這樣才能恢復(fù)出正確的基帶信號(hào)。因此接收進(jìn)來的QPSK信號(hào)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(yǔ)言編寫NCO模塊，其在Modelsim中的仿真如圖4所示。

    其中：clk為基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)；i和q分別為sin、cos兩路載波輸出；carr clock為載波周期時(shí)鐘，用來記錄載波周期個(gè)數(shù)；load p為裝載初始相位有效信號(hào)；p_init為初始相位值；fctrl為頻率控制字。本設(shè)計(jì)用的是全局時(shí)鐘作為工作時(shí)鐘，所以雖然載波NCO的輸出不是一個(gè)方波，但對(duì)整體設(shè)計(jì)沒什么影響，本地載波在一個(gè)周期內(nèi)有4個(gè)相位，輸出為系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻信號(hào)。
    圖5是數(shù)字混頻器仿真圖，其中，sample in為接收到的信號(hào)，本文中用偽隨機(jī)碼；sin in、cos in為輸入的兩路載波信號(hào)；i out、q out為輸出結(jié)果。

3 結(jié)論
    本文所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)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(jìn)行下變頻的場(chǎng)合。并可免去使用專業(yè)DDC芯片的麻煩，有效實(shí)現(xiàn)所期望的功能。程序設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)表明，將接收進(jìn)來的經(jīng)過采樣量化的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字式下變頻在單片FPGA中完成是完全可行的。