基于FPGA 的数字中频接收系统

文章编号：1009-8119（2006）01-0043-02基于FPGA的数字中频接收系统赵国栋 郭德淳（北京理工大学信息科学技术学院，北京 100081）摘 要 对基于软件无线电的数字中频接收系统进行了讨论，对基于FPGA的数字下变频模块进行了优化设计，并给出了具体设计方案。关键词 软件无线电，数字中频，数字下变频器，FPGA，DDCDigital Intermediate Frequency Receiving System Based on FPGAZhao Guodong Guo Dechun（School of Information and Science，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081）Abstract In this paper，some techniques in digital intermediate frequency receiving system were introduced。The DDC based on FPGA is studied, and one specific design is given too.Keywords Software radio，Digital intermediate frequency，CIC，FPGA，DDC61 引言软件无线电技术是现代无线电技术领域的一次革命，它不仅是军事研究的课题，而且已成为当前新一代无线通信系统的关键技术。软件无线电的核心思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带A/D转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统1软件无线电技术极大地促进了数字中频接收技术的发展。数字中频接收系统采用宽带中频结构，对信号在中频进行宽带数字化处理，不仅在一定程度上简化了接收机前端电路设计，而且配以后续的数字化处理，具有更好的波形适应性、信号带宽适应性以及可扩展性，是近期最为可行的一种设计方案。2 数字中频接收系统数字中频接收系统的框图如图1所示。ADC数字下变频及抽取滤波DSP+软件中频输入基带信号图1 数字中频接收系统数字中频接收系统是由高速ADC模块、数字下变频及抽取滤波处理模块,以及专用数字信号处理（DSP）模块组成。输入的模拟中频信号先经过高速ADC模块，在中频进行带通采样数字化，然后进行数字下变频，将感兴趣的信号转换至基带，同时做抽样率转换及滤波处理，之后由后续的专用数字信号处理器（DSP）进基带信号处理。中频采样由高速ADC来完成，由于中频数字接收系统是对信号在中频进行数字化，因此选用带通欠采样（相对于载波信号）的方法，用相对较低的采样速率来反映信号的特性，不仅可以大大降低采样速率，同时还可以完成频谱下搬移的过程，在很大程度上减少了后面DSP芯片信号处理的负担。A/D采样之后的数字信号速率非常高，要从这些高速信号中得到有用的基带信号，需要有效地对其进行数字下变频、抽取、滤波等处理，这些功能可以采用现场可编程门阵列（FPGA）来实现。FPGA具有较高的处理速度和较高的稳定性，同时又具有设计灵活、易于修改和维护的优点，可以适应不同的系统的要求，采用灵活的结构满足不同的需要，提高了系统的适用性及可扩展性。专用数字信号处理器（DSP）主要是通过软件来实现数字基带信号处理以及比特流控制、编码解码等高速的数据交换和处理功能。DSP的运算速度和精度决定着系统的数据处理能力，同时也会对整个系统的性能和结构产生重要的影响。在本文所设计的中频数字化接收系统中，输入信号为中频70MHz，带宽2MHz，A/D转换器采用AD公司的AD6645,采样精度14位，采样频率60MHz，数字下变频模块将其转换为正交数字基带信号，并实现10倍抽取，输出的6MHz速率数据送入专用数字信号处理器进行基带数字信号处理。3 基于FPGA的数字下变频及抽取滤波设计数字下变频克服了模拟下变频中存在的混频器的非线性和模拟本振的频率稳定度、边带、相位噪声、温度漂移、转换速率等问题，其频率步进、频率间隔也具有理想的特性，因而得到了广泛应用1。数字下变频原理框图如图2所示。五级CIC滤波器补偿滤波器半带滤波器 图4 多级抽取滤波整体方案抽取滤波抽取滤波NCO图2 数字下变频框图数字下变频由数字混频器、数字控制振荡器（Numerically Controlled OscillatorNCO）、和抽取滤波部分组成。NCO产生的正交本振信号输入到数字混频器与输入信号进行混频，经混频后的信号输出到抽取滤波器以滤除倍频分量和带外信号，并进行抽取处理。3.1 数控振荡器（NCO）数控振荡器（NCO）是决定数字下变频（DDC）的性能的主要因素之一。NCO的目标是产生频率可变的正交正、余弦样本，在FPGA中，NCO采用直接数字频率合成（DDS）的方法来实现，其基本结构如图3所示2。CLK量化正余弦查找表 CLK相位偏置相位累加器图3 NCO实现结构框图NCO由相位累加器、相位加法器和正余弦查找表组成。相位增量通过相位累加器后得到相应的相位信息，每来一个时钟相位就在原来的基础上增加一个相位增量，相位加法器可产生一定的初始相位偏置，对NCO的输出相位进行调整。DDS的输出频率为：，频率分辨率为：，相位增量可由以下公式确定：，其中为相位累加器的位数，为量化截断后的位数。当的取值为固定值时，DDS输出为固定频率信号；当相位增量设为外部输入可变值时相应的DDS的输出可为扫频信号2。本设计所采用的是固定输出频率信号，乘法器的位数是28位，DDS的相位累加器位数是32位，频率分辨率为0.1Hz，查找表地址宽度为12位，正弦值数据位数为16位。3.2 多级抽取滤波器的设计数字混频之后的信号具有很高的数据速率，需要进行降速率抽取处理，要实现无失真的抽取，必须设计高效的抽取滤波器来防止频率混叠。根据本设计中中频数字接收系统的要求，采用3级级联抽取来实现总抽取因子D10的降速率处理，具体方案如下：选取第一级抽取因子,采用五级级联积分梳状（CIC）滤波器实现，CIC滤波器输入数据流的速率为60MHz，输出速率为12MHz；第二级抽取因子，采用补偿滤波器用来对前级CIC滤波器的幅度特性进行补偿；第三级抽取因子D32，用半带滤波器来实现，半带滤波器的输入数据率为12MHz，输出数据率为6MHz。整体方案如图4所示。3.2.1 积分梳状（CIC）滤波器的设计当延迟系数为1时，级联梳状滤波器的频谱的零点出现在处，D为抽取因子。对于CIC抽取滤波器，在零点附近区域会出现混叠带，这些混叠带将被折叠进通带引起混叠。在单级CIC滤波器中，如果信号带宽较窄，且CIC滤波器的幅频响应在处的衰减值足够大，则抽取后在其信号带宽内的混叠可忽略不计。如果单级衰减不满足要求,则可采用级联的方式, 这时的阻带衰减为单级的Q倍,即Q, Q为级数3。CIC 滤波器设计时还应注意，在信号带宽处的幅度不能够下降太多,即在处的衰减不能太大。与阻带衰减相同，Q级CIC滤波器的通带衰减为Q。因此,多级级联虽然可以增大阻带衰减,减小混叠影响,但会增大带内衰减,因此，CIC滤波器的级联数不能过大3。对于本文所讨论的无混叠信号带宽，因此，有：。由式5.1和式5.2得，。由于单级衰减太小，不满足要求，此时可采用5级级联，此时其阻带衰减为，通带衰减为，因此，采用5级级联，其阻带衰减足够满足系统的要求。五级级联CIC滤波器的幅度响应如图5所示。图5 五级级联积分梳状滤波器 3.2.2 补偿滤波器的设计经过5级CIC滤波器的5倍抽取之后，信号的输出采样率为12MHz。在归一化频率为0.3333的频率上，阻带抑制达到69.9dB，满足系统的要求，然而在通带截止频率处，波动系数约为1.93dB，对通带内的信号来说，仍会造成很大的衰减。因此，在第二级抽取中，设计与5级级联CIC滤波器幅度响应相匹配的补偿滤波器，对其幅度响应进行优化补偿，使通带内的衰减和波动达到较好的指标。补偿滤波器的幅度响应如图6所示。 图6 补偿滤波器的幅度响应图6 补偿滤波器的幅度响应经过补偿滤波器（CFIR）的优化补偿之后，在归一化频率为0.0667的频率上的波动系数为0.0792dB，比未补偿前有了很大的改善。3.2.3 半带滤波器的设计经过CIC滤波器的5倍抽取之后，信号的输出采样率为12MHz，此时信号再通过半带滤波器进行第三级抽取。半带滤波器的输入采样频率为12MHz，输出采样率为6MHz，通带宽度，则，这时的采样率是经过前一级后的输出采样频率12MHz。由于在半带滤波器中有关系式，所以阻带截止频率，取通带截止频率，阻带误差容限，即阻带衰减为60dB按以上参数设计半带滤波器，其幅度响应如图7所示。图7 半带滤波器幅度响应4 结束语本文提出了一种基于软件无线电的数字中频接受系统设计方案，构建了一个高速ADC+FPGA+DSP的硬件平台。以此平台为基础，根据系统的要求对数字下变频及多级抽取滤波器进行了优化设计，并通过仿真验证了抽取滤波器的各项指标。本文采用FPGA+DSP的结构，既兼顾了系统的数据处理速度和精度的要求，又发挥了FPGA和DSP设计灵活、易于修改和维护的特点，提高了系统的适用性和扩展性，基本达到了数字中频接收机系统的要求。 参考文献1 杨小牛，楼才义，徐建良软件无线电原理与应用北京：电子工业出版社，2001：12 Digital Down Converter V1.0，Data Sheet. Xlinx，Inc.,2002：53 申东，罗进文数字下变频器中多级抽取滤波器的设计与实现兰州交通大学学报，2004；23（4）我的大学爱情观1、什么是大学爱情：大学是一个相对宽松，时间自由，自己支配的环境，也正因为这样，培植爱情之花最肥沃的土地。大学生恋爱一直是大学校园的热门话题，恋爱和学业也就自然成为了大学生在校期间面对的两个主要问题。恋爱关系处理得好、正确，健康，可以成为学习和事业的催化剂，使人学习努力、成绩上升；恋爱关系处理的不当，不健康，可能分散精力、浪费时间、情绪波动、成绩下降。因此，大学生的恋爱观必须树立在健康之上，并且树立正确的恋爱观是十分有必要的。因此我从下面几方面谈谈自己的对大学爱情观。2、什么是健康的爱情：1) 尊重对方，不显示对爱情的占有欲，不把爱情放第一位，不痴情过分；2) 理解对方，互相关心，互相支持，互相鼓励，并以对方的幸福为自己的满足; 3) 是彼此独立的前提下结合；3、什么是不健康的爱情：1)盲目的约会，忽视了学业;2)过于痴情，一味地要求对方表露爱的情怀，这种爱情常有病态的夸张;3)缺乏体贴怜爱之心，只表现自己强烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大学生处理两人的在爱情观需要三思：1. 不影响学习：大学恋爱可以说是一种必要的经历，学习是大学的基本和主要任务，这两者之间有错综复杂的关系，有的学生因为爱情，过分的忽视了学习，把感情放在第一位；学习的时候就认真的去学，不要去想爱情中的事，谈恋爱的时候用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。2. 有足够的精力：大学生活，说忙也会很忙，但说轻松也是相对会轻松的！大学生恋爱必须合理安排自身的精力，忙于学习的同时不能因为感情的事情分心，不能在学习期间，放弃学习而去谈感情，把握合理的精力，分配好学习和感情。3、 有合理的时间；大学时间可以分为学习和生活时间，合理把握好学习时间和生活时间的“度”很重要；学习的时候，不能分配学习时间去安排两人的在一起的事情，应该以学习为第一；生活时间，两人可以相互谈谈恋爱，用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。5、大学生对爱情需要认识与理解，主要涉及到以下几个方面：（1） 明确学生的主要任务“放弃时间的人，时间也会放弃他。”大学时代是吸纳知识、增长才干的时期。作为当代大学生，要认识到现在的任务是学习学习做人、学习知识、学习为人民服务的本领。在校大学生要集中精力，投入到学习和社会实践中，而不是因把过多的精力、时间用于谈情说爱浪费宝贵的青春年华。因此，明确自己的目标，规划自己的学习道路，合理分配好学习和恋爱的地位。（2） 树林正确的恋爱观提倡志同道合、有默契、相互喜欢的爱情：在恋人的选择上最重要的条件应该是志同道合，思想品德、事业理想和生活情趣等大体一致。摆正爱情与学习、事业的关系：大学生应该把学习、事业放在首位，摆正爱情与学习、事业的关系，不能把宝贵的大学时间，锻炼自身的时间都用于谈情说有爱而放松了学习。 相互理解、相互信任，是一份责任和奉献。爱情是奉献而不时索取，是拥有而不是占有。身边的人与事时刻为我们敲响警钟，不再让悲剧重演。生命只有一次，不会重来，大学生一定要树立正确的爱情观。（3） 发展健康的恋爱行为 在当今大学校园，情侣成双入对已司空见惯。抑制大学生恋爱是不实际的，大学生一定要发展健康的恋爱行为。与恋人多谈谈学习与工作，把恋爱行为限制在社会规范内，不致越轨，要使爱情沿着健康的道路发展。正如马克思所说：“在我看来，真正的爱情是表现在恋人对他的偶像采取含蓄、谦恭甚至羞涩的态度，而绝不是表现在随意流露热情和过早的亲昵。”（4） 爱情不是一件跟风的事儿。很多大学生的爱情实际上是跟风的结果，是看到别人有了爱情，看到别人幸福的样子（注意，只是看上去很美），产生了羊群心理，也就花了大把的时间和精力去寻找爱情（5） 距离才是保持爱情之花常开不败的法宝。爱情到底需要花多少时间，这是一个很大的问题。有的大学生爱情失败，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们在一起的时间太多。相反，很多大学生恋爱成功，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们准确地把握了在一起的时间的多少程度。（6） 爱情不是自我封闭的二人世界。很多人过分的活在两人世界，对身边的同学，身边好友渐渐的失去联系，失去了对话，生活中只有彼此两人；班级活动也不参加，社外活动也不参加，每天除了对方还是对方，这样不利于大学生健康发展，不仅影响学习，影响了自身交际和合作能力。总结：男女之间面对恋爱，首先要摆正好自己的心态，树立自尊、自爱、自强、自重应有的品格，千万不要盲目地追求爱，也不宜过急追求爱，要分清自己的条件是否成熟。要树立正确的恋爱观，明确大学的目的，以学习为第一；规划好大学计划，在不影响学习的条件下，要对恋爱认真，专一，相互鼓励，相互学习，共同进步；认真对待恋爱观，做健康的恋爱；总之，我们大学生要树立正确的恋爱观念，让大学的爱情成为青春记忆里最美的风景，而不是终身的遗憾！