基于FPGA的數(shù)字下變頻設(shè)計
摘要:數(shù)字下變頻(Digital Down Converter or DDC)是軟件無線電的核心技術(shù)之一,本文首先介紹了數(shù)字下變頻的原理,然后主要討論了基于FPGA的數(shù)字下變頻實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),在Xilinx公司ISE10.1開發(fā)環(huán)境下,通過編寫Verilog程序和調(diào)用IP核相結(jié)合的方式研究了數(shù)字下變頻的FPGA實(shí)現(xiàn)方法,通過FPGA芯片Virtex-5 XC5VLX110T設(shè)計實(shí)現(xiàn)了數(shù)字下變頻器,并用Modelsim對各個模塊和整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,各個模塊和整個系統(tǒng)都能按要求工作,從而驗(yàn)證了FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻的正確性。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/135905.htm引言
軟件無線電是目前和未來無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),其核心思想就是讓數(shù)字化處理盡量地靠近天線,從而將更多的處理通過數(shù)字的方式完成。軟件無線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和全面的可編程性。由于目前硬件還不成熟,不能實(shí)現(xiàn)理想的軟件無線電,通常采用折衷的帶通采樣的軟件無線電結(jié)構(gòu)。因此,數(shù)字下變頻技術(shù)在這種形勢下應(yīng)運(yùn)而生,所以研究數(shù)字下變頻技術(shù)具有非常重要的意義。
數(shù)字下變頻是軟件無線電系統(tǒng)的重要組成部分,主要完成對信號的混頻、濾波、抽取和整形等工作,包括數(shù)字混頻模塊和抽取濾波模塊。在數(shù)字下變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中,輸入的模擬中頻信號經(jīng)過高速A/D采樣數(shù)字化后與數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的正交本振信號進(jìn)行混頻,然后再由抽取濾波模塊進(jìn)行處理,以輸出低速的低頻或基帶信號?,F(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array-FPGA)是一種由用戶自行配置專用數(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(yīng)用。
數(shù)字下變頻器結(jié)構(gòu)
數(shù)字下變頻由數(shù)控震蕩器(NCO),數(shù)字混頻器,濾波器組組成,射頻信號經(jīng)過下變頻成模擬中頻信號,模擬中頻信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號,NCO產(chǎn)生的兩路正交序列信號與數(shù)字中頻信號相乘,將數(shù)字中頻信號變?yōu)榱说皖l基帶信號,經(jīng)過濾波器組的抽取,濾波及整形后輸出低頻低速率的基帶信號送給后端的DSP處理器進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。這里的濾波器組由5級5倍抽取CIC濾波器、2倍抽取HB濾波器、FIR單倍濾波器組成。
數(shù)字下變頻器的FPGA實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計選用Xilinx公司的Virtex-5 XC5VLX110T的FPGA開發(fā)系統(tǒng),結(jié)合MATLAB預(yù)先對濾波器的指標(biāo)進(jìn)行仿真,然后在Xilinx公司的集成開發(fā)環(huán)境ISE10.1中進(jìn)行Verilog語言編程和IP核的調(diào)用,并結(jié)合Mentor的子公司Model Tech出品的Modelsim進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。
NCO的FPGA設(shè)計
數(shù)控震蕩器(NCO)的作用是產(chǎn)生兩路正交序列信號與中頻信號混頻,其設(shè)計的好壞直接關(guān)系到數(shù)字下變頻的性能,目前NCO的設(shè)計有查表法,CORDIC算法,以及重采樣法,本文采用基于查找法的DDS進(jìn)行設(shè)計,通過ISE平臺調(diào)用IP core的辦法完成NCO設(shè)計,該本辦法快速,可操作性強(qiáng)。
設(shè)為DDS的輸出頻率,為輸入信號的采樣頻率,N為相位累加器的字長,則輸出信號頻率與頻率控制字M的關(guān)系為:
當(dāng)M為1時,上式代表DDS的輸出頻率分辨率,即:
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