高性能數(shù)字接收機(jī)FPGA設(shè)計(jì)

　　摘要：基于Xilinx FPGA設(shè)計(jì)出一種高性能數(shù)字接收機(jī)。該數(shù)字接收機(jī)由高速、高分辨率A/D和高性能FPGA構(gòu)成。高速A/D實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字化，高性能FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻、數(shù)字多相濾波、半帶抽取、匹配濾波和位同步功能，使得中頻載波為153.6MHz的TD-SCDMA信號，下變頻-抽取-濾波-位同步后得到高質(zhì)量的采樣率為1.28MHz的基帶信號。在中頻放大器工作時(shí)，接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到84dB，即A/D有效分辨率到13bit，EVM小于1%，滿足TD-SCDMA綜測儀的測試用例要求。

　　引言

　　軟件無線電是近些年在移動(dòng)通信領(lǐng)域中流行的一種通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)?；舅枷胧牵河密浖O(shè)計(jì)的方法構(gòu)造一個(gè)開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的通用平臺，設(shè)計(jì)出具有高度靈活性、開放性的移動(dòng)通信系統(tǒng)。

　　基于軟件無線電的設(shè)計(jì)思想，數(shù)字接收機(jī)是根據(jù)奈奎斯特帶通采樣定理(欠采樣原理)利用A/D轉(zhuǎn)換器將中頻(IF)信號數(shù)字化，并在數(shù)字域中采用IQ正交下變頻方法將載波信號移除，得到高采樣率的零中頻基帶信號，再經(jīng)過多級濾波、抽取(下采樣)、匹配濾波、位同步等步驟將調(diào)制信號的采樣率降到合適水平給后級處理，以減輕DSP數(shù)據(jù)吞吐量的壓力。

　　本設(shè)計(jì)來源于國家科技重大專項(xiàng)“三模綜測儀”子項(xiàng)目開發(fā)的TD-SCSMA部分;該數(shù)字接收機(jī)主要完成目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的多速率變換，采樣率從122.88MHz降低到1.28MHz，線性動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于84dB，IQ兩路信號帶寬為1.6MHz。

　　電路設(shè)計(jì)

　　數(shù)字接收機(jī)架構(gòu)

　　由于FPGA(XC5VSX95T)具備高速并行計(jì)算優(yōu)勢，數(shù)字接收機(jī)方案設(shè)計(jì)通常由A/D轉(zhuǎn)換器+高性能FPGA+DSP構(gòu)成。接收通道原理框圖如圖1所示。　　

 

　　移動(dòng)終端的射頻范圍覆蓋1800MHz~2400MHz，射頻信號與本振信號混頻后，經(jīng)過濾波轉(zhuǎn)變成固定載波頻率的153.6MHz中頻信號。根據(jù)帶通采樣定理，A/D以122.88MHz時(shí)鐘對153.6MHz中頻信號進(jìn)行采樣、量化、編碼，數(shù)字化后的信號以122.88Msps速率傳輸給FPGA。最后在FPGA中實(shí)現(xiàn)30.72MHz的NCO與A/D發(fā)送的信號混頻以得到零中頻基帶信號，此時(shí)，數(shù)據(jù)的采樣率仍很高，需要進(jìn)行多速率抽取濾波轉(zhuǎn)換、最佳采樣點(diǎn)的判斷和位同步處理。

　　數(shù)字下變頻原理

　　根據(jù)奈奎斯特帶通采樣(欠采樣)定理的公式：
           

　　其中，F(xiàn)s表示A/D采樣頻率，F(xiàn)c表示載波中頻頻率，B表示信號帶寬。