基于FPGA的導(dǎo)航抗干擾接收機(jī)數(shù)字變頻的實(shí)現(xiàn)

摘要 根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)、頻率特征設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)中，基于軟件無(wú)線電的上下變頻模塊。根據(jù)系統(tǒng)的A/D采樣頻率與轉(zhuǎn)換位數(shù)、阻帶衰減要求、頻率選擇性、增益，輸入輸出頻率在Matlab中建模。確定了DDC和DUC的設(shè)計(jì)方案，并在硬件上實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)是NCO和濾波器組設(shè)計(jì)，包括梳狀濾波器、半帶濾波器和補(bǔ)償濾波器。構(gòu)建完成系統(tǒng)后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

導(dǎo)航接收機(jī)作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要組成部分，是市場(chǎng)大規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化的核心環(huán)節(jié)。研究導(dǎo)航接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)建設(shè)我國(guó)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)有具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，對(duì)用戶端接收機(jī)、拓寬應(yīng)用范圍是GNSS研究的熱點(diǎn)。同時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)弱、易受干擾會(huì)直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在復(fù)雜干擾環(huán)境下發(fā)揮的作用。因此需研制具有抗干擾能力的接收系統(tǒng)。本文主要根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)、頻率特征設(shè)計(jì)了導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)中基于軟件無(wú)線電的上下變頻模塊。

1 DDC和DUC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)航抗干擾系統(tǒng)中的數(shù)字接收機(jī)所采用的是數(shù)字混頻正交變換，但該方法在高采樣率時(shí)，混頻后端的濾波器需要較高的濾波器階數(shù)，對(duì)硬件資源的要求高，導(dǎo)致使用資源過(guò)多、功耗過(guò)大等問(wèn)題。因此在實(shí)際的上下變頻技術(shù)應(yīng)用中，多速率信號(hào)處理濾波器組常選擇CIC積分梳狀濾波器級(jí)聯(lián)HB半帶濾波器、級(jí)聯(lián)補(bǔ)償FIR濾波器的組合結(jié)構(gòu)，來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

開(kāi)發(fā)工具采用Xilinx公司的ISE，芯片采用Xilinx公司的FPGA—spantan3E。數(shù)字中頻信號(hào)中心頻率為70 MHz，帶寬為20 MHz，采樣率為90 MHz，濾波器阻帶衰減60 dB。下變頻中，經(jīng)NCO提供的20 MHz本振信號(hào)混頻到零頻上，完成4倍的抽取。上變頻經(jīng)過(guò)4倍插值，混頻到70 MHz中頻上，采樣率由22.5 MHz升至90 MHz。

1.2 建立DDC和DUC設(shè)計(jì)方案

首先在Matlab中進(jìn)行建模，確定濾波器組參數(shù)，包括濾波器級(jí)數(shù)、系數(shù)等。濾波器組方案采用2倍多級(jí)CIC濾波器抽取，級(jí)聯(lián)2級(jí)抽取半帶濾波器，最后級(jí)聯(lián)多級(jí)補(bǔ)償FIR濾波器。由此確定半帶濾波器和補(bǔ)償濾波器的系數(shù)和級(jí)數(shù)，幅頻特性如圖1所示。

由此可得出設(shè)計(jì)的數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括數(shù)控振蕩器NCO模塊、數(shù)字混頻器模塊、CIC濾波器模塊、HB半帶濾波器模塊和FIR補(bǔ)償濾波器模塊。數(shù)字上變頻結(jié)構(gòu)是數(shù)字下變頻的逆過(guò)程，兩者的工作原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)互相對(duì)應(yīng)。

1.3 DDS的設(shè)計(jì)

為避免使用大容量存儲(chǔ)器，可以考慮利用算法來(lái)產(chǎn)生正余弦樣本。CORDIC算法是一種基于矢量旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)計(jì)算方法。該算法的基本思想是通過(guò)一系列固定的、與運(yùn)算技術(shù)相關(guān)的角度不斷偏擺以逼近所需的旋轉(zhuǎn)角度。它有線性的收斂域和序列的特性，只要迭代次數(shù)足夠，即可保證結(jié)果有足夠的精度。當(dāng)輸入90MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘，步進(jìn)字設(shè)為954 437 176(十進(jìn)制)，將輸出2 MHz的正余弦離散波形，圖3所示為DDS模塊在Modelsim中仿真結(jié)果。

與使用ROM查找表法相比，CORDIC算法產(chǎn)生DDS的優(yōu)勢(shì)有：(1)所有運(yùn)算都可通過(guò)移位和加減運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，無(wú)需耗費(fèi)硬件乘法器資源，易于實(shí)現(xiàn)。(2)可使用循環(huán)迭代方法，節(jié)約硬件資源。(3)可通過(guò)流水線法，提高工作頻率。

1.4 濾波器組的設(shè)計(jì)

CIC濾波器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有乘法器，只有加法器，積分器和寄存器，適合工作在高采樣率。而且，CIC濾波器是一種基于零極點(diǎn)相消的FIR濾波器，實(shí)現(xiàn)上減少了復(fù)雜度與資源消耗，已被證明是在高速抽取或插值系統(tǒng)中的有效單元。

單級(jí)CIC濾波器的傳遞函數(shù)為

單級(jí)CIC濾波器旁瓣電平較大、阻帶衰減較差、降低旁瓣電平，可以采用多級(jí)CIC濾波器級(jí)聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)Matlab建模要達(dá)到60 dB阻帶抑制比，需要5級(jí)級(jí)聯(lián)。此時(shí)，阻帶衰減為單級(jí)衰減(13.36 dB)的5倍。由CIC濾波器的傳遞函數(shù)，使用Verilog語(yǔ)言即可寫出一個(gè)5級(jí)、抽取率為2的CIC抽取濾波器和CIC插值濾波器，都由5級(jí)積分器和梳狀器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。但在用FPGA實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，Integrator模塊里，會(huì)出現(xiàn)溢出問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中為防止數(shù)據(jù)溢出，必須相應(yīng)地?cái)U(kuò)大數(shù)據(jù)的位數(shù)，以減少誤差。有相應(yīng)公式，內(nèi)部運(yùn)算單元寬度

REG_WIDTH=L+Nlog2(DM) (2)

其中，L為數(shù)據(jù)寬度;D為抽取因子;M為差分延遲。

半帶濾波器的本質(zhì)是FIR濾波器，只是有1/2的系數(shù)為0，其實(shí)現(xiàn)結(jié)果與傳統(tǒng)的FIR濾波器基本相同，將為零的系數(shù)通過(guò)延遲單元實(shí)現(xiàn)，同等條件下復(fù)雜度更低。因此，在實(shí)現(xiàn)時(shí)也可通過(guò)FIR Compiler IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)Matlab建模的結(jié)果，生成定點(diǎn)量化的半帶濾波器系數(shù)，并寫入磁盤，生成coe文件，然后再加載到FIR Complier配置界面中。

在ISE13.1中FIR濾波器的IPCore是FIR Complier，其功能強(qiáng)大，對(duì)于半帶的抽取、內(nèi)插、希爾伯特變換等都能完成，其結(jié)構(gòu)包含乘加結(jié)構(gòu)和分布結(jié)構(gòu)。

補(bǔ)償濾波器是針對(duì)CIC濾波器而設(shè)計(jì)的，因?yàn)镃IC濾波器并不具備一個(gè)平的、寬的通帶，而多級(jí)CIC濾波器會(huì)加劇通帶的這種不平坦，所以為了修正通帶內(nèi)的衰減，可以通過(guò)級(jí)聯(lián)一個(gè)FIR濾波器對(duì)其幅度響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。這個(gè)FIR濾波器的幅度響應(yīng)取CIC幅度響應(yīng)的倒數(shù)時(shí)，正好可以修正多級(jí)CIC濾波器的通帶上的迅速衰降，在擴(kuò)展其通帶帶寬的同時(shí)提高了阻帶衰減。則補(bǔ)償FIR濾波器的幅值響應(yīng)公式為

由此產(chǎn)生FIR濾波器系數(shù)，并由FIR Complier生成。

2 系統(tǒng)的集成與驗(yàn)證

2.1 下變頻

系統(tǒng)中的各個(gè)模塊包括數(shù)控振蕩器模塊、5級(jí)級(jí)聯(lián)的CIC抽取與內(nèi)插濾波器模塊、半帶抽取與內(nèi)插濾波器模塊和FIR補(bǔ)償濾波器模塊。最后通過(guò)編寫頂層文件，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的互聯(lián)，以最終集成導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)中DUC和DDC的功能。

首先在Matlab中產(chǎn)生一個(gè)帶寬為20 MHz;中心頻率為70 MHz;頻譜為矩形的信號(hào)，以fs=90 MHz的頻率采樣，則其頻譜將在f軸上以fs為周期延拓，原本在70 MHz的頻率上產(chǎn)生的帶寬為20 MHz的中頻信號(hào)則會(huì)向左以fs的頻率進(jìn)行周期延拓，并在最靠近零頻的負(fù)頻率軸上產(chǎn)生中心頻率為-20 MHz的一個(gè)副本。同時(shí)由于信號(hào)為實(shí)信號(hào)，將產(chǎn)生-20 MHz與20 MHz上的兩個(gè)副本，信號(hào)的頻譜如圖4所示。

產(chǎn)生16 384個(gè)采樣點(diǎn)，將這些數(shù)值歸一化并轉(zhuǎn)換為4位16進(jìn)制數(shù)值，導(dǎo)入DDC的Testbech中，可驗(yàn)證DDC模塊的功能與正確性。如圖5所示為Modelsim中的仿真結(jié)果，DIN為輸入信號(hào)，DOUT_Q與DOUT_I為DDC模塊的輸出信號(hào)，分別為正交分量和同相分量，其輸出速率降低了75%。

將4 096個(gè)同相分量數(shù)據(jù)和4 096個(gè)正交分量數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行頻譜分析。可觀察到輸入頻譜為矩形的信號(hào)，經(jīng)過(guò)DDC后其波形和頻譜如圖6所示。將輸入波形與頻譜對(duì)比，可以看到，其通帶平坦度與阻帶衰減良好，符合預(yù)期。

2.2 上變頻

將DDC的輸出信號(hào)輸入DUC模塊中，可對(duì)數(shù)字上變頻模塊進(jìn)行驗(yàn)證，信號(hào)速率為22.5 MHz，帶寬20 MHz，頻譜如圖6所示。

將DDC輸出的4 096個(gè)數(shù)據(jù)歸一化并轉(zhuǎn)換為4位16進(jìn)制數(shù)值，導(dǎo)入DUC的Testbech中。圖7為DUC模塊對(duì)采樣率為22.5 MHz，帶寬20 MHz的基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字上變頻的結(jié)果。

將16 384個(gè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行頻譜分析。可觀察到輸入頻譜為矩形信號(hào)，經(jīng)過(guò)DUC后其波形和頻譜如圖8所示。

上變頻后數(shù)據(jù)速率上升到90 MHz，以70 MHz的采樣率進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)周期延拓后，中心頻率在20 MHz上。將輸入波形與頻譜對(duì)比，數(shù)字上變頻設(shè)計(jì)的結(jié)果符合設(shè)計(jì)期望。

在資源使用上，芯片Spantan3s1600e可以滿足資源需求。其資源占用率如表1所示。

可以看到，Slice的數(shù)據(jù)在50%～70%之間。此時(shí)，可以最大限度地發(fā)揮芯片的性能，也為以后的平臺(tái)拓展留下空間。從上述數(shù)據(jù)可以看出，Xilinx芯片的資源利用率是可行的。

2 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)中的上下變頻模塊。介紹了FPGA芯片的選擇以及集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。并依據(jù)導(dǎo)航抗干擾接收系統(tǒng)的各種參數(shù)，對(duì)濾波器組仿真并建模，對(duì)DUC DDC中每個(gè)模塊的FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)及功能仿真，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的集成驗(yàn)證，證明結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，基于FPGA的數(shù)字變頻系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛、通用性高、修改參數(shù)方便、資源使用率較少，可用于通信、信號(hào)處理等相關(guān)領(lǐng)域移植。