一种新型直接抽取算法的数字下变频设计

基于System Generator 的数字下变频设计陈蕾，姚远程（西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010）摘要：Xilinx 公司推出的DSP 设计开发工具System Generator 是在Matlab 环境中进行建模，是DSP 高层系统设计与Xilinx FPGA 之间实现的“桥梁”。

在分析了FPGA 传统级设计方法的基础上，提出了基于System Generator 的系统级设计新方法，并应用新方法设计验证了一套数字下变频系统，通过仿真和实验结果验证了该方法的有效性和准确性。

关键词：数字下变频；多级抽取滤波；System Generator ；FPGA 中图分类号：TN911.72文献标识码：A文章编号：1674－6236（2012）24-0074-05Design of digital down -conversion based on the System GeneratorCHEN Lei ，YAO Yuan -cheng（School of Information Engineering ，Southwest University of Science and Technology ，Mianyang 621010，China ）Abstract:The System Generator for DSP ，developed by Xilinx company ，is a design development tool under the Matlab modeling environment.And it is the bridge between DSP high_level system design and Xilinx FPGA.Through the System Generator for DSP ，the DSP designers do not need to master VHDL hardware description language .With the analysis of the traditional FPGA design methods ，this paper proposed a system design method based on the System Generator tools ，Using System Generator ，the paper implements the digital down convert system ，and the simulation results indicates that the System Generator has a significant advantage in FPGA design.Key words:digital down conversion ；multistage extraction filtering ；System Generator ；FPGA收稿日期：2012-08-16稿件编号：201208070作者简介：陈蕾（1987—），女，四川绵阳人，硕士研究生。

数字接收机中基于TMS320C6416的数字下变频技术摘要: 数字下变频数字下变频是中频数字接收机数字接收机的关键技术之一，适用于高采样率、大带宽场合的数字下变频器下变频器，可由多DSP处理机来实现。

通过实验证明这种下变频器可以满足某雷达对抗侦察数字接收机实时数字下变频的需要。

关键词: 数字接收机数字下变频 DSP中频数字接收机常通过数字下变频技术降低采样数据率，减轻后续信号处理的压力。

数字下变频器有多种芯片可供选择，如Harris公司和Gray-Chip公司的产品。

然而这些器件无法满足雷达对抗侦察数字接收机高采样频率采样频率、大带宽的需要，必须针对这一特点研制基于多DSP的数字下变频器。

本文以某雷达对抗侦察数字接收机为例，介绍一种基于TI 公司的DSP TMS320C6416的数字下变频器。

1 数字下变频的基本原理数字下变频的基本原理见图1。

经A/D变换后的中频信号通过两个乘法器构成混频器，产生I、Q两路信号再通过低通滤波、抽取输出降低了采样频率的基带信号。

以某种数字接收机为例，其中频频率fc=200MHz，中频带宽B=20MHz，中频采样频率fs=500MHz，下变频时可以直接将中频频率变到0，也就是令图1中的f0=fc，此时位于中频带宽内对称于中频频率的信号频谱分量将发生混叠。

为避免这种现象可将中频下变频到一个较低的频率而不是0，设f0=190MHz，则下变频后的信号位于0～20MHz，通过低通滤波10倍抽取，相当于对变频后的信号以50MHz的采样频率采样。

利用DSP实现数字下变频的第一步是选择能满足上述数据处理要求的DSP。

对于混频运算，由于采样频率为500MHz，为实现实时处理则要求DSP至少具有500MIPS的处理能力处理能力，同时考虑到后续滤波抽取运算的需要，选用TI公司的高性能DSP芯片TMS320C6416。

2 TMS320C6416芯片的性能特点TMS320C6416是TI公司最新推出的高性能定点DSP，其时钟频率可达600MHz，最高处理能力为4800 MIPS，软件与C62X完全兼容，采用先进的甚长指令结构(VLIW)的DSP内核有6个ALU(32/40bit)，每个时钟周期可以执行8条指令，所有指令都可以条件执行。

数字下变频正交度
数字下变频中的正交度是指通过数字混频技术，将输入信号与本振信号混合，得到两路正交信号，分别称为同相（I）信号和正交（Q）信号。

数字下变频的正交度越高，信号的质量越好，抗干扰能力越强。

数字下变频的正交度主要受混频算法和滤波器设计的影响。

传统的数字下变频算法通常采用直接混频的方式，将输入信号与本振信号直接混合，然后通过滤波器滤波得到IQ两路信号。

这种方法的优点是实现简单，但运算量较大，对运算资源要求较高。

为了降低运算量，可以采用多相滤波的方式进行改善。

多相滤波本质上是采用抽取的方式，利用多个低阶FIR滤波器来代替一个高阶FIR滤波器，从而达到降低运算量的效果。

数字下变频技术在通信、雷达、电子对抗等领域中得到了广泛应用。

提高数字下变频的正交度对于提高系统的性能和可靠性具有重要意义。

第30卷　第5期2007年10月电子器件Ch inese Jou r nal Of Elect ro n DevicesVol.30　No.5Oct.2007Design of Eff icient Digital Dow n 2Conver t ing A lgor ithmZ H U Yon g ,FA N G S hen g 2li(Ni ngbo Insti t ute of Technol ogy ,Zhej i ang Uni versit y ,Ni ngbo Zhej i ang 315100,Chi na)Abstract :Di gi tal D own 2Conversion(DDC)i s an algori t hm ,used t o lower t he amount of sampl es per second and t ransfer frequency.It ’s a important part of soft wa re 2radio t echnology.DDC al gorit hm is mai nly consi st of decimator a nd FIR.According to t he freque ncy t ra nsf er cha racteri stic of DDC ,Cosi ne fil ter is fi rst ly fo unded w hi ch suit s for t he request of DDC.By t he met hod of sharpening ,t he limit ation of Cosi ne fi lte r is re moved.The comparison bet ween t he f requency re spo nse before a nd aft er sharpened shows new DDC al 2gori t hm is effici ent.K ey w or ds :di gi tal down 2co nverti ng ;cosine filt er ;decrea se of passband;sharpe ni ng EEACC :7220高效数字下变频算法的设计朱　勇,范胜利(浙江大学宁波理工学院,浙江宁波315100)收稿日期62826作者简介朱　勇(82),男,教师,助教,硕士研究生,主要研究方向为软件无线电,@;范胜利(2),男,教师,助教,硕士研究生,主要研究方向信号采集摘　要:数字下变频作为一种用于频谱搬移以及降低采样速率的方法,是软件无线电技术的重要组成部分.数字下变频算法主要由抽取滤波器以及F IR 滤波器构成.根据下变频频谱变换的特点,首先找到一种符合下变频变换要求的余弦滤波器,根据其存在的不足,通过锐化的方法加以改进.经过分析比较,证明作者所提出的下变频算法是高效可行的.关键词:数字下变频;余弦滤波器;通带衰减;锐化中图分类号:TN 773 文献标识码:A 文章编号:100529490(2007)0521681203 软件无线电是继模拟无线电通信技术、数字无线电通信技术之后的新一代(第三代)无线电通信技术,是计算机技术、微电子技术和通信技术相结合的产物.因此,被认为是通信设备领域的一次大变革.软件无线电的核心是将宽带A/D ,D/A 尽可能靠近天线,用软件实现尽可能多的无线电功能.由此带来的问题是数字信号处理器(DSP )很难实时处理如此高速的数据流,数字下变频技术就显得至关重要[122].数字下变频的基本功能是从输入的宽带高速数据流的数字信号中提取所需的窄带信号,将其下变频为数字基带信号,并转换成较低的数据流.数字下变频经两个相乘器所构成的混频器将输入来的数字信号和混频器产生的正交正弦信号相乘,相乘结果为I 、Q 两路信号;再分别经过抽取滤波器和有限长冲激响应滤波器(F IR)的处理,由这两个滤波器构成的复合滤波器的功能是低通滤波和抽取,其输出是数据流量明显降低了的数字基带信号,再经过格式转换完成输出数据的格式调整,如串行/并行、定点/浮点、实型复数型等格式调整.直接与数字接收、数字解调相结合数字下变频实现中最主要的算法是对有用信号载频的分析、捕获和跟踪[3].图1　简化的数字下变频结构框图:20002:197sin ba nit.n 1979.从结构框图可以看到在整个下变频体系中,抽取滤波器与抽取的工作至关重要,尤其是抽取滤波器的幅频特性决定了抽取后有用信号的完整性,直接影响到误码率的高低,因此设计性能优异的抽取滤波器是下变频技术的主要目标.同时下变频过程中,高抽取率滤波抽取完成大部分的抽取工作,承担了主要的下变频任务,尽量提高其性能是下变频研究的重点.而低抽取率滤波抽取一般采用高性能的半带(HB )滤波抽取,变通改进的余地很小,可以不予考虑.因此本文针对高抽取率滤波器提出了一种高效的下变频算法.在比较多的情况下,级联积分梳状(CIC )滤波器[425]作为一种简单有效的高抽取率滤波器,大量应用于下变频的工作.本文在分析数字下变频的基本模式的基础上,根据CIC 滤波器的特点,找到了一种与其幅频特性相近的抽取滤波器算法,并且针对该算法存在的不足,提出了一种高效率的软件数字下变频的算法和相应的算法分析.1　下变频算法原理与分析针对CIC 滤波器的特点,文献[6]提出的余弦滤波器具有相近的频率特性,以及比较简单的算法复杂度,无疑值得关注.首先考虑如下两个F IR 滤波器H 1(e j ω)和H 2(e j ω),它们的频率响应分别为H 1(e j ω)=0.5e-j2ωNcos (N ω)(1)H 2(e j ω)=0.5e -j2ωNcos 2(N ω)(2)其中:N 是一个正整数.把H 1(e j ω)和H 2(e j ω)相加就得到了一个相位线性、幅频特性呈现振荡的滤波器,N 可用来确定该滤波器的零点出现在ωN整数倍的频率点上.综合起来得到的系统响应为H (z N)=0.125(1+z-2N)(1+z -N)2(3)因此频率响应可以写作H (e j ωN)=0.5e-j2ωN(cos (N ω)+cos 2(N ω))(4)该滤波器频率响应存在高频部分衰减少的不足,通过级联可以加以改进.比如,为了得到抽取率为32的抽取滤波器,需要把N =1,2,3,4的H (e j ωN )串联起来,如图2所示.因此最终得到的余弦滤波器系统响应和幅频特性分别为H cos (z )=∏KN =1H (z N)(5)H cos (e j ω)=∏K N =H (ej ωN)(6)从图可知,余弦滤波器拥有与I 滤波器几乎相同的通带特性,并且具有更高的阻带衰减,更加图2　抽取率为32的CIC 滤波器与余弦滤波器幅频特性的比较优异的幅频特性使得余弦滤波器完全可以用作替代CIC 滤波器来实现下变频的功能.不过与CIC 滤波器相同,余弦滤波器同样具有很宽的过渡带,而有用的通带只占很小的一部分.为了提取这小部分的通带以及清除比较宽的过渡带中的无用信号,在余弦滤波器后面跟随的是半带(HB )滤波器.一般情况下级联的HB 滤波器总的抽取倍数M 小于等于16,也就是跟随0～4个半带(HB)滤波器,这样在余弦滤波器抽取倍数为D 、HB 滤波器抽取倍数为M 的情况下,总的抽取倍数为D ×M ,可以确定有用信号的边界频率ωC =πD M以及最坏情况下混叠频率ωA =2πM-πD M.信号通过抽取滤波器后,要确保0～ωC 范围内的信号不发生显著的畸变,保持有用信号的完整性,而在ωA 处产生极大的衰减,尽量避免混叠的干扰.仅仅使用余弦滤波器来实现抽取滤波必定会造成低抽取率滤波器抽取倍数的增加而引起算法实现的运算量的增加或者是通带内有用信号的畸变,这些影响无疑不利于信号的解调,必须采取有效的方法加以改进.Kai ser 和Ha mmi ng[728]提出的针对滤波器的尖锐化方法可有效减少F IR 滤波器的通带衰减以及过渡带带宽.该方法把通带的补偿与通带的衰减紧密联系起来,得到补偿与衰减成正比的结果.该方法可应用到改善余弦抽取滤波器幅频特性中,在最简单的情况下,改进型滤波器由分别加权的三阶和二阶余弦滤波器组合而成,其系统响应为.H sh (z)=[3-2H cos (z)]H 2co s (z)(7)经过级联后滤波器的幅频响应为|H sh (e jω)|=|3[H cos (e j ω)]2L-2[H cos (e jω)]3L|(8)这里的L 为级联阶数.图3为改进前后余弦波器幅频特性的比较显而易见,锐化后的滤波器通带内衰减更少,过渡带更加陡峭,同时减少了通带内有用信号的畸变以及混2861电　子　器　件第30卷12C C .叠的影响,更加有利于保证抽取后信号的完整性.而且该滤波器由于是对余弦滤波器的线性组合,其相频特性也是线性的.图3　改进前后余弦波器幅频特性的比较接下来假定这个下变频过程总的抽取倍数为128,高抽取率滤波器抽取倍数D =32,低抽取率滤波器抽取倍数M =4,有用信号边界频率ωC =0.0078π,最坏情况下混叠频率ωA =0.0547π.从图4(b )可以看到在处余弦滤波器存在1.2dB 的衰减,也就是出现了将近25%的畸变,而锐化后的余弦滤波器仅仅出现0.1dB 的衰减,因为滤波而造成的影响只有3%.而在图4(c)处两种滤波器都有70dB 以上的衰减,并且锐化后的滤波器衰减得更多.在要求抽取后信号保持几乎不失真的前提下,锐化后的余弦滤波器能够获得大得多的抽取倍数,这样可以大大降低半带滤波器的工作量,从总体上有效减少了实现下变频算法所需的算术单元.(a )改进前后的幅频特性()通带幅频特性 ()截止频率处幅频特性图　改进前后幅频特性的比较假设一个频率为50Hz 的正弦信号,其采样率为3.2ksample/s ,采用改进后的余弦滤波器进行8倍抽取滤波,抽取前后的频谱变化如图5所示,可以看到抽取后信号的采样率降低为原来的1/8,可见上述抽取滤波器是可靠的.(a)滤波、抽取前 (b)滤波、抽取后图5　滤波、抽取前后频谱的比较2　结论余弦滤波器近似于级联积分梳状(C IC )滤波器的幅频特性使得其能够代替后者成为下变频中的高抽取率滤波器,虽然与CIC 滤波器一样存在有用信号衰减快、过渡带过宽的不足,不过通过锐化技术改进后的余弦滤波器明显弥补了这些不足,更加平坦的通带以及更为陡峭的过渡带保证该滤波器能够获得更高的抽取倍数,并因此而降低了高运算量的半带滤波器的级联阶数.该算法的提出对于丰富下变频技术,开展进一步的研究具有现实意义.参考文献:[1]　J oe M.The Soft ware Radio Archit ect ure[J ].IEEE C o mmu.Magazi ne ,33(5):26238,1995.[2]　杨小牛,楼才义等.软件无线电原理与应用[M ].电子工业出版社,2001.[3]　H SP50214B Dat a Sheet [S],Fil e Number 4450.3,Int ersil ,May 2000.[4]　Ho genauer E B.An Eco nom ical Class of Digit al Filt ers fo r Decima 2t ion and Interpolat ion[J ],IEEE Transactions o n Acous t ics ,Speech and S ignal processing ,ASSP 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技术报告软件数字下变频的实现与算法分析李玉柏,彭启琮(电子科技大学通信与信息工程学院,四川成都 610054)摘 要:数字下变频(DDC)技术将宽带大数据流信号变成窄带低数据流信号,以便DSP 实时处理。

本文在分析数字下变频的基本模型基础上,提出了软件数字下变频的一种实现方案,给出了相应的算法和算法分析,以及在数字接收机中的应用。

软件数字下变频比常规DDC 专用芯片有更大的灵活性、适应性和更高的处理中频。

关键词:数字下变频;软件无线电;实时处理;载波恢复中图分类号:TM9191 文献标识码:B 文章编号:1000-436X(2000)10-0044-06Software implementation and algorithm analysis of DDCLI Yu -bai,PENG Q-i cong(Ins titute of Comm 1&info 1Eng 1,UESTC,Chengdu 610054,China)Abstract :Wide band high bi -t rate digital signal can be transformed to narrow band low bi-t rate digi tal signalwi th DDC technology,so can be processed by DSP i n rea-l ti me 1After analysing the model of DDC technology,asoftware implementation methods of DDC,which have more efficiency,more flexibili ty and adaptabili ty than nor -mal DDC ASIC,are presented 1Key words :DDC;sof-t radio;rea-l ti me processing;carrier recovery1 引言软件无线电的基本思想是将宽带A P D 变换尽可能地靠近射频天线[1](即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化),尽量通过软件来实现电台的各种功能。

数字下变频基于FPGA的软件设计与实现【摘要】雷达的数字下变频功能主要是将天线接收到的中频回波信号通过A/D变换后，进行数字下变频处理，转为两路I/Q基带数据。

本文主要设计了一种基于FPGA的数字下变频方法，通过对数字控制振荡器（NCO）及低通滤波器（FIR）的设计及实现，完成了对于不同频率本振信号的数字下变频处理。

结果表明，基于该方案设计的数字下变频功能已在实际系统中得到应用。

【关键词】数字下变频（DDC）；FPGA；数字滤波器【Abstract】The function of DDC is mainly to convert the signal received after A/D conversion by the antenna to Digital Down Convert（DDC），finally into two I/Q baseband data. This paper mainly design a method about Digital Down Conversion based on FPGA，by designing the numerically controlled oscillator （NCO）and a low-pass filter （FIR），to convert different frequency signal with DDC. The results showed that the conversion function has been used in the actual system.【Key words】DDC（Digital Down Convert）；FPGA；FIR Filter0 引言软件无线电是现今无线通信系统的关键技术，其核心思想是让数字化处理功能尽量的靠近天线，从而将更多的处理通过数字的方式完成。

[1]而数字下变频是软件无线电的关键部分，主要完成对信号的AD变换、混频、滤波以及抽取等工作，包括数字混频模块和抽取滤波模块。