基于FPGA的数字下变频的实现

的一半, 所以一般用在中等输入采样率的第二级。 2 . 2 NCO 的设计 NCO 的输出频率与中频采样频率以及 中频有 关。本设计的数字下变频, 经过 AD 采样后, 离零中 频最近的频率, 即输出频率 96- 92 . 16= 3 . 84 MH z , 实现第一 次搬移。此时 , NCO 只需 将信 号的频 谱 3 . 84MH z 移到 0 MH z , 即变为零中频信号。如图 3 所 示为频谱搬移过程。
The Research of S ignal P rocessing in IF D ig ital Receiver
ZHU Yun- hang , DENG Zhi- hui
(H unan Co llege of Infor ma tion, Changsha 410200, China )
Abstract : B ased on th e discussion of the structure o f dig ita l dow n- conversio n( DDC ) in soft w are radio receiver , T he paper put for w ard a reasonable so lution program of w id e band DDC in FPGA, and prov id es th e who le si m ulat ion result by Dspbu ild er IP core inM atlab . The receiv ing syste m used for base station system in W CDMA m obile comm un icat io n netw ork , w ou ld rea lize the ce ll phone sig nal coverage and transm ission very w el. l K ey w ords: FPGA; S ig na;l Processing; D ig ita; l F ilter 无线电 灵活性 的要求。从图 1 中 我们可 以看 出, FPGA器件兼具了 ASIC 芯片的 高性能和 DSP 器件 的灵活性。同时 FPGA 和 DSP 作为通用器件在工作 速度和处理性能方面, FPGA 器件具有明显的优势。
1 引
言
无线通信的收发系统一般是将射频 RF 信号进 行混频搬移至中频段 IF, 再通过 A /D 变换, 进行数 字化处理。现在器件水平己经可以达到几百兆的采 样率, 所以中频采样是可行的。在中频段的处理主 要包括高速 A /D、 D /A 变换和数字上 /下 变频部分。 中频数字信号, 传输速率仍有几十 MH z。目前 DSP 无论在功能上还是性能上, 还不能完全满足要 求。例 如, 对于 一 个带 宽 为 12 . 5MH z 的 信号 , 以 30MH z的采样速率进行采样 , A /D 输出的数据用一 个性能良好的 F I R 滤波器进行滤波, 即使对每个采 样值进行 100 次运算的话 , 其运算量在 3000 M IPS, 再加上额外开销 , 控制的处理负荷, 要求的处理能力 非常高。而 FPGA 器件具有高效的处理能力 , 它可 以工作在几十甚至上百 MH z的频率上, 足以处理中 频采样输出的宽带通信信号。并且 FPGA 以它的高 逻辑密度、 通用性强和随机可编程等特性 , 适合软件
H (e ) e d
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对 于 本 系 统 的 设 计 指 标, 采 样 频 率 为 92. 16 MH z, 要求 的低 通滤 波 器的 通带 为 - 2 . 5~ 2 . 5 MH z , , 过渡带要求不超过 10MH z 。 2 . 5 DDC 仿真 整体实现方案使用 M atlab 进行仿真, 包括 C IC
图 4 W CDM A 信道宽带数据测试的 DDC 输入功率频谱图
图 5 经过 DDC 的输出功率频谱图 ( 通道 0) [ 2] [ 3] 张欣 . 扩 频通 信数字 基带 信号 处 理算 法及 其 V LSI实 现 [M ] . 北京 : 科学出版社 , 2004. 田耘 , 徐文 波 , 胡 彬 , 等 . X ilinx ISE D esinn Su ite 10. x EPGA 开发指南一逻辑设计 篇 [M ]. 北 京 : 人民 邮电出 版社 , 2008. [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] 高志成 , 肖先 赐 . 宽带数 字下 变频 的种 高效 实现 结构 [ J]. 电子与信息学报 , 2001, 23( 3): 255- 260. 范艳根 . CIC 滤波器的 FPG. A 实现 [ J] . 黑龙 江科技学 院学报 , 2008, 18( 3): 206- 208. 徐姗姗 . 基 于 FPGA 的数 字收发 机信号 处理的 研究与 实现 [ D ] . 武汉 : 武汉理工大学 , 2008. 谢文惠 . 基于 FPGA 的数字下变频 技术的研究 [ D ] . 成 都 : 成都理工大学 , 2007 .
后续不用这么高的数据精度 , 可以进行舍尾截取 , 即 保证输出数据位数为 8b its。 2 . 4 FI R 的设计 在数字下变频器中, F I R 滤波 器主要作用是对 整个信道进行整形滤波, 信号经过 C IC、 H B 滤波器 后, 输入到 F IR 滤波器的采样速率相对来说己经很 低, 因此在一定的处理时钟速率下 , 能够有较高阶的
第 6期 2010年 12月
微
处
理
机
MI CROPRO CE SSOR S
N o. 6 D ec. , 2010
基于 FPGA 的数字下变频的实现
朱运航, 邓知辉
( 湖南信息职业技术学院, 长沙 410200) 摘
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要 : 针对软件无线电接收机中数字下变频的特点 , 提出了一种合理的基于 FPGA 实现宽带
6期
朱运航等 : 基于 FPGA 的数字下变频的实现
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F IR 滤波, 使得滤波器的通带波动、 过渡带带宽、 阻 带最小衰减等指标都能够设计得很好。 这里采用窗函数法设计 F IR 低通滤波器 , 滤波 器是通过调用 X ilinx 提供的 F IR 滤波器的 IP 核来 实现的。该 IP核功能强大 , 支持的抽头系数范围为 2~ 1024 , 位宽为 1~ 32位 , 支持多通道操作 , 并且可 以利用系数的对称性来节省硬件资源。所设计的滤 波器的理想频率响应用 H ( e ) 表示, 单位脉冲响应 可以表示为 : h( n ) = 1 2
基金项目 : 湖南省教育厅资助科研项目 ( 09C1259) 作者简介 : 朱运航 ( 1968- ) , 女 , 湖南双峰人 , 副教授。主研方向 : 集成电路设计与信号处理。 收稿日期 : 2010- 08- 03
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微
处
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机
2010 年
X ilinx 公司推出的 V4 、 V 5 系列嵌 入大量的 X trem e DSP 硬核乘法器。并且 X ilinx 公司提供的 FFT 的 IP 核处理能力也随之提高 , 其输入数据位宽可以达到 32 位 , 并且支持块浮点模式的运算, 可以满足多数 通信系统的指标要求 , 并且使用 FPGA 处理这种数 据量大的运算, 数度快、 并行性好, 大大提高了信号 处理系统的性能。
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图 1 A SIC、 FPGA、 D SP 性能比较
FPGA 芯片有着规整的内部逻辑阵列和丰富的 连线资源 , 适合于处理数字系统的任务。但是长期 以来 , 一直用于系统逻辑或时序控制上 , 很少有信号 处理方面的应用。其原因主要是因为在 FPGA 中缺 乏实现乘加运算的有效结构, 而数字下变频算法中 大量的滤波器中都有乘加算法。近几年随着 FPGA 的性能不断提高, 内部资源越来 越丰富, 尤 其美国
jX
滤波器, NCO 混频器 , 半带滤波器和 SRRC 滤波器。 使用 M atlab 进行仿真时 , 应考虑到各个滤波器的通 带截止频率、 阻带截止频率、 阻带衰减、 使用对称结 构等。使用 dspbuilder 进行系统级仿真时, NCO 的 输出值与数字中频信号通过乘法器进行移频处理得 到零频的信号 , 再通过抽取滤波器进行抽取 , 使采样 率降低, C IC 滤波器的通带内幅度响应一般有较大 的衰减, 要用一个线性相位滤波器来补偿, 而在通带 外, 其频谱形状几乎可任意选择, 只要不会过分放大 带外噪声即可。 三个 独 立 通 道 0 、1 、2 的 中 心 频 率 分 别 为 10 MH、 15MH z和 20 MH z 。 如图 4 所示为一个 通道 的 DDC 输入信号功率频谱图。图 5为经过 DDC 处 理后通道 0 的输出信号功率频谱图。从图中可以看 出, 邻通道泄漏功率比 ACLR 大 80dB。
2 数字下变频的实现
目前网络覆盖理念的核心思想是把传统宏基站 的基带处 理和射 频部分 分离 , 分 成基 带处理 单元 ( BBU )和射频拉远单元 ( RRU ) 两个设备 , 在两者之 间采用光纤连接。而数字收发机是 RRU 设备的核 心部分 , 实现移动通信网中射频信号的传输并使之 符合光纤传输的要求。经过射频前端处理的射频信
3 总
结
根据数字下变频 整体方案 , 对 NCO、 C IC 滤波 器、 FI R 滤波器进行了相关的参数分析 , 并得出了总 体仿真框图和结果 , 实现了数字下变频的 FPGA 设 计与仿真。该接收系统用于 W CDMA 移动通信网络 的基站体系中, 实现了手机信号良好的覆盖和传输。
图 2 数字下变频的实从 特 定的 中 频 频率 96MH z通过 NCO 移到 0H z 。 中频信号的采样率为 92. 16 M sps , 经过 C I C 滤波器后采样率为 15 . 36 M sps, 再经过半带滤波器后采样率为 7. 68M sps, 最后通过 根升余弦整形滤波器 ( SRRC ), 采样率为 3 . 84M sps。 其中滤波器无需乘法运算即可实现高速滤波 , 所以 一般用在输入采样率最高的第一级。而半带滤波器 虽然需要乘法运算, 但只有普通滤波器 F IR 运算量