基于FPGA实现高速专用数字下变频器

电子科技大学硕士学位论文摘要 软件无线电思想的出现带来了接收机实现方式的革新。随着近年来软件无线电理论和应用趋于成熟与完善，软件无线电技术己经被越来越广泛地应用于蜂窝通信及各种军用和民用的无线通信系统中。作为软件无线电接收机的核心技术之一，数字下变频技术也得到了越来越普遍的应用。 本论文以国家科研项目《基于ＦＰＧＡ实现高速专用数字下变频器》课题为依托，通过深入研究目前国外主流数字下变频产品的设计思想和技术细节，并根据ＦＰＧＡ器件的特性，针对可能的应用场合，在传统数字下变频结构的基础上对系统结构进行改进，采用非传统方式实现其中一些模块，大大提高了数字下变频器的最大处理速度和处理带宽，在这两项重要指标上超过了目前国外的许多主流数字下变频器件，突出了“高速专用”的设计命题；设计同时注重了器件的功能性，在保证“高速专用”的前提下也使得产品具有良好的通用性。设计采用了Ａｌｔｅｒａ公司的Ｓｔｒａｔｉｘ系列ＦＰＧＡ来作为硬件实现，并在Ａｌｔｅｒａ公司的Ｓｔｒａｔｉｘ　Ｓ８０　ＤＳＰ开发评估板和自行设计的ＤＤＣ专用开发板上进行设计验证，功能测试证明了设计的方案与实现是成功的。 本论文首先描述了数字下变频基本理论和结构，对完成各级数字信号处理所涉及到的ＣＯＲＤＩＣ，　ＣＩＣ，　ＨＢ，　ＤＡ、重采样等关键算法做了适当介绍；然后根据这些算法提出了基于ＦＰＧＡ实现的结构并进一步给出了性能分析；并且从数字下变频的系统层次上考虑了各模块彼此间的性能制约，从而选择合理配置、优化系统结构以获得模块间的性能均衡和系统性能的最优化；最后给出了ＦＰＧＡ实现的数字下变频器在测试中产生的波形和频谱，作了测试结果分析。

关键词：数字下变频ＦＰＧＡ 分布式算法重采样ＣＯＲＤＩＣ算法积分梳状滤波半带滤波

自动增益控制电子科技大学硕士学位论文Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ　ｃｏｍｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｄｅｆｉｎｅｄ　Ｒａｄｉｏ　（ＳＤＲ）　ｒｅｄｅｆｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｗａｙ　ｔｏ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｒｅｃｅｉｖｅｒｓ．　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｇｅｔｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ｍａｔｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，　ＳＤＲ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｃｅｌｌｕｌａｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｏｔｈｅｒ　ｃｉｖｉｌ　ａｎｄ　ｍｉｌｉｔａｒｙｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ．　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，　Ｄｉｇｉｔａｌ－Ｄｏｗｎ　Ｃｏｎｖｅｒｔ　（ＤＤＣ），　ｏｎｅ　ｏｆｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｕｓｅｄ场ＳＤＲ　ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ，　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｇｅｔｔｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｊｅｃｔ，　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｄｅｄｉｃａｔｅｄ　ＤＤＣ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ，　ａｎｄａｆｔｅｒ　ａｎ　ｉｎ－ｄｅｐｔｈ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｕｓｅｄ　ｂｙ　ａｂｒｏａｄ　ｍａｉｎｓｔｒｅａｍＤＤＣ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＦＰＧＡ　ａｎｄ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｒｅａｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｏｆＤＤＣ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｂｙ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ＤＤＣ　ａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ｓｏｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｉｎ　ｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｗａｙｓ．　Ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｒｉｔｅｒｉａ，　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，　ｏｕｔｇｏ　ｍｏｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｂｒｏａｄｍａｉｎｓｔｒｅａｍ　ＤＤＣ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ，　ｔｈｕｓ　ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｉｍ　ｔｏ　ｂｅ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　Ｄｅｄｉｃａｔｅ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｌｓｏ　ｐａｙｓ　ｍｕｃｈ　ａｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ＇ｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ａｓｓｕｒｅｓ　ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔ．　Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｕｓｅｓ　Ｓｔｒａｔｉｘ　ｓｅｒｉｅｓ　ＦＰＧＡ　ａｎｄ　ｉｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｏｎＡｌｔｅｒａ＇ｓ　Ｓｔｒａｔｉｘ　Ｓ８０　ＤＳＰ　Ｄｅｖｅｌｏｐ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　Ｂｏａｒｄ　ａｎｄ　ａ　ｃｕｓｔｏｍｉｚｅｄ　ＤＤＣｄｅｄｉｃａｔｅｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｂｏａｒｄ．　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｔｅｓｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｕｃｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ．

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签名 含，日期：为才年４１－月Ｚｂ日

关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定）

签名：省，再导师签名：洛夕言

日期：ｏ２０ｖＳ年夕月ａＸ日电子科技人学硕士学位论文第一章引言１．１数字下变频技术简介１．１．１数字下变频技术的应用及前景 随着近年来现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ　）器件和通用数字信号处理器（ＤＳＰｏｒ　）在芯片逻辑规模和处理速度等方面性能的迅速提高，用硬件编程或软件编程方式实现无线功能的软件无线电技术在理论和实用化上都趋于成熟和完善。软件无线电技术只需通过软件上的更新就能够选择不同的业务或调制方式、追加和修改功能，具有传统硬件方式所无法比拟的灵活性、开放性和可扩展性。因此，软件无线电技术己经被越来越广泛地应用于蜂窝通信及各种军用和民用的无线系统中。 软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能的直接数字化，将其变换为适合ＤＳＰ器件或计算机处理的数据流，然后通过软件来完成各种功能。在现阶段，由于受各种关键器件，特别是受ＡＤＣ（模数变换器）采样速率、工作带宽和通用ＤＳＰ器件处理速度的限制，数字中频软件无线电正成为理想软件无线电的一种经济、适用的折中选择。在目前大多数软件无线电接收机中，一般先经模拟下变频至适当中频，然后在中频用ＡＤＣ数字化后输出高速数字中频信号，再经数字下变频器（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｄｏｗｎ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　－ＤＤＣ）的变频、抽取和低通滤波处理之后变为低速的基带信号，最后将基带信号送给通用ＤＳＰ器件作后续的解调、解码、抗干扰、抗衰落、自适应均衡等处理。这样大大降低了对ＡＤＣ和ＤＳＰ器件性能的要求，便于实现和降低成本。数字下变频器在这里起到前端ＡＤＣ和后端通用ＤＳＰ器件之间的桥梁作用。因此，数字下变频技术成为软件无线电接收机的核心技术之一，通用数字下变频器也被越来越广泛的应用到各种军民用无线通信设备以及电子战、雷达和信息化家电等领域。

图１．１－１数字下变频器在数字中频软件无线电接收机中的地位电子科技大学硕士学位论文１．１．２数字下变频产品的现状 目前，国外在ＤＤＣ产品上技术领先的公司有美国的Ｉｎｔｅｒｓｉｌ公司（前身为Ｈａｒｒｉｓ公司）、ＡＤＩ公司和Ｇｒａｙｃｈｉｐ公司。他们的单通道ＤＤＣ代表产品有Ｉｎｔｅｒｓｉｌ公司的ＨＳＰ５００１６，　ＨＳＰ５０２１４Ｂ；　ＡＤＩ公司的ＡＤ６６２０；　Ｇｒａｙｃｈｉｐ公司的ＧＣ１０１１，ＧＣ　１０１２等。这些器件都具有较优异的性能参数和较强的功能。许多型号的ＤＤＣ芯片（如Ｉｎｔｅｒｓｉｌ公司的ＨＳＰ５０２１４Ｂ）事实上其功能己远远不只是下变频，还包括了成形滤波器、定时同步内插滤波器、重采样ＮＣＯ、坐标变换、数字ＡＧＣ等功能，其芯片内部的各个功能模块均是可编程的，将其与通用ＤＳＰ器件结合，便可构成一个标准的数字化多模式软件无线电接收机硬件平台，“数字下变频”在软件无线电中的意义已不再仅仅是简单的下变频概念了。

１．１．３　ＦＰＧＡ在数字下变频领域的应用

近年来ＦＰＧＡ器件在工艺方面的进步和设计思想上的创新为之带来了前所未有的逻辑规模和强大的处理性能。例如，Ａｌｔｅｒａ公司采用０．１３ｐｍ工艺的Ｓｔｒａｔｉｘ系列ＦＰＧＡ逻辑资源最大达到８万个逻辑单元（Ｌｏｇｉｃａｌ　Ｅｌｅｍｅｎｔ—ＬＥ），内置１７６个３００ＭＨｚ的９Ｘ９乘法器，可组合成２２个３６Ｘ３６乘法器，可专门面向ＤＳＰ设计应用，片内ＲＡＭ容量最高达７，４２７，５２０　ｂｉｔｓ　（９２８，４４０　ｂｙｔｅｓ），完全可以用来实现一个高性能的ＤＤＣ：而最新的采用９０ｎｍ工艺的ＳｔｒａｔｉｘＩＩ系列ＦＰＧＡ其逻辑资源最大可达到１８万个ＬＥ，内置３８４个４２０ＭＨｚ的１８Ｘ　１８乘法器，已经可以在一片ＦＰＧＡ中实现一个功能强大的软件无线电接收机系统。而且芯片逻辑资源相同时，ＳｔｒａｔｉｘＩＩ器件的价格比Ｓｔｒａｔｉｘ器件还要低。随着ＦＰＧＡ性能越来越强，规模越来越大，成本不断降低，利用ＦＰＧＡ实现高速专用数字下变频器己经成为通信系统设计中常用的手段。 在经过ＦＰＧＡ充分验证的基础上，还可以将ＦＰＧＡ设计转为ＡＳＩＣ，降低芯片成本，使其市场化。Ａｌｔｅｒａ公司最新推出的ＨａｒｄＣｏｐｙＩＩ技术，可以在１０＾１２周内将一个成熟的ＦＰＧＡ设计转成量产的ＡＳＩＣ，并且保证ＡＳＩＣ的功能和时序与ＦＰＧＡ芯片完全一致，ｐｉｎ　ｔｏ　ｐｉｎ的管脚兼容，大大减少了设计者验证和仿真的工作量，免除使用者重新Ｌａｙｏｕｔ　ＰＣＢ的麻烦，其１００％的流片成功率大大减少了从设计到产品的移植周期。