宽带数字下变频器的FPGA实现 变频器, 无线电, 技术, 软件

520503

关键字：FPGA   数字下变频(DDC)   带通采样定理   多相滤波  



随着软件无线电理论的日趋成熟，软件无线电技术越来越多地应用到军用或民用通信系统中。其中，数字下变频技术(DDC)是软件无线电中的核心技术之一。数字下变频工作在模拟前端输入模拟信号经模数转换之后，而在终端设备的数字信号处理之前，它主要用于实现将中频信号频谱变到零中频后，再对信号进行抽取，使采样速率变至后端数字信号处理单元所需要的处理速率。
目前随着A/D变换越来越向射频前端发展，高速采样速率对后续的数字信号处理和整个系统的协调工作带来了越来越大的压力。为了解决高速采样的大数据量与现有DSP器件处理能力之间很难匹配的问题，设计了一种基于多相滤波的宽带数字下变频结构，将多相滤波下变频的并行结构应用到数字下变频器中，并在后续的混频模块中也采用并行混频的方式来实现，提高了实时处理速度。从原理分析和FPGA板卡验证两方面对该设计方案进行了验证，均证明本文经过多相滤波数字下变频处理后的数据速率能满足现有DSP器件处理能力的要求。

1 基于多相滤波的宽带正交数字下变频技术

1．1 带通采样定理

带通采样定理：设一个频率带限信号x(t)，其频带限制在(fL,fH)这一范围，如果采样频率满足fS满足：





式中，n取能满足fS≥2(fH-fL)=2B的最大正整数，则用fS进行等间隔采样所得到的信号采样值x(nTS)能准确地确定原信号x(t)。显然，当fL=0且fH=B时，选择n=0，式(1)就是Nyquist低通采样定理，它是带通采样的一种特殊情况。

在实际的数字接收机中，信号的带宽B一般会远小于信号的最高频率，如果还是按照Nyquist采样率来设计，ADC的采样频率会很高，以至于很难实现，或者后处理的速度也满足不了要求。所以很自然地考虑用不丢失信息的带通采样定理实现。数字接收机输入的中频信号都是带通信号，接收机数字化通常在中频上进行，所以各种电子装备都可运用带通采样定理对模拟信号进行采样将其数字化。

1．2 正交数字下变频

所谓数字混频正交变换实际上就是先对模拟信号x(t)通过采样器后形成数字序列x(n)，然后与2个正交本振序列cos(ω0n)和sin(ω0n)相乘，再通过数字低通滤波来实现。实现框图如图1所示。



图1正交数字下变频结构图


经过正交数字下变频后，采样率就可以降低了，因此低通滤波器后往往进行抽取操作。

正交数字下变频可以实现IQ支路的平衡，为实现严格正交，通常需要进行IQ均衡处理，正交下变频方法在频率调制和相位调制应用中得到广泛的应用。

1．3 抽取器的多相滤波

假设FIR数字滤波器的冲击响应为h(n)，则其Z变换的定义为，将求和式展开并重写为：




经过合并后可以写为：



式(4)即为数字滤波器H(z)的多相滤波结构，并运用抽取器的等效关系，等效优化以后的多相滤波器结构如图2所示。





多相滤波的实质可以看作按相位均分的关系把数字滤波器的转移函数H(z)分解成若干个不同相位的组，形成多个分支，在每个分支上实现滤波。这样做的目的就是用其分支上阶数较少的滤波来实现原来阶数很大的H(z)的滤波。这样做的意义在于工程上易于实现，能高效地进行实时信号的处理。