軟件無線電數(shù)字下變頻技術(shù)研究及FPGA實(shí)現(xiàn)

摘 要： 在數(shù)字下變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中，輸入的模擬中頻信號(hào)經(jīng)過高速A/D采樣數(shù)字化后與數(shù)控振蕩器NCO(Numerically Controlled Osillator)產(chǎn)生的正交本振信號(hào)混頻，然后再由抽取濾波模塊進(jìn)行處理，以輸出低速的低頻或基帶信號(hào)。本文以軟件無線電數(shù)字下變頻技術(shù)為研究對(duì)象，參考GSM系統(tǒng)建立數(shù)字下變頻系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 軟件無線電；數(shù)字下變頻；FPGA；抽取濾波

軟件無線電的核心思想是以模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件功能單元構(gòu)建一個(gè)具有高度靈活性、開放性的通用硬件平臺(tái)，將高速、寬帶的A/D、D/A盡可能地靠近天線，通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能，從而屏蔽不同通信系統(tǒng)的差異，實(shí)現(xiàn)多個(gè)通信系統(tǒng)的互通與兼容。數(shù)字下變頻DDC(Digitial Down Conversion)是軟件無線電接收系統(tǒng)構(gòu)成的核心，它主要是把A/D技術(shù)應(yīng)用于中頻信號(hào)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)混頻、抽取和濾波等信號(hào)處理功能，以數(shù)字化方式將中頻信號(hào)搬移至基帶并同時(shí)降低數(shù)據(jù)速率。
1 軟件無線電數(shù)字下變頻系統(tǒng)構(gòu)建與仿真
1.1 數(shù)字下變頻系統(tǒng)參數(shù)的確定
系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，主要參考了GSM標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)參數(shù)，系統(tǒng)輸入中頻信號(hào)采用頻率為246 MHz、帶寬為200 kHz、頻偏為50 kHz的MSK調(diào)制信號(hào)，下變頻后輸出速率要求為1 MS/s。根據(jù)帶通信號(hào)采樣定理，本系統(tǒng)采樣率定為24 MHz。采樣后原中頻信號(hào)將在6 MHz處有一個(gè)頻譜鏡像，從而可以取本振頻率為6 MHz來完成數(shù)字混頻的功能。數(shù)字下變頻后采樣率還需完成從24 MHz到1 MHz的轉(zhuǎn)變即抽取濾波器需要對(duì)數(shù)字混頻后輸出的信號(hào)進(jìn)行24倍的抽取。
1.2 下變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由以上確定的數(shù)字下變頻系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)可知，系統(tǒng)需要對(duì)數(shù)字下變頻后的信號(hào)進(jìn)行24倍的抽取。本文選擇了抽取濾波器四級(jí)級(jí)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。其中第一級(jí)CIC濾波器實(shí)現(xiàn)6倍抽??；第二級(jí)CIC補(bǔ)償濾波器對(duì)CIC濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)2倍抽??；第三級(jí)HB濾波器完成2倍抽取任務(wù)；第四級(jí)FIR濾波器不進(jìn)行抽取，而是進(jìn)一步低通濾波以增強(qiáng)輸出信號(hào)的效果。這樣就構(gòu)造了如圖1所示的軟件無線電數(shù)字下變頻系統(tǒng)。

1.3 抽取濾波器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
M、D分別為CIC濾波器的抽取倍數(shù)和微分延遲因子。可見其阻帶衰減較差，難以滿足一般的應(yīng)用需要。故在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用多級(jí)CIC濾波器級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使阻帶得到較大衰減。本文采用了6個(gè)單級(jí)CIC波濾器級(jí)聯(lián)的形式。采用這種結(jié)構(gòu)，帶來了通帶波紋的增大，對(duì)通帶內(nèi)的信號(hào)也產(chǎn)生了一定的衰減。因此，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的CIC補(bǔ)償濾波器對(duì)CIC處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度補(bǔ)償并實(shí)現(xiàn)2倍的抽取。據(jù)此即可設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器,對(duì)CIC輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償和抽取處理。
在MATLAB中，設(shè)計(jì)產(chǎn)生特定參數(shù)的CIC補(bǔ)償濾波器，將其與CIC濾波器級(jí)聯(lián)后，建立相應(yīng)的仿真文件，并進(jìn)行Matlab仿真，得到CIC與CIC補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)效果如圖2所示。

從圖2可以看到，CIC濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了6倍的抽取，但是沒有完全濾掉混雜的噪聲頻率，其輸出的數(shù)據(jù)再由CIC補(bǔ)償濾波器進(jìn)行處理后，濾除了鄰帶噪聲信號(hào)的頻率成分，同時(shí)也完成了對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步抽取。即CIC和CIC補(bǔ)償濾波器能夠完成對(duì)特定參數(shù)信號(hào)的濾波與抽取。
1.3.2 HB濾波器
根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)要求，半帶濾波器的輸入數(shù)據(jù)采樣率Fs應(yīng)為2 MHz，通帶截止頻率fp=0.1 MHz。通帶HB濾波器的通帶歸一化截止頻率wp、阻帶截止頻率ws滿足如下性質(zhì)：wp+ws=π，可求得其阻帶截止頻率等于0.9 MHz。在本文設(shè)計(jì)的數(shù)字下變頻系統(tǒng)中，經(jīng)過CIC及其補(bǔ)償濾波器處理后的數(shù)據(jù)需傳給HB濾波器繼續(xù)進(jìn)行濾波，并進(jìn)行2倍的抽取。
1.3.3 FIR濾波器
在數(shù)字下變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，抽取濾波模塊最后有一級(jí)FIR濾波器，它對(duì)前三級(jí)抽取濾波器處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的濾波，以使輸出具有更好的波形效果。FIR的輸入來自HB濾波器處理后輸出的數(shù)據(jù)，采樣率Fs=1 MHz。本文采用了多相分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)FIR濾波器。
2 基于FPGA的DDC系統(tǒng)仿真
2.1 DDC系統(tǒng)的功能仿真
在系統(tǒng)功能仿真時(shí)，本系統(tǒng)選擇了QPSK調(diào)制信號(hào)作為輸入的激勵(lì)源。由MATLAB按系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的中頻已調(diào)信號(hào)，對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行12比特量化，并對(duì)系統(tǒng)在加入高斯白噪聲的情況進(jìn)行了測(cè)試，圖3給出了輸入、輸出信號(hào)的波形。測(cè)試時(shí)，加入高斯白噪聲的情況下對(duì)應(yīng)的信噪比為0 dB，即SNR=0 dB。

在圖3中，調(diào)制比特流的速率為200 Kb/s，經(jīng)過串并變換為I、Q兩路后，碼率降為100 Kb/s。在有高斯白噪聲的情況下，DDC系統(tǒng)輸出的兩路正交下變頻信號(hào)能夠較好地與輸入的I、Q調(diào)制比特流相對(duì)應(yīng)，而且濾除了輸入中頻信號(hào)混雜的噪聲成分。由此可見，所構(gòu)建的軟件無線電數(shù)字下變頻系統(tǒng)在功能上確實(shí)能夠完成對(duì)特定參數(shù)的中頻信號(hào)的數(shù)字下變頻，并具有一定的抗噪功能。
2.2 DDC系統(tǒng)時(shí)序仿真
在設(shè)置了軟件無線電中頻數(shù)字化系統(tǒng)的各項(xiàng)約束條件并進(jìn)行了綜合、布線等操作后，本文建立了相關(guān)的仿真激勵(lì)文件，輸入待處理數(shù)據(jù)，對(duì)DDC系統(tǒng)的時(shí)序性能進(jìn)行了仿真，在Quartus II輸出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了毛刺，并且都有了一定的時(shí)延，但沒有出現(xiàn)時(shí)序混亂的問題?？傊?，軟件無線電數(shù)字下變頻系統(tǒng)的時(shí)序基本正常，但時(shí)延較大，還有進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)的余地。
數(shù)字下變頻是軟件無線電技術(shù)體系的關(guān)鍵組成部分,模擬中頻信號(hào)經(jīng)過高速ADC采樣數(shù)字化后輸入到數(shù)字下變頻系統(tǒng)中，首先與數(shù)控振蕩模塊(NCO)產(chǎn)生的數(shù)字本振進(jìn)行混頻，然后再送入到后續(xù)的抽取濾波器進(jìn)行濾波和抽取，最后輸出較低速率的下變頻信號(hào)。本文完成了軟件無線電數(shù)字下變頻系統(tǒng)各關(guān)鍵模塊的分析、設(shè)計(jì)及系統(tǒng)整體基于FPGA的軟件實(shí)現(xiàn)，并通過了時(shí)序和功能仿真測(cè)試，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)特定信號(hào)的數(shù)字下變頻，并且具有一定的抗噪功能效。
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