寬帶短波信道模擬器中數(shù)字下變頻的實(shí)現(xiàn)

     摘要： 寬帶短波信道模擬器是一種運(yùn)用仿真技術(shù)對(duì)真實(shí)的短波信道進(jìn)行模擬的儀器。首先指出數(shù)字下變頻在寬帶短波信道模擬器中的作用。然后，闡述了數(shù)字下變頻中的數(shù)控振蕩器、CIC 濾波器、半帶濾波器和低通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法。最后，結(jié)合Matlab 算法仿真技術(shù)，不依賴FPGA 的IP 核，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA 的數(shù)字下變頻。功能與時(shí)序仿真結(jié)果表明: 基于FPGA 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字下變頻能夠滿足寬帶短波信道模擬器性能指標(biāo)要求，并且具有靈活性、通用性和修改參數(shù)方便等特點(diǎn)。

　　0 引言

　　短波通信信道具有時(shí)變和色散的特性，并且容易受到噪聲干擾，所以模擬其傳輸特性，具有很高的實(shí)用價(jià)值。短波信道模擬器借助先進(jìn)的仿真技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行通信試驗(yàn)，因其具有有效性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和直觀性等特點(diǎn)，在通信試驗(yàn)中可廣泛使用。傳統(tǒng)的短波信道模擬器大部分停留在話音帶寬上，其主要不足是功耗過(guò)高、體積龐大、可控性不高及實(shí)時(shí)性不好。模數(shù)轉(zhuǎn)換器( A/ D)器件和數(shù)字信號(hào)處理理論的飛速發(fā)展，為研制寬帶短波信道模擬器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但由于現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)處理器( DSP) 處理速度有限，往往難以對(duì)高速率A/ D 采樣得到的數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，為了解決這一矛盾，需要采用數(shù)字下變頻( DDC) 技術(shù)。所以數(shù)字下變頻技術(shù)在寬帶短波信道模擬器的數(shù)字化和軟件化過(guò)程中起到了重要的作用。FPGA 具有較高的處理速度和很強(qiáng)的穩(wěn)定性，而且設(shè)計(jì)靈活、易于修改和維護(hù)，同時(shí)可以根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，采用不同的結(jié)構(gòu)來(lái)完成相應(yīng)的功能，大大提高系統(tǒng)的適用性及可擴(kuò)展性。因此，F(xiàn)PGA 逐漸成為實(shí)現(xiàn)DDC 的首選。

　　1 寬帶短波信道模擬器設(shè)計(jì)

　　寬帶短波信道模擬器的輸入為短波調(diào)制信號(hào)( 3~ 30 MHz) ，首先經(jīng)過(guò)高速A/ D 直接進(jìn)行采樣，將模擬的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再通過(guò)數(shù)字下變頻技術(shù)分離出I、Q 兩路數(shù)字基帶信號(hào)，以便于后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。信號(hào)處理中通過(guò)顯示控制設(shè)備對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和輸出。最后處理好的信號(hào)再經(jīng)過(guò)D/ A 轉(zhuǎn)換后，通過(guò)低通濾波器、放大器和程控衰減等設(shè)備輸出最終所需的模擬信號(hào)。這樣就大大降低了ADC 和DSP 器件性能的要求，減輕了數(shù)字信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)，便于實(shí)現(xiàn)并有效降低成本。寬帶短波信道模擬器的體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 寬帶短波信道模擬器的體系結(jié)構(gòu)圖

　　寬帶短波信道模擬器通過(guò)數(shù)字下變頻降低采樣數(shù)據(jù)率，減輕后續(xù)信號(hào)處理的壓力。數(shù)字下變頻在模擬器中起到前端ADC 和后端DSP 器件之間的橋梁作用。在數(shù)字下變頻部分中可以方便地對(duì)接收信號(hào)頻段和濾波器特性等進(jìn)行編程控制，極大地提高了寬帶短波信道模擬器的性能和靈活性，對(duì)于系統(tǒng)的升級(jí)或是兼容，都非常方便。

　　2 基于FPGA 的數(shù)字下變頻實(shí)現(xiàn)方案

　　寬帶短波調(diào)制信號(hào)的輸入頻率為3~ 30 MHz,根據(jù)帶通采樣理論，在工程實(shí)現(xiàn)上，信號(hào)采樣速率一般為模擬信號(hào)帶寬的2. 5 倍左右，考慮到在器件滿足要求的前提下可以盡量提高采樣頻率，選用了64 MHz 作為ADC 的采樣頻率。經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻的32 倍變頻，最終輸出到DSP 的信號(hào)帶寬為2 MHz。

　　該文中的DDC 實(shí)現(xiàn)不采用Altera 公司所提供的IP核，這樣可以降低成本，減少對(duì)國(guó)外技術(shù)依賴。

　　FPGA 器件采用cyclone III 器件，它是Altera 公司新一代采用SRAM 工藝低成本的FPGA，該系列器件的特點(diǎn)是低成本、低功耗和高性能。具有嵌入式乘法器，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)門(mén)的乘法和乘加運(yùn)算，還可實(shí)現(xiàn)有限脈沖響應(yīng)( FIR) 濾波器; 最多有20 個(gè)全局時(shí)鐘，支持動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理以降低用戶模式時(shí)的功耗; 并且有4個(gè)鎖相環(huán)( PLL) 。根據(jù)該設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理要求，估算處理所需的資源，以及引腳封裝有利于制板的原則，選用EP3C40Q240C8N 型FPGA，并在開(kāi)發(fā)工具Quartus II 上對(duì)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)、綜合及仿真。

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　　2. 1 數(shù)控振蕩器設(shè)計(jì)

　　NCO 是決定DDC 性能的主要因素之一。NCO的目標(biāo)是產(chǎn)生頻率可變的正交正、余弦樣本信號(hào)。

　　NCO 采用直接數(shù)字合成( DDS) 的方法實(shí)現(xiàn)，目前常見(jiàn)的技術(shù)有查表法和CORDIC 計(jì)算法，在軟件無(wú)線電超高速的信號(hào)采樣頻率的情況下，NCO 實(shí)時(shí)的計(jì)算方法是很難實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)，NCO 產(chǎn)生的正弦樣本最有效和最簡(jiǎn)單的方法就是查表法，即事先根據(jù)各個(gè)NCO 正弦波相位計(jì)算好相位的正弦值，并按相位角度作為地址存儲(chǔ)該相位的正弦值數(shù)據(jù)，其原理圖如圖2 所示。

圖2 基于查表法的NCO 原理圖

　　圖2 中，32 位累加器由一個(gè)32 位的加法器和一個(gè)32 位寄存器組成，在時(shí)鐘的作用下，加法器通過(guò)寄存器將輸出數(shù)據(jù)送入到加法器的一個(gè)輸入端,與32 位的頻率控制字進(jìn)行相加運(yùn)算，得到一個(gè)有規(guī)律的相位累加結(jié)果。查找表實(shí)際上是一個(gè)存儲(chǔ)了正弦信號(hào)抽樣點(diǎn)幅度編碼的只讀存儲(chǔ)器ROM，但ROM表的大小會(huì)隨地址位數(shù)的增加成指數(shù)遞增關(guān)系，因此，為了不減少查找表的地址位數(shù)而滿足信號(hào)性能,必須采用優(yōu)化方法來(lái)減小ROM 表的大小。根據(jù)正弦波的對(duì)稱(chēng)特性，只需存儲(chǔ)四分之一周期的幅值，再通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換即可恢復(fù)出整個(gè)周期的幅值。同時(shí)，由于余弦波和正弦波相位差為??/ 2，可以很容易地實(shí)現(xiàn)余弦信號(hào)。

　　完成DDC 的NCO 模塊設(shè)計(jì)后，將需要下變頻的輸入信號(hào)與NCO 產(chǎn)生的2 路正交本振信號(hào)進(jìn)行相乘，完成數(shù)字混頻正交變換，即完成頻譜搬移。

　　2. 2 CIC 濾波器設(shè)計(jì)

　　CIC 積分梳狀濾波器是實(shí)現(xiàn)高速抽取非常有效的單元。CIC 濾波器的單位沖激響應(yīng)為：

　　式中，D 是CIC 濾波器的階數(shù)，濾波器系數(shù)都為1。

　　根據(jù)Z 變換的定義，CIC 濾波器的Z 變換為:

　　從式( 2) 可以看出CIC 濾波器由2 部分組成，即積分器和梳狀器級(jí)聯(lián)組成，其實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，只有加減運(yùn)算，沒(méi)有乘法運(yùn)算，F(xiàn)PGA 實(shí)現(xiàn)時(shí)可達(dá)到很高的處理速率。但是，單級(jí)CIC 濾波器的旁瓣電平只比主瓣低13. 46 dB，這就意味著阻帶衰減很差，一般是難以滿足實(shí)用要求的。為了降低旁瓣電平，可以采取多級(jí)CIC 濾波器級(jí)聯(lián)的辦法解決。

　　N 級(jí)CIC 濾波器級(jí)聯(lián)的帶內(nèi)容差是單級(jí)CIC 濾波器帶內(nèi)容差的N 倍，這意味著多級(jí)CIC 濾波器級(jí)聯(lián)增大阻帶衰減的同時(shí)也增大了帶內(nèi)容差。所以,CIC 濾波器的級(jí)聯(lián)數(shù)是有限的不宜超過(guò)5 級(jí)。

　　該設(shè)計(jì)中，CIC 濾波器需要完成16 倍的抽取,采用5 級(jí)級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸入和輸出部分的位寬均為12 bit，在MATLAB 仿真的結(jié)果如圖3 所示。

圖3 CIC 濾波器幅度特性

　　經(jīng)過(guò)CIC 濾波器后，信號(hào)采樣速率經(jīng)過(guò)16 倍抽取后變?yōu)? MHz，從而實(shí)現(xiàn)了抽取功能，同時(shí)也降低了采樣速率。

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　　2. 3 半帶濾波器

　　所謂半帶濾波器，就是其頻率響應(yīng)滿足以下關(guān)系的FIR 濾波器:

　　HB 濾波器由于其系數(shù)幾乎一半為0，濾波時(shí)運(yùn)算量減少一半，因此被作為第2 級(jí)低通濾波和抽取。

　　HB 的抽取因子固定為2，特別適合采樣率降低一半的要求。通過(guò)CIC 和HB 濾波抽取后，基帶信號(hào)由最初的高數(shù)據(jù)率被降到較低的速率，適于后級(jí)FIR處理。

　　2. 4 FIR低通濾波器設(shè)計(jì)

　　數(shù)字下變頻器的最后一個(gè)模塊是低通FIR 濾波器，主要用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形濾波不作抽取功能。

　　信號(hào)經(jīng)過(guò)CIC、HB 濾波器后，輸入到FIR 濾波器的采樣速率相對(duì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)很低，因此在一定的處理時(shí)鐘速率下，能夠有較高階的FIR 濾波，使得濾波器的通帶波動(dòng)、過(guò)渡帶帶寬、阻帶最小衰減等指標(biāo)能夠設(shè)計(jì)的很好。

　　調(diào)用MATLAB 的Filter design 獲得濾波器的系數(shù)。在MATLAB 中設(shè)計(jì)一個(gè)通帶截止頻率為2 MHz的FIR，并將濾波器系數(shù)導(dǎo)入到FPGA 的FIR 中; FIR的階數(shù)( 系數(shù)長(zhǎng)度) 越高，性能越好，但考慮資源占用情況，F(xiàn)IR 的階數(shù)不宜過(guò)高，該設(shè)計(jì)采用37 階FIR。

　　3 基于FPGA 的DDC 系統(tǒng)仿真結(jié)果

　　根據(jù)以上的設(shè)計(jì)分析結(jié)果，編寫(xiě)了FPGA 程序,在Quartus II 平臺(tái)上進(jìn)行了仿真測(cè)試。輸入采樣速率為64 MHz 的短波調(diào)制信號(hào)，針對(duì)Cyclone III 系列的EP3C40Q240C8 器件對(duì)其進(jìn)行綜合與時(shí)序仿真,如表1 所示。

表1 DDC 實(shí)現(xiàn)的時(shí)序仿真圖

　　輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器后，再經(jīng)過(guò)CIC 濾波器的16 倍抽取，半帶濾波器的2 倍抽取和FIR 濾波器的整形濾波，最終輸出I，Q 兩路正交的信號(hào)。如表1所示，Data In 為輸入信號(hào)，DDC Data I 為輸出同相分量,DDC Data Q 為輸出正交分量。64MHz 的采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)NCO 混頻后，CIC 濾波器的16 倍和HB 濾波器的2 倍抽取后，變?yōu)? MHz 的信號(hào)，并經(jīng)過(guò)FIR 濾波器整形輸出。從表1 中可以看出設(shè)計(jì)的DDC 對(duì)于高速采樣的信號(hào)具有降速和下變頻的作用，處理帶寬大大減小，因此對(duì)后續(xù)器件處理速度的要求降低。

　　仿真中還有一定量的毛刺，這是由于信號(hào)的延時(shí)控制不精準(zhǔn)造成的。延時(shí)的大小不僅和連線的長(zhǎng)短和邏輯單元的數(shù)目有關(guān)，而且也和器件的制造工藝和工作環(huán)境等有關(guān)，毛刺的消除是有待解決的問(wèn)題。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　在分析了寬帶短波信道模擬器工作機(jī)理和數(shù)字下變頻原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合Matlab 算法仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)基于FPGA 的數(shù)字下變頻。功能與時(shí)序仿真結(jié)果表明: 基于FPGA 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字下變頻功能，其技術(shù)指標(biāo)滿足寬帶短波信道模擬器的性能要求。該設(shè)計(jì)方法降低了對(duì)FPGA IP 核的依賴性，提高了DDC的處理速率，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字載波控制和抽取濾波可編程，具有很大的靈活性和通用性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)寬帶短波信道模擬器具有十分重要的意義，并且可以推廣用于其他需要進(jìn)行下變頻的場(chǎng)合。