《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于多相結(jié)構(gòu)的高效數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第4期
段國(guó)棟，蔣小平，馬速良，李 娜
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083)
摘要： 基于帶通采樣結(jié)構(gòu)的數(shù)字下變頻技術(shù)是軟件無(wú)線電收發(fā)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。介紹了一種基于多相結(jié)構(gòu)的帶通采樣數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)。首先，采用帶通采樣，使得ADC更靠近天線，數(shù)字化更為充分；其次，通過(guò)對(duì)采樣頻率和中頻的選取，使得正交混頻無(wú)需使用查找表，避免了截位處理，改善了混頻后的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍；最后，根據(jù)并行混頻的結(jié)構(gòu)，選擇多相抽取濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，在確保達(dá)到系統(tǒng)要求的同時(shí)，提高了硬件資源利用率。該系統(tǒng)具有高度的靈活性和充分的數(shù)字化特點(diǎn)，有較高的實(shí)用價(jià)值。
中圖分類號(hào)： TN99
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)04-0052-04
An efficient digital down converter based on multiphase structure
Duan Guodong，Jiang Xiaoping，Ma Suliang，Li Na
Department of Information and Electronic Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China
Abstract： DDC technology based on band-pass sampling is a key of software defined radio receiver. This paper describes a method of DDC design based on band-pass sampling. First of all, band-pass sampling method is provided in this paper, in which the ADC is moved closer to the antenna. This allows more functionality to be defined by software. Secondly, through the selection of the sampling frequency and intermediate frequency,the design allows the FPGA to produce baseband in-phase(I) and quadrature(Q) signals without the use of multipliers or lookup tables, improving the SFDR after mixing. Finally, based on the front structure, polyphase decimation filter is selected in this paper, which ensures meeting the system requirements, improving hardware utilization at the same time. System designed in this article is highly flexible and full digitization. This design has high practical value.
Key words : band-pass sampling；digital down converter；polyphase filter；FPGA

    現(xiàn)代雷達(dá)追求充分?jǐn)?shù)字化，A/D逐漸從中頻靠近射頻。隨著被采樣信號(hào)的帶寬越來(lái)越大，采樣率越來(lái)越高，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)處理速率的要求也不斷提高。
    隨著現(xiàn)代信息的技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)處理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、遙感、地質(zhì)勘探等各個(gè)領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)[1]中介紹了一種數(shù)字式雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計(jì)及其FPGA實(shí)現(xiàn)。該接收機(jī)利用ADC數(shù)/模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行帶通采樣，之后完成I/Q兩路正交信號(hào)解調(diào)。參考文獻(xiàn)[2]中論述了帶通采樣技術(shù)在寬帶數(shù)字多速率、多模式、多通道軟件無(wú)線電中頻接收機(jī)中應(yīng)用的可行性，詳細(xì)分析了中頻頻率和采樣頻率的選取問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[3]中提出了一種基于帶通采樣定理的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了數(shù)據(jù)的采樣、傳輸、存儲(chǔ)和處理等功能，并且驗(yàn)證了方案的可行性。參考文獻(xiàn)[4]中提出了數(shù)字振蕩器的多種方法實(shí)現(xiàn)，并對(duì)每個(gè)方法的性能進(jìn)行了對(duì)比。參考文獻(xiàn)[5]中介紹了一種將多相濾波結(jié)構(gòu)應(yīng)用于寬帶的級(jí)聯(lián)濾波器組，實(shí)現(xiàn)了任意插值和多相信道化。參考文獻(xiàn)[6]中介紹一種基于多相濾波的寬帶數(shù)字化接收機(jī)的設(shè)計(jì)及其FPGA實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[7]提出了濾波器在電子設(shè)備中的重要性，并介紹了多相濾波器的設(shè)計(jì)流程及仿真分析。
    本文首先利用帶通采樣定理對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采集，使ADC更加靠近射頻；然后利用采樣頻率、中頻頻率和本振頻率的特殊關(guān)系改進(jìn)正交混頻結(jié)構(gòu)，使之資源使用量更少并且具有更大吞吐量；最后，利用上述的混頻結(jié)構(gòu)，濾波器采用多相抽取混頻濾波器結(jié)構(gòu)，節(jié)省了大量資源，并能達(dá)到很好的效果。
1 數(shù)字下變頻
    本文以一種寬帶雷達(dá)數(shù)字化接收機(jī)為例，對(duì)如何設(shè)計(jì)基于帶通采樣的數(shù)字下變頻及其FPGA實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述，基本原理框圖如圖1所示。
    基于圖1的原理框圖，本文以輸入信號(hào)fIF模擬中頻f0=125 MHz、帶寬B=40 MHz為例進(jìn)行分析。該信號(hào)經(jīng)過(guò)AD采樣后，進(jìn)行數(shù)字下變頻處理。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器件選擇TI公司的ADS5474，其最高的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到400 MS/s。
2 數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)
2.1 帶通采樣定理
    對(duì)于一個(gè)高頻信號(hào)，采樣率的提高對(duì)信號(hào)采樣量化的信噪比的提高是很有利的。但是，在接收機(jī)設(shè)計(jì)中還需要綜合考慮ADC芯片的采樣速率、后續(xù)濾波器的設(shè)計(jì)以及后端對(duì)數(shù)據(jù)率的要求。
    基于以上問(wèn)題，在本設(shè)計(jì)中考慮到DDS混頻時(shí)，對(duì)于數(shù)控振蕩器的設(shè)計(jì)，如果選定特殊采樣頻率，則會(huì)對(duì)截位誤差和幅度量化所帶來(lái)的雜散有良好的改善。先利用帶通采樣的方法(如圖1所示)將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。在設(shè)計(jì)中輸入信號(hào)選取在中頻fIF與采樣頻率fs之間。對(duì)于一個(gè)給定的采樣頻率，由式(1)可以選取一個(gè)合適的中頻，在實(shí)際工程中，中頻的最大取值受ADC芯片的模擬帶寬的限制。
 
    值得注意的是，ADC芯片在轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)據(jù)是用二進(jìn)制數(shù)補(bǔ)碼進(jìn)行編碼。為了后續(xù)濾波處理，需要將其轉(zhuǎn)化為偏移二進(jìn)制[8]表示。
2.2 數(shù)控振蕩器
    數(shù)字下變頻是在ADC采樣完成后，包括正交混頻、抽取和濾波。其功能主要是將采集的中頻數(shù)字信號(hào)變換為基帶信號(hào)，降低數(shù)據(jù)的處理速率，這是整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理量最大的部分。

    根據(jù)以上公式得到數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
    利用Noble恒等式可以將多抽樣率網(wǎng)絡(luò)中的抽樣變換結(jié)構(gòu)移到更有利的位置，結(jié)構(gòu)如圖4所示。
    本文中多相抽取濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3.2 多相濾波器的設(shè)計(jì)
    根據(jù)以上多相濾波器的設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)要求及數(shù)控振蕩器得到的數(shù)據(jù)，濾波器參數(shù)如表1所示。

    多相抽取濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)中，有一個(gè)值得注意的問(wèn)題是對(duì)數(shù)據(jù)溢出的處理。兩個(gè)定點(diǎn)數(shù)相加后得到的總和可能超出了存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果的寄存器的動(dòng)態(tài)范圍，從而導(dǎo)致溢出。溢出的結(jié)果將導(dǎo)致嚴(yán)重的輸出失真，并且可能在濾波器輸出端造成較大的振幅震蕩。
    本文中對(duì)溢出的處理方案是：運(yùn)用模2k+M補(bǔ)碼編碼方案[9]，即先將符號(hào)位進(jìn)行擴(kuò)展，再進(jìn)行運(yùn)算。令M=2，即模2k+2補(bǔ)碼方式，就是將符號(hào)位進(jìn)行擴(kuò)展，將原來(lái)使用“0”和“1”表示正負(fù)轉(zhuǎn)換為用“00”和“11”分別表示正和負(fù)。接著再進(jìn)行FIR濾波處理后，就會(huì)避免了溢出情況。
3 仿真結(jié)果分析
3.1 Matlab仿真結(jié)果
    根據(jù)以上對(duì)系統(tǒng)各個(gè)組成部分的分析，用Matlab進(jìn)行仿真分析。其中輸入信號(hào)中頻率為125 MHz，中頻帶寬為40 MHz，時(shí)寬為10 ?滋s，采樣率為100 MHz，抽取因子為2，信號(hào)方式為L(zhǎng)FM，則可得到圖6所示仿真結(jié)果。
    圖6(a)為輸入信號(hào)的時(shí)域波形及其頻域圖；圖6(b)為輸入信號(hào)進(jìn)行DDC下變頻、抽取濾波后，I路輸出的時(shí)域波形圖；圖6(c)為輸入信號(hào)進(jìn)行DDC下變頻、抽取濾波后，Q路輸出的時(shí)域波形圖。
    圖7為基于傳統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)的DDC與基于多相濾波器設(shè)計(jì)的DDC輸出信號(hào)頻譜的對(duì)比，可明顯看出兩種處理效果很相近。

 

 

3.2 FPGA實(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果
    本文采用Xilinx公司的Virtex-5系列XC5VSX95T芯片對(duì)傳統(tǒng)的混頻濾波設(shè)計(jì)和本文中設(shè)計(jì)的多相結(jié)構(gòu)下變頻分別進(jìn)行FPGA仿真，結(jié)果如表2所示。

    從表2可以看出，多相結(jié)構(gòu)大大減少了硬件資源的使用，提高了資源利用率。
    本文介紹了一種基于帶通采樣的數(shù)字下變頻的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并做了以下改進(jìn)：(1)對(duì)帶通采樣中采樣頻率和中頻選取進(jìn)行分析，頻率選取更為合理，便于后續(xù)處理；(2)由采樣頻率和中頻的關(guān)系，對(duì)混頻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，混頻結(jié)果得到明顯改善；(3)由并行混頻結(jié)構(gòu)，文中采用多相抽取濾波器結(jié)構(gòu)，在確保效果的同時(shí)，使得資源利用率更高。該設(shè)計(jì)靈活、高效，有可行性，相關(guān)技術(shù)已應(yīng)用于某中頻寬帶雷達(dá)接收機(jī)中。
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