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1、文章編號：1009-8119（2006）01-0043-02基于FPGA的數(shù)字中頻接收系統(tǒng)趙國棟 郭德淳（北京理工大學信息科學技術學院，北京 100081）摘 要 對基于軟件無線電的數(shù)字中頻接收系統(tǒng)進行了討論，對基于FPGA的數(shù)字下變頻模塊進行了優(yōu)化設計，并給出了具體設計方案。關鍵詞 軟件無線電，數(shù)字中頻，數(shù)字下變頻器，F(xiàn)PGA，DDCDigital Intermediate Frequency Receiving System Based on FPGAZhao Guodong Guo Dechun（School of Information and Science，Beijing Inst

2、itute of Technology，Beijing 100081）Abstract In this paper，some techniques in digital intermediate frequency receiving system were introduced。The DDC based on FPGA is studied, and one specific design is given too.Keywords Software radio，Digital intermediate frequency，CIC，F(xiàn)PGA，DDC61 引言軟件無線電技術是現(xiàn)代無線電技術領

3、域的一次革命，它不僅是軍事研究的課題，而且已成為當前新一代無線通信系統(tǒng)的關鍵技術。軟件無線電的核心思想是構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調制解調類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶A/D轉換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)1軟件無線電技術極大地促進了數(shù)字中頻接收技術的發(fā)展。數(shù)字中頻接收系統(tǒng)采用寬帶中頻結構，對信號在中頻進行寬帶數(shù)字化處理，不僅在一定程度上簡化了接收機前端電路設計，而且配以后續(xù)的數(shù)字化處理，具有更好的波形適應性、信號帶寬適應性以及可擴展性，是近期最為可行的一種設計方案。2 數(shù)字中頻

4、接收系統(tǒng)數(shù)字中頻接收系統(tǒng)的框圖如圖1所示。ADC數(shù)字下變頻及抽取濾波DSP+軟件中頻輸入基帶信號圖1 數(shù)字中頻接收系統(tǒng)數(shù)字中頻接收系統(tǒng)是由高速ADC模塊、數(shù)字下變頻及抽取濾波處理模塊,以及專用數(shù)字信號處理（DSP）模塊組成。輸入的模擬中頻信號先經(jīng)過高速ADC模塊，在中頻進行帶通采樣數(shù)字化，然后進行數(shù)字下變頻，將感興趣的信號轉換至基帶，同時做抽樣率轉換及濾波處理，之后由后續(xù)的專用數(shù)字信號處理器（DSP）進基帶信號處理。中頻采樣由高速ADC來完成，由于中頻數(shù)字接收系統(tǒng)是對信號在中頻進行數(shù)字化，因此選用帶通欠采樣（相對于載波信號）的方法，用相對較低的采樣速率來反映信號的特性，不僅可以大大降低采樣速率

5、，同時還可以完成頻譜下搬移的過程，在很大程度上減少了后面DSP芯片信號處理的負擔。A/D采樣之后的數(shù)字信號速率非常高，要從這些高速信號中得到有用的基帶信號，需要有效地對其進行數(shù)字下變頻、抽取、濾波等處理，這些功能可以采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）來實現(xiàn)。FPGA具有較高的處理速度和較高的穩(wěn)定性，同時又具有設計靈活、易于修改和維護的優(yōu)點，可以適應不同的系統(tǒng)的要求，采用靈活的結構滿足不同的需要，提高了系統(tǒng)的適用性及可擴展性。專用數(shù)字信號處理器（DSP）主要是通過軟件來實現(xiàn)數(shù)字基帶信號處理以及比特流控制、編碼解碼等高速的數(shù)據(jù)交換和處理功能。DSP的運算速度和精度決定著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時也會對

6、整個系統(tǒng)的性能和結構產(chǎn)生重要的影響。在本文所設計的中頻數(shù)字化接收系統(tǒng)中，輸入信號為中頻70MHz，帶寬2MHz，A/D轉換器采用AD公司的AD6645,采樣精度14位，采樣頻率60MHz，數(shù)字下變頻模塊將其轉換為正交數(shù)字基帶信號，并實現(xiàn)10倍抽取，輸出的6MHz速率數(shù)據(jù)送入專用數(shù)字信號處理器進行基帶數(shù)字信號處理。3 基于FPGA的數(shù)字下變頻及抽取濾波設計數(shù)字下變頻克服了模擬下變頻中存在的混頻器的非線性和模擬本振的頻率穩(wěn)定度、邊帶、相位噪聲、溫度漂移、轉換速率等問題，其頻率步進、頻率間隔也具有理想的特性，因而得到了廣泛應用1。數(shù)字下變頻原理框圖如圖2所示。五級CIC濾波器補償濾波器半帶濾波器 圖

7、4 多級抽取濾波整體方案抽取濾波抽取濾波NCO圖2 數(shù)字下變頻框圖數(shù)字下變頻由數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器（Numerically Controlled OscillatorNCO）、和抽取濾波部分組成。NCO產(chǎn)生的正交本振信號輸入到數(shù)字混頻器與輸入信號進行混頻，經(jīng)混頻后的信號輸出到抽取濾波器以濾除倍頻分量和帶外信號，并進行抽取處理。3.1 數(shù)控振蕩器（NCO）數(shù)控振蕩器（NCO）是決定數(shù)字下變頻（DDC）的性能的主要因素之一。NCO的目標是產(chǎn)生頻率可變的正交正、余弦樣本，在FPGA中，NCO采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）的方法來實現(xiàn)，其基本結構如圖3所示2。CLK量化正余弦查找表 CLK相位偏

8、置相位累加器圖3 NCO實現(xiàn)結構框圖NCO由相位累加器、相位加法器和正余弦查找表組成。相位增量通過相位累加器后得到相應的相位信息，每來一個時鐘相位就在原來的基礎上增加一個相位增量，相位加法器可產(chǎn)生一定的初始相位偏置，對NCO的輸出相位進行調整。DDS的輸出頻率為：，頻率分辨率為：，相位增量可由以下公式確定：，其中為相位累加器的位數(shù)，為量化截斷后的位數(shù)。當?shù)娜≈禐楣潭ㄖ禃r，DDS輸出為固定頻率信號；當相位增量設為外部輸入可變值時相應的DDS的輸出可為掃頻信號2。本設計所采用的是固定輸出頻率信號，乘法器的位數(shù)是28位，DDS的相位累加器位數(shù)是32位，頻率分辨率為0.1Hz，查找表地址寬度為12位，

9、正弦值數(shù)據(jù)位數(shù)為16位。3.2 多級抽取濾波器的設計數(shù)字混頻之后的信號具有很高的數(shù)據(jù)速率，需要進行降速率抽取處理，要實現(xiàn)無失真的抽取，必須設計高效的抽取濾波器來防止頻率混疊。根據(jù)本設計中中頻數(shù)字接收系統(tǒng)的要求，采用3級級聯(lián)抽取來實現(xiàn)總抽取因子D10的降速率處理，具體方案如下：選取第一級抽取因子,采用五級級聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器實現(xiàn)，CIC濾波器輸入數(shù)據(jù)流的速率為60MHz，輸出速率為12MHz；第二級抽取因子，采用補償濾波器用來對前級CIC濾波器的幅度特性進行補償；第三級抽取因子D32，用半帶濾波器來實現(xiàn)，半帶濾波器的輸入數(shù)據(jù)率為12MHz，輸出數(shù)據(jù)率為6MHz。整體方案如圖4所示。3.2

10、.1 積分梳狀（CIC）濾波器的設計當延遲系數(shù)為1時，級聯(lián)梳狀濾波器的頻譜的零點出現(xiàn)在處，D為抽取因子。對于CIC抽取濾波器，在零點附近區(qū)域會出現(xiàn)混疊帶，這些混疊帶將被折疊進通帶引起混疊。在單級CIC濾波器中，如果信號帶寬較窄，且CIC濾波器的幅頻響應在處的衰減值足夠大，則抽取后在其信號帶寬內(nèi)的混疊可忽略不計。如果單級衰減不滿足要求,則可采用級聯(lián)的方式, 這時的阻帶衰減為單級的Q倍,即Q, Q為級數(shù)3。CIC 濾波器設計時還應注意，在信號帶寬處的幅度不能夠下降太多,即在處的衰減不能太大。與阻帶衰減相同，Q級CIC濾波器的通帶衰減為Q。因此,多級級聯(lián)雖然可以增大阻帶衰減,減小混疊影響,但會增大帶

11、內(nèi)衰減,因此，CIC濾波器的級聯(lián)數(shù)不能過大3。對于本文所討論的無混疊信號帶寬，因此，有：。由式5.1和式5.2得，。由于單級衰減太小，不滿足要求，此時可采用5級級聯(lián)，此時其阻帶衰減為，通帶衰減為，因此，采用5級級聯(lián)，其阻帶衰減足夠滿足系統(tǒng)的要求。五級級聯(lián)CIC濾波器的幅度響應如圖5所示。圖5 五級級聯(lián)積分梳狀濾波器 3.2.2 補償濾波器的設計經(jīng)過5級CIC濾波器的5倍抽取之后，信號的輸出采樣率為12MHz。在歸一化頻率為0.3333的頻率上，阻帶抑制達到69.9dB，滿足系統(tǒng)的要求，然而在通帶截止頻率處，波動系數(shù)約為1.93dB，對通帶內(nèi)的信號來說，仍會造成很大的衰減。因此，在第二級抽取中，

12、設計與5級級聯(lián)CIC濾波器幅度響應相匹配的補償濾波器，對其幅度響應進行優(yōu)化補償，使通帶內(nèi)的衰減和波動達到較好的指標。補償濾波器的幅度響應如圖6所示。 圖6 補償濾波器的幅度響應圖6 補償濾波器的幅度響應經(jīng)過補償濾波器（CFIR）的優(yōu)化補償之后，在歸一化頻率為0.0667的頻率上的波動系數(shù)為0.0792dB，比未補償前有了很大的改善。3.2.3 半帶濾波器的設計經(jīng)過CIC濾波器的5倍抽取之后，信號的輸出采樣率為12MHz，此時信號再通過半帶濾波器進行第三級抽取。半帶濾波器的輸入采樣頻率為12MHz，輸出采樣率為6MHz，通帶寬度，則，這時的采樣率是經(jīng)過前一級后的輸出采樣頻率12MHz。由于在半帶

13、濾波器中有關系式，所以阻帶截止頻率，取通帶截止頻率，阻帶誤差容限，即阻帶衰減為60dB按以上參數(shù)設計半帶濾波器，其幅度響應如圖7所示。圖7 半帶濾波器幅度響應4 結束語本文提出了一種基于軟件無線電的數(shù)字中頻接受系統(tǒng)設計方案，構建了一個高速ADC+FPGA+DSP的硬件平臺。以此平臺為基礎，根據(jù)系統(tǒng)的要求對數(shù)字下變頻及多級抽取濾波器進行了優(yōu)化設計，并通過仿真驗證了抽取濾波器的各項指標。本文采用FPGA+DSP的結構，既兼顧了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度和精度的要求，又發(fā)揮了FPGA和DSP設計靈活、易于修改和維護的特點，提高了系統(tǒng)的適用性和擴展性，基本達到了數(shù)字中頻接收機系統(tǒng)的要求。 參考文獻1 楊小牛，

14、樓才義，徐建良軟件無線電原理與應用北京：電子工業(yè)出版社，2001：12 Digital Down Converter V1.0，Data Sheet. Xlinx，Inc.,2002：53 申東，羅進文數(shù)字下變頻器中多級抽取濾波器的設計與實現(xiàn)蘭州交通大學學報，2004；23（4）我的大學愛情觀1、什么是大學愛情：大學是一個相對寬松，時間自由，自己支配的環(huán)境，也正因為這樣，培植愛情之花最肥沃的土地。大學生戀愛一直是大學校園的熱門話題，戀愛和學業(yè)也就自然成為了大學生在校期間面對的兩個主要問題。戀愛關系處理得好、正確，健康，可以成為學習和事業(yè)的催化劑，使人學習努力、成績上升；戀愛關系處理的不當，不健

15、康，可能分散精力、浪費時間、情緒波動、成績下降。因此，大學生的戀愛觀必須樹立在健康之上，并且樹立正確的戀愛觀是十分有必要的。因此我從下面幾方面談談自己的對大學愛情觀。2、什么是健康的愛情：1) 尊重對方，不顯示對愛情的占有欲，不把愛情放第一位，不癡情過分；2) 理解對方，互相關心，互相支持，互相鼓勵，并以對方的幸福為自己的滿足; 3) 是彼此獨立的前提下結合；3、什么是不健康的愛情：1)盲目的約會，忽視了學業(yè);2)過于癡情，一味地要求對方表露愛的情懷，這種愛情常有病態(tài)的夸張;3)缺乏體貼憐愛之心，只表現(xiàn)自己強烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大學生處理兩人的在愛情觀需要三思：1. 不影響學

16、習：大學戀愛可以說是一種必要的經(jīng)歷，學習是大學的基本和主要任務，這兩者之間有錯綜復雜的關系，有的學生因為愛情，過分的忽視了學習，把感情放在第一位；學習的時候就認真的去學，不要去想愛情中的事，談戀愛的時候用心去談，也可以交流下學習，互相鼓勵，共同進步。2. 有足夠的精力：大學生活，說忙也會很忙，但說輕松也是相對會輕松的！大學生戀愛必須合理安排自身的精力，忙于學習的同時不能因為感情的事情分心，不能在學習期間，放棄學習而去談感情，把握合理的精力，分配好學習和感情。3、 有合理的時間；大學時間可以分為學習和生活時間，合理把握好學習時間和生活時間的“度”很重要；學習的時候，不能分配學習時間去安排兩人的在

17、一起的事情，應該以學習為第一；生活時間，兩人可以相互談談戀愛，用心去談，也可以交流下學習，互相鼓勵，共同進步。5、大學生對愛情需要認識與理解，主要涉及到以下幾個方面：（1） 明確學生的主要任務“放棄時間的人，時間也會放棄他?！贝髮W時代是吸納知識、增長才干的時期。作為當代大學生，要認識到現(xiàn)在的任務是學習學習做人、學習知識、學習為人民服務的本領。在校大學生要集中精力，投入到學習和社會實踐中，而不是因把過多的精力、時間用于談情說愛浪費寶貴的青春年華。因此，明確自己的目標，規(guī)劃自己的學習道路，合理分配好學習和戀愛的地位。（2） 樹林正確的戀愛觀提倡志同道合、有默契、相互喜歡的愛情：在戀人的選擇上最重要

18、的條件應該是志同道合，思想品德、事業(yè)理想和生活情趣等大體一致。擺正愛情與學習、事業(yè)的關系：大學生應該把學習、事業(yè)放在首位，擺正愛情與學習、事業(yè)的關系，不能把寶貴的大學時間，鍛煉自身的時間都用于談情說有愛而放松了學習。 相互理解、相互信任，是一份責任和奉獻。愛情是奉獻而不時索取，是擁有而不是占有。身邊的人與事時刻為我們敲響警鐘，不再讓悲劇重演。生命只有一次，不會重來，大學生一定要樹立正確的愛情觀。（3） 發(fā)展健康的戀愛行為 在當今大學校園，情侶成雙入對已司空見慣。抑制大學生戀愛是不實際的，大學生一定要發(fā)展健康的戀愛行為。與戀人多談談學習與工作，把戀愛行為限制在社會規(guī)范內(nèi)，不致越軌，要使愛情沿著健

19、康的道路發(fā)展。正如馬克思所說：“在我看來，真正的愛情是表現(xiàn)在戀人對他的偶像采取含蓄、謙恭甚至羞澀的態(tài)度，而絕不是表現(xiàn)在隨意流露熱情和過早的親昵。”（4） 愛情不是一件跟風的事兒。很多大學生的愛情實際上是跟風的結果，是看到別人有了愛情，看到別人幸福的樣子（注意，只是看上去很美），產(chǎn)生了羊群心理，也就花了大把的時間和精力去尋找愛情（5） 距離才是保持愛情之花常開不敗的法寶。愛情到底需要花多少時間，這是一個很大的問題。有的大學生愛情失敗，不是因為男女雙方在一起的時間太少，而是因為他們在一起的時間太多。相反，很多大學生戀愛成功，不是因為男女雙方在一起的時間太少，而是因為他們準確地把握了在一起的時間的多

20、少程度。（6） 愛情不是自我封閉的二人世界。很多人過分的活在兩人世界，對身邊的同學，身邊好友漸漸的失去聯(lián)系，失去了對話，生活中只有彼此兩人；班級活動也不參加，社外活動也不參加，每天除了對方還是對方，這樣不利于大學生健康發(fā)展，不僅影響學習，影響了自身交際和合作能力?？偨Y：男女之間面對戀愛，首先要擺正好自己的心態(tài)，樹立自尊、自愛、自強、自重應有的品格，千萬不要盲目地追求愛，也不宜過急追求愛，要分清自己的條件是否成熟。要樹立正確的戀愛觀，明確大學的目的，以學習為第一；規(guī)劃好大學計劃，在不影響學習的條件下，要對戀愛認真，專一，相互鼓勵，相互學習，共同進步；認真對待戀愛觀，做健康的戀愛；總之，我們大學生要樹立正確的戀愛觀念，讓大學的愛情成為青春記憶里最美的風景，而不是終身的遺憾！