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寬帶數字下變頻器的FPGA實現
作者:日期:2012/7/26 9:34:21

 隨著軟件無線電理論的日趨成熟,軟件無線電技術越來越多地應用到軍用或民用通信系統中。其中,數字下變頻技術(DDC)是軟件無線電中的核心技術之一。數字下變頻工作在模擬前端輸入模擬信號經模數轉換之后,而在終端設備的數字信號處理之前,它主要用于實現將中頻信號頻譜變到零中頻后,再對信號進行抽取,使采樣速率變至后端數字信號處理單元所需要的處理速率。
目前隨著A/D變換越來越向射頻前端發展,高速采樣速率對后續的數字信號處理和整個系統的協調工作帶來了越來越大的壓力。為了解決高速采樣的大數據量與現有DSP器件處理能力之間很難匹配的問題,設計了一種基于多相濾波的寬帶數字下變頻結構,將多相濾波下變頻的并行結構應用到數字下變頻器中,并在后續的混頻模塊中也采用并行混頻的方式來實現,提高了實時處理速度。從原理分析和FPGA板卡驗證兩方面對該設計方案進行了驗證,均證明本文經過多相濾波數字下變頻處理后的數據速率能滿足現有DSP器件處理能力的要求。
1 基于多相濾波的寬帶正交數字下變頻技術
1.1 帶通采樣定理
帶通采樣定理:設一個頻率帶限信號x(t),其頻帶限制在(fL,fH)這一范圍,如果采樣頻率滿足fS滿足:




式中,n取能滿足fS≥2(fH-fL)=2B的最大正整數,則用fS進行等間隔采樣所得到的信號采樣值x(nTS)能準確地確定原信號x(t)。顯然,當fL=0且fH=B時,選擇n=0,式(1)就是Nyquist低通采樣定理,它是帶通采樣的一種特殊情況。
在實際的數字接收機中,信號的帶寬B一般會遠小于信號的最高頻率,如果還是按照Nyquist采樣率來設計,ADC的采樣頻率會很高,以至于很難實現,或者后處理的速度也滿足不了要求。所以很自然地考慮用不丟失信息的帶通采樣定理實現。數字接收機輸入的中頻信號都是帶通信號,接收機數字化通常在中頻上進行,所以各種電子裝備都可運用帶通采樣定理對模擬信號進行采樣將其數字化。
1.2 正交數字下變頻
所謂數字混頻正交變換實際上就是先對模擬信號x(t)通過采樣器后形成數字序列x(n),然后與2個正交本振序列cos(ω0n)和sin(ω0n)相乘,再通過數字低通濾波來實現。實現框圖如圖1所示。


圖1正交數字下變頻結構圖

經過正交數字下變頻后,采樣率就可以降低了,因此低通濾波器后往往進行抽取操作。
正交數字下變頻可以實現IQ支路的平衡,為實現嚴格正交,通常需要進行IQ均衡處理,正交下變頻方法在頻率調制和相位調制應用中得到廣泛的應用。
1.3 抽取器的多相濾波
假設FIR數字濾波器的沖擊響應為h(n),則其Z變換的定義為

,將求和式展開并重寫為:



經過合并后可以寫為:

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