宽带短波信道模拟器中数字下变频的实现

　　2. 1 数控振荡器设计

　　NCO 是决定DDC 性能的主要因素之一。NCO的目标是产生频率可变的正交正、余弦样本信号。

　　NCO 采用直接数字合成( DDS) 的方法实现，目前常见的技术有查表法和CORDIC 计算法，在软件无线电超高速的信号采样频率的情况下，NCO 实时的计算方法是很难实现的。此时，NCO 产生的正弦样本最有效和最简单的方法就是查表法，即事先根据各个NCO 正弦波相位计算好相位的正弦值，并按相位角度作为地址存储该相位的正弦值数据，其原理图如图2 所示。

图2 基于查表法的NCO 原理图

　　图2 中，32 位累加器由一个32 位的加法器和一个32 位寄存器组成，在时钟的作用下，加法器通过寄存器将输出数据送入到加法器的一个输入端,与32 位的频率控制字进行相加运算，得到一个有规律的相位累加结果。查找表实际上是一个存储了正弦信号抽样点幅度编码的只读存储器ROM，但ROM表的大小会随地址位数的增加成指数递增关系，因此，为了不减少查找表的地址位数而满足信号性能,必须采用优化方法来减小ROM 表的大小。根据正弦波的对称特性，只需存储四分之一周期的幅值，再通过相应的转换即可恢复出整个周期的幅值。同时，由于余弦波和正弦波相位差为??/ 2，可以很容易地实现余弦信号。

　　完成DDC 的NCO 模块设计后，将需要下变频的输入信号与NCO 产生的2 路正交本振信号进行相乘，完成数字混频正交变换，即完成频谱搬移。

　　2. 2 CIC 滤波器设计

　　CIC 积分梳状滤波器是实现高速抽取非常有效的单元。CIC 滤波器的单位冲激响应为：

　　式中，D 是CIC 滤波器的阶数，滤波器系数都为1。

　　根据Z 变换的定义，CIC 滤波器的Z 变换为:

　　从式( 2) 可以看出CIC 滤波器由2 部分组成，即积分器和梳状器级联组成，其实现非常简单，只有加减运算，没有乘法运算，FPGA 实现时可达到很高的处理速率。但是，单级CIC 滤波器的旁瓣电平只比主瓣低13. 46 dB，这就意味着阻带衰减很差，一般是难以满足实用要求的。为了降低旁瓣电平，可以采取多级CIC 滤波器级联的办法解决。

　　N 级CIC 滤波器级联的带内容差是单级CIC 滤波器带内容差的N 倍，这意味着多级CIC 滤波器级联增大阻带衰减的同时也增大了带内容差。所以,CIC 滤波器的级联数是有限的不宜超过5 级。

　　该设计中，CIC 滤波器需要完成16 倍的抽取,采用5 级级联来实现，输入和输出部分的位宽均为12 bit，在MATLAB 仿真的结果如图3 所示。

图3 CIC 滤波器幅度特性

　　经过CIC 滤波器后，信号采样速率经过16 倍抽取后变为4 MHz，从而实现了抽取功能，同时也降低了采样速率。