基于FPGA的DDC的设计

摘要：数字下变频技术是软件无线电的核心技术之一。本文首先介绍了DDC的组成结构，然后详细分析了DDC各功能模块的工作原理，通过Modelsim完成了DDC其主要模块的仿真和调试，并进行初步系统级验证。在仿真的基础上使用了FPGA开发系统，实测了DDC的性能。
关键词：DDC；数控振荡器；查表法；数字混频器；现场可编程门阵列

0 引言
近年来，软件无线电已经成为通信领域一个新的发展方向，数字下变频技术(Digital Down Converter-DDC)是软件无线电的核心技术之一，也是计算量最大的部分，一般通过FPGA或专用芯片等硬件实现。
现场可编程门阵列(FPGA)是一种由用户自行配置的高密度专用数字集成芯片，具有小型化、低功耗、可编程、数字化和快速方便实用的特点。FPGA的灵活性与高速处理的能力，使其由一种灵活的逻辑设计平台发展为重要的信号处理元件，在各种软件无线电产品中得到了广泛的应用。
本文设计和实现了基于FPGA的可编程DDC(DDC)，用于宽带数字中频软件无线电接收机中，完成数字下变频、数据抽取等功能。采用自顶向下的模块化设计方法，将整个DDC划分为基本单元，实现这些功能模块并组成模块库。在具体应用时，优化配置各个模块来满足具体无线通
信系统性能的要求。
DDC由数控振荡器(NCO)、数字混频器和积分清洗滤波器三部分组成，如图1所示。从原理上比较，DDC和模拟下变频器是一致的，都是输入信号与本地振荡信号混频，然后经低通滤波器滤除高频分量，得到基带信号。

1 DDC的设计
1．1 数控振荡器的设计
NCO是DDC中的重要组成部分，NCO的目标是产生频率可变的正交正、余弦样本信号。NCO产生正弦波样本通常可采用查表法。即通过输入的相位数据来寻址查表以输出相应的正弦波幅值。如图2所示，码发生器由相位累加器和查找表构成。累加器按已定的步长进行累加，在每个参考时钟周期累加，并将结果存入寄存器。当结果溢出时重复执行，累加的过程可以看作NCO输出频率的周期。使用查找表选择相应的SIN和COS值输出。若使用字长为N位宽的累加器，对于某一频率控制字A，输出频率fout与输入频率控制字A的关系为：

其中，fclk为系统时钟。只要改变控制字A的大小，就可以控制输出频率fout。fout变化的最小步长△f由累加器的数据宽度决定。即：

1．2 数字混频器和积分清洗滤波器的设计及实现
在本设计中，全部过程均采用数字化处理，DDC由一对载波混频器和一对积分清洗滤波器组成。载波混频器主要用来实现下变频，积分清洗滤波器用来去掉高频分量，数据信息通过监测相邻两个符号时间内的相位变化来解调数据。两路信号在经过积分清洗滤波器后，输出信号的函数形式仍然不变，只是信号的幅值发生了变化。
由于利用FPGA设计时，采用的是数字化的解调过程，因此在用VHDL实现时，需要将送过来的基于比特数据类型的位矢量先转化为有符号数，然后再进行数字运算，运算过程结束后，再将其转化为位矢量以便于进行信号的传输。两个载波混频器的输入信号为前端送来的2比特的采样数据，取值分别为±1和±3，其中，“00”代表‘1’，“01”代表‘3’，“10”代表‘-1’，“11”代表‘-3’，同样，本地载波取值±1，±3，这样经过载波混频后得到了±1、±3、±9等6个值。将这6个值用三位二进制数表示，高位为符号位，0表示正，1表示负，低位为数据位00、01、10分别代表1、3、9。所以载波混频器比较简单，用简单的门电路就可以实现，图3为混频器的综合图。对于本系统来说，虽然载波NCO的输出不是一个方波，但对整体设计没什么影响。

在实现积分清洗滤波时，采取了前后两个样点相加(基于主时钟mainclk)，然后由chip时钟(chipclk)进行抽样输出。这样做可以回避低通滤波器的同步问题。因为如果采取累加10次(Tchip=10Tmain)然后输出累加量方式的话，需要准确确定Iout和Qout的chip同步点，这样才能恢复出正确的基带信号。因此接收进来的QPSK信号经过下变频和低通滤波后的波形如图5中的i out和q out所示。