數(shù)字下變頻器的FPGA設(shè)計實現(xiàn)

1、解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院1龔玉萍 講師理 工 大 學(xué) 通 信 工 程 學(xué) 院理 工 大 學(xué) 通 信 工 程 學(xué) 院無線通信系通信對抗教研室解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院2實驗?zāi)康睦斫鈹?shù)字下變頻器的基本原理掌握數(shù)字下變頻器的設(shè)計方法學(xué)習(xí)如何用Matlab輔助完成FPGA設(shè)計實驗要求根據(jù)給定的數(shù)字下變頻器性能指標(biāo)要求，利用Matlab輔助完成各功能模塊的參數(shù)設(shè)計完成數(shù)字下變頻器的FPGA設(shè)計，進(jìn)行時序仿真，并對結(jié)果進(jìn)行分析解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院3相關(guān)先修課程數(shù)字信號處理軟件無線電實驗涉及到的相關(guān)基本原理數(shù)字下變頻器多速率信號處理CIC抽取濾波器FIR濾波器解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院4 本講主要內(nèi)

2、容 一、數(shù)字下變頻器的基本原理 三、數(shù)字下變頻器的FPGA實現(xiàn) 四、擴(kuò)展實驗 二、數(shù)字下變頻器的Matlab設(shè)計解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院5數(shù)字變頻是實現(xiàn)軟件無線電的核心技術(shù)之一。模擬變頻 VS. 數(shù)字變頻 n模擬變頻：混頻器具有非線性；模擬本振的頻率穩(wěn)定度、相位噪聲、溫度漂移、轉(zhuǎn)換速率等性能指標(biāo)較差。n數(shù)字變頻：載頻與數(shù)字濾波器系數(shù)具有可編程性；數(shù)字混頻不存在非線性失真；數(shù)字濾波頻響特性好。思考：軟件無線電可采用哪幾種類型的數(shù)字化方式？從工程實現(xiàn)角度出發(fā)，現(xiàn)階段那種方式比較合適？解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院6數(shù)字下變頻器（Digital Down-Converters DDC）由數(shù)字混頻器、數(shù)

3、字頻率合成器和低通濾波器三部分組成。)cos(0nx(t)LPFLPFx(n)(tZBI)(tZBQ)sin(0nA/D解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院7進(jìn)行頻譜搬移 降低采樣速率 通過抽取將高速采樣信號降低為低速基帶采樣信號。)cos(0nx(t)LPFLPFx(n)(tZBI)(tZBQ)sin(0nA/D解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院8單級實現(xiàn) 采樣速率高、過渡帶寬窄導(dǎo)致濾波器階數(shù)巨大，工程上難以實現(xiàn)。多級實現(xiàn) 分級抽取，每一級設(shè)計不同的過渡帶寬，可有效減小各級所需濾波器的階數(shù)。進(jìn)一步改進(jìn)措施 采用積分梳狀（Cascaded Integrator-Comb CIC）濾波器，降低對計算量的要求。帶來

4、的問題 通帶內(nèi)的衰減，由CIC補(bǔ)償濾波器對幅頻相應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院9X (n)0cos()n0sin()nX (t)解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院10設(shè)計內(nèi)容指標(biāo)要求中頻頻率21.4MHzAD采樣速率57.6MHz（14比特）信號帶寬160kHz基帶采樣速率720kHz通帶波動小于0.1dB阻帶截止頻率100kHz阻帶衰減-60dBCIC濾波器混疊抑制-80dB解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院11步驟一：確定數(shù)字頻率合成器輸出頻率fc=21.4MHz步驟二：確定總抽取率DD= 57.6MHz720kHz = 80步驟三：確定各級濾波器設(shè)計參數(shù)CIC濾波器：抽取率、級數(shù)補(bǔ)償濾波器和FI

5、R濾波器：抽取率、階數(shù)及系數(shù)解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院12抽取對數(shù)字頻譜的影響分析10/ )2(1)(DlDljjDeXDeX頻譜擴(kuò)展+頻譜疊加 要求頻域中只含有小于/D 的頻率分量/2sff/2sfsfsf解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院13ss/=20logsin(/)NffDffD00.10.20.30.40.50.60.70.80.9-140-120-100-80-60-40-200Normalized Frequency ( rad/sample)Magnitude (dB)Magnitude Response (dB) Filter #1: QuantizedFilter #1: Ref

6、erenceCIC濾波器幅頻響應(yīng)(D=8 N=5)CIC濾波器幅頻響應(yīng)衰減值：最大混疊出現(xiàn)在什么位置？fBfS/D- fBsBff/D解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院14抽取率D1 級數(shù)N阻帶衰減指標(biāo)滿足抗混疊要求D=20D=40N=4-90.444dB-64.5dBN=5-113.0555dB-80.6261dB解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院15hcic = mfilt.cicdecim(R,M,N,IWL,OWL);參數(shù)參數(shù)取值取值意義意義R40CIC濾波器抽取率濾波器抽取率M1微分延遲值微分延遲值N5CIC濾波器級數(shù)濾波器級數(shù)IWL14輸入字長輸入字長OWL18輸出字長輸出字長解放軍理工大學(xué)通信工

7、程學(xué)院1600.10.20.30.40.50.60.70.80.9-180-160-140-120-100-80-60-40-200Normalized Frequency ( rad/sample)Magnitude (dB)Magnitude Response (dB) Filter #1: QuantizedFilter #1: ReferenceCIC濾波器幅頻響應(yīng)(D=40 N=5)fs/2=28.8MHzfs/D=1.44MHz解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院17補(bǔ)償CIC濾波器通帶內(nèi)的衰減完成D2=2的抽取d = fdesign.decimator(D,ciccomp,M,Nsecs,

8、Fpass,Fstop,Apass,Astop,Fs_in);參數(shù)參數(shù)取值取值意義意義Fpass80kHz通帶截止頻率通帶截止頻率Fstop640kHz阻帶截止頻率阻帶截止頻率Apass0.01通帶截止頻率處衰減值通帶截止頻率處衰減值A(chǔ)stop60阻帶截止頻率處衰減值阻帶截止頻率處衰減值Fs_in1.44MHz濾波器輸入采樣速率濾波器輸入采樣速率解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院1800.020.040.060.080.10.12-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8Frequency (MHz)Magnitude (dB)Magnitude Response (dB) hcic:

9、 Quantizedhcic: Referencehcfir: Quantizedhcfir: Referencecascade: Quantizedcascade: Reference補(bǔ)償效果圖解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院1900.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100Normalized Frequency ( rad/sample)Magnitude (dB)Magnitude Response (dB) Filter #1: QuantizedFilter #1: Reference2級濾

10、波器級聯(lián)后的幅頻響應(yīng)特性解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院20通帶波紋指標(biāo)：小于0.1dB阻帶衰減指標(biāo)：-60dBd = fdesign.decimator(1,lowpass,N,Fp,Fst,N,Fpass,Fstop,Fs_fir);參數(shù)參數(shù)取值取值意義意義N140濾波器階數(shù)濾波器階數(shù)-1Fpass80kHz通帶截止頻率通帶截止頻率Fstop100kHz阻帶截止頻率阻帶截止頻率Fs_in720kHz濾波器輸入采樣速率濾波器輸入采樣速率解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院2100.10.20.30.40.50.60.70.80.9-250-200-150-100-500Normalized Frequenc

11、y ( rad/sample)Magnitude (dB)Magnitude Response (dB) Filter #1: QuantizedFilter #1: Reference3級濾波器級聯(lián)后的幅頻響應(yīng)特性解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院2200.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100Frequency (MHz)Magnitude (dB)Magnitude Response (dB) Filter #1: QuantizedFilter #1: Reference00.010.020.03

12、0.040.050.060.070.080.090.1-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.05Frequency (MHz)Magnitude (dB)Magnitude Response (dB) Filter #1: QuantizedFilter #1: Reference解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院23設(shè)計內(nèi)容指標(biāo)要求中頻頻率21.4MHzAD采樣速率57.6MHz（14比特）信號帶寬200kHz基帶采樣速率900kHz通帶波動小于0.3dB阻帶截止頻率120kHz阻帶衰減-60dBCIC濾波器混疊抑制-60dB解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)

13、院24 本講主要內(nèi)容 一、數(shù)字下變頻器的基本原理 三、數(shù)字下變頻器的FPGA實現(xiàn) 四、擴(kuò)展實驗 二、數(shù)字下變頻器的Matlab設(shè)計解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院25頂層控制模塊數(shù)字下變頻模塊時鐘產(chǎn)生模塊DDS模塊數(shù)字混頻模塊接口模塊CIC濾波模塊補(bǔ)償濾波模塊FIR濾波模塊解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院26數(shù)字混頻器 - 乘法器 IP數(shù)字控制振蕩器- DDS IPCIC濾波器- CIC FILTER IP補(bǔ)償濾波器與FIR濾波器 - MAC FIR IP時鐘產(chǎn)生 - DCM思考：IP核使用的要點有哪些？解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院27數(shù)字混頻器 - 乘法器 IP端口數(shù)據(jù)類型：有符號、無符號輸入/輸出數(shù)據(jù)位

14、寬解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院28數(shù)字混頻器 - 乘法器 IP端口數(shù)據(jù)類型：有符號、無符號輸入/輸出數(shù)據(jù)位寬解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院29數(shù)字控制振蕩器- DDS IPDDS clock rate：DDS輸出數(shù)據(jù)時鐘數(shù)率SFDR：對DDS輸出產(chǎn)生的帶外噪聲的要求Frequency Resolution：頻率分辨率n設(shè)置為10Hz，則DDS的最低分辨率可調(diào)至10Hz數(shù)量級Output Frequency：輸出頻率fc（可固定或周期性變化）解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院30數(shù)字控制振蕩器- DDS IP解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院31數(shù)字控制振蕩器- DDS IP解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院32數(shù)字控制振蕩

15、器- DDS IP解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院33CIC濾波器- CIC FILTER IP輸入數(shù)據(jù)位寬CIC濾波器級數(shù)差分延遲抽取/內(nèi)插因子解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院34補(bǔ)償濾波器與FIR濾波器 - MAC FIR IP濾波器類型：單速率、內(nèi)插、抽取濾波器設(shè)置：內(nèi)插次數(shù)、抽取次數(shù)、多通道數(shù)量系數(shù)設(shè)置：系數(shù)位寬、系數(shù)類型（有符號、無符號）時鐘設(shè)置：系統(tǒng)時鐘及數(shù)據(jù)輸入速率解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院35補(bǔ)償濾波器與FIR濾波器 - MAC FIR IP系數(shù)設(shè)置解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院36補(bǔ)償濾波器與FIR濾波器 - MAC FIR IP時鐘設(shè)置解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院37系統(tǒng)工作時鐘速率的選擇n

16、必要條件：滿足信號輸入速率對計算的要求n時鐘速度對系統(tǒng)性能的影響 思考：如何優(yōu)化？共同決定了需要用實現(xiàn)FIR濾波器所需的資源。解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院38嚴(yán)格考慮溢出問題nCIC抽取濾波器內(nèi)部字長：Bmax=N*log2(D*M)+Bin-1n在我們的設(shè)計參數(shù)下，Bmax=Bin+15解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院39數(shù)據(jù)位寬的確定與數(shù)據(jù)截取0cos()n141428436285注意：輸出位寬=輸入位寬+系數(shù)位寬+log2（濾波器階數(shù)）-1 FIR濾波器系數(shù)位寬為16比特解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院40數(shù)據(jù)位寬的確定與數(shù)據(jù)截取0cos()n141416436285解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院41數(shù)據(jù)

17、位寬的確定與數(shù)據(jù)截取0cos()n141416315073解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院42數(shù)據(jù)位寬的確定與數(shù)據(jù)截取0cos()n141416185073注意：MAC FIR IP 核的輸入數(shù)據(jù)位寬最大為18比特解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院43數(shù)據(jù)位寬的確定與數(shù)據(jù)截取0cos()n141416183760解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院44數(shù)據(jù)位寬的確定與數(shù)據(jù)截取0cos()n141416181860解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院45數(shù)據(jù)位寬的確定與數(shù)據(jù)截取0cos()n141416181841解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院46數(shù)據(jù)位寬的確定與數(shù)據(jù)截取0cos()n141416181841注意：FIR濾波器輸出數(shù)據(jù)的截?。簃ax(output)=max(input)*sum(abs(coef)解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院47實驗?zāi)康睦斫鈹?shù)字下變頻器的基本原理掌握數(shù)字下變頻器的設(shè)計方法學(xué)習(xí)如何用Matlab輔助完成FPGA設(shè)計實驗要求根據(jù)給定的數(shù)字下變頻器性能指標(biāo)要求，利用Matlab輔助完成各功能模塊的參