基于FPGA的数字下变频器的设计

摘 要 数字下变频系统为实现数字信号处理器件处理低速数据的性能，提供了降低数模转换器的数据流的速率的功效，是软件无线电接收机中关键的一部分，因此，高性能的数字下变频器是能够保证软件无线电系统的稳定性。本设计重点对数字下变频的各个模块的实现方法进行深入研究，在一块FPGA芯片上实现数字下变频系统。

关键词 软件无线电；数字下变频器；FPGA

中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）13-0049-01

软件无线电是在通用的标准化的硬件平台上实现的，是通过加载不同的通信软件进而实现各种通信方式的转换，形成一个较好兼容性与可编程性的软件无线电台。其体系机构模型图如图1所示。

由体系结构图可以看出，其工作过程是将最初的天线发射的信号，经过射频端的处理和变换，由宽带A/D数字化，在模拟混频后，将经射频端处理过后的信号转化为中频信号，最后经数字信号处理器后，得到我们所需的高速中频数字信号。数字信号频率合成、宽带数字的滤波、数字信号下变频和调制解调的各个功能则用软件编程来予于实现。

软件无线电的频率段在最低0.1 MHz，最高2 GHz之间，依据奈奎斯特带通信号抽样定理和低通信号抽样定理，下一级的数字信号处理器的处理速度、数字信号和模拟信号的转换速率及其工作范围必须要在规定指标以内。

软件无线电是将射频模拟信号数字化，经过模拟下变频转化为模拟中频信号，经中频把信号转化为数字中频信号，最终得到我们所需的低速的基带信号。当然，得到上述所需的基带信号之前须经变频器的变频、抽取及低通的滤波等一系列的处理。最后，数字信号处理器对所得的基带信号进行解调、解码、抗衰落、抗干扰及均衡的处理。

数字下变频是连接高速射频信号和其下一级的低速数字信号处理器的重要部件，实现了将所有信道里的信号，信道分离的功能，将信道里的宽带信号转化为所需的窄带信号；或者用来减小采样速率，实现减轻基带部分的工作量。

1 数字下变频器的理论基础

数字下变频的实现算法是，利用正交双通道复处理技术，将输入的模拟信号经ADC后被数字化，数字化以后的信号与NCO产生的数字本振余弦信号和正弦进行正交混频，以完成频谱搬移功能，然后通过滤波抽取得到所需要的I[n]和Q[n]基带信号。

2 数字下变频器的设计

设计。

2.1 数字控制振荡器的实现

在DDC的设计中，数字压控振荡器的设计最为复杂的，因此，数字压控振荡器的性能的优劣作为判断DDC的性能优劣的标准。我们用NCO来产生一个标准的正弦信号或余弦信号，作为我们的样本信号。依据查表法，将各个NCO正弦波的相位角度及正弦值记录下来，用相位的正弦值数据替换为相位角度存储起来，作为存储地址。

如果所设计的A/D转换器的采样速率是中频的N倍，则在个周期内需要对波形采样N次，然后将采样得到的数据放大、转换为二进制有符号的定点数，将这些二进制的数值写入ROM表，依次读取就形成正弦振荡器；若延迟四分之一周期则为余弦振荡器。

2.2 混频器的实现

混频器就是乘法器，将传递来的经过数模转换的数字信号与本地数字振荡器输出的正余弦数据相乘，可以采用移位累加乘法器，其原理类似于手算十进制乘法。

2.3 低通滤波器的实现

低通滤波器主要完成的功能是对对数据的顺序抽取和整形滤波，提取有用的信号，可以通过抽取器和FIR滤波器来实现。

2.3.1 抽取器

在时钟的控制下，抽取器完成对变频数据顺序抽取。可以分为两步进行抽取。首先使变频数据通过CIC抽取滤波器，之后再通过HB抽取滤波器。

由于CIC抽取滤波器的系数都是1，所以其计算较为简单，只需实现加法运算。第二级滤波器HB滤波器在实现采样频率变换时，只需要进行一半的计算，大大提高了计算效率。

2.3.2 FIR滤波器的实现

3 实验结果

4 结束语

使用FPGA芯片，分别进行模块的设计和编程可以实现DDC的设计，并且不同的使用情况、不同的技术指标都可以采用不同的结构和算法来完成，使用可编程的逻辑器件FPGA大大提高了设计的灵活性，能够较好的实现DDC。

参考文献

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