基于FPGA的DDC设计及仿真

2012-08-04 12:46:41来源: 现代电子技术 关键字:FPGA  DDC
   

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。基于FPGA的DDC设计一般采用CIC、HB、FIR级联的形式组成。同时,由于CIC滤波器的通带性能实在太差,所以中间还要加上一级PFIR滤波器以平滑滤波器的通带性能。而众所周知用FPGA从事算法的开发是一件难度比较大的工作,而Xilinx公司开发的System Generator工具为算法的快速开发及仿真带来了巨大的方便。本文首先对CIC、HB、FIR滤波器的原理及设计作了简单的说明,最后用Matlab结合System generator对本文所设计的DDC滤波器作了一个仿真。

1 总体结构设计
    数字下变频技术作为数字信号处理中的一个关键技术,它通常由以下儿部分组成。首先,CIC滤波器,它实现简单而且能实现较大的下抽率。其次,由于CIC滤波器带内平坦性能太差,因此在CIC滤波器之后一般要加上PFIR来平滑带内平坦度。最后,由于CIC滤波器的抽取因子小宜取得过大,冈此还要用HB滤波器的级联来进一步增加抽取率。下面本文以如何设计一个原信号采样率为72 MHz的、有效信号带宽为2.05 MHz的、下抽率为14的、主旁瓣衰减80 dB以上的、通带平坦度小于0.2 dB的下抽滤波器为例说明下抽滤波器的设计。
    实际中常用的DDC的实现框图如图1所示。

dsp是业内领先的高级系统级FPGA开发工具。本次设计是在基于Xilinx(赛林思)的system generator的基础上完成的。赛林思是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商,它研发、制造并销售范围广泛的高级集成电路、软件设计工具以及作为预定义系统级功能的IP(InteIlectual Property)核,客户使用Xilinx及其合作伙伴的自动化软件工具和IP核对器件进行编程。System generator是Xilinx公司进行数字信号处理开发的一种设计工具,它通过将Xilinx开发的一些模块嵌入到MATLAB的Simulink库中,可以在Simulink中进行定点的仿真,可以设置定点信号的类型,这样就可以比较定点仿真与浮点仿真的区别。并且它还可以生成HDL文件,或者网表直接供ISE调用。较之于直接用MATLAB进行算法的仿真其主要优势作于它是基于定点的,同时,它是由各个供应厂商直接提供的库,因此它能够充分认识FPGA内部的资源等,其仿真也更精确可靠。
    虽然,system generator能直接生成供底层FPGA调用的代码以及网表,但是,通常并不这样做。相对于人工编写的代码,system genera tor生成的代码相对冗余度高,资源利用也不及人工编写的代码合理。但是,在某些需要快速进行算法开发的项目中,这种方式无疑为用FPGA从事快速的算法开发提供了一个捷径。
    将MATLAB与system generator集成后,由图1所示的原理框图,搭建了用于仿真的system generator模块,如图9所示。

    图11(a)为原输入信号的有用信号附近的细节图,而图11(b)为经过DDC网络后得到的复数信号的幅频响应图。由于simulink的频谱绘制工具显示刷新的问题它们看起来有了一点点的误筹,但是,也可以发现经下变频后的信号有效的恢复了原信号的频谱信息。它将原输入信号的负边频线性搬移到了以0频为中心的带宽为4.1MHz的频谱上来。

6 结束语
    实际项目中接触到的信号处理任务大多为带通信号,如果直接采用传统的奈奎斯特采样定理对模拟信号进行采样,然后进行数字信号处理任务,这样对后端的DSP器件的实时性要求太高。因此,通常我们都要先用一个FPGA来完成数字信号的下变频操作,之后再由后端的DSP器件来完成信号处理任务。因此,如何合理的设计DDC下变频就显得特别重要。本文针对如何设计DDC滤波器以及基于FPGA的System Generator的仿真都作了简单的介绍。

关键字:FPGA  DDC

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2012/0804/article_3088.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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