基于FPGA的数字下变频的设计与仿真

河北科技大学信息科学与工程学院 苗 静 陈国通 孙 健

石家庄市晶禾科技有限公司研发中心 成传湘

一、引言

卫星导航定位系统凭借其高精度定位、授时的技术优势和全天候、实时性、连续性和被动式导航定位的工作特点，为大众提供高精度的时间信息和导航定位服务。然而卫星导航接收机很容易受到各种有意或者无意干扰的影响，从而无法正确地完成导航定位功能。因此，研究卫星导航接收机怎样能在各类干扰环境下正常工作显得尤其重要，而数字下变频就是进行抗干扰的前提，其完成的任务一方面将包含所有信道的宽带信号进行信道分离,分别提取需要的窄带信号；另一方面,对于分离的窄带信号,可以大大降低其采样速率,即降低数据量,缓解基带部分的处理压力。数字下变频可以选用专用的数字下变频芯片实现,也可以采用DSP或FPGA实现。但数字下变频芯片在设计和修改方面远远不如FPGA灵活。

二、数字下变频的原理

数字下变频器的原理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。但由于模拟下变频器的两路乘法器和低通滤波器本身的一致性不好，致使I，Q两路的幅度和相位不平衡，误差较大，而且具有温度漂移，稳定性也不好。数字滤波器可以做到一致，而且数字滤波器的控制和修改也比较容易。

数字下变频的组成包括数字控制振荡器（NCO）、数字混频器和低通滤波器（LPF），数字下变频器的整体框图如图1所示。

图1 数字下变频的组成框图

三、数控振荡器的实现及仿真

NCO是数字下变频中的核心，也是决定数字下变频器性能的最主要因素之一，NCO的目标就是产生一个理想的正弦波或余弦波采样值。正弦波形采样可以用实时计算的方法产生,但这只适用于采样率较低的情况。在采样率很高的情况下,产生正弦波采样最简单有效的方法是查表法,即把各个相位的正弦值事先计算好存储在ROM中,然后按相位做地址查表得到正弦波采样。NCO由相位累加器、相位加法器和正弦表只读存储器三部分组成。NCO的组成框图如图2所示，其工作原理是：每一个时钟脉冲,利用相位累加器使相位在原来的基础上加一个相位增加量即频率控制字,再利用相位加法器加上初始相位即相位偏移,最后用相位值作为正弦表的地址,查出正弦值。每当累加器溢出时就产生一个新的循环,累加器完成一个循环的时间就是正弦波形的周期，用modelsim仿真出的波形如图3所示。

图2 NCO功能方框图

图3 NCO的波形仿真结果

四、混频器的设计实现及仿真

数字混频器实际上是一个乘法器，本振信号由NCO产生两路信号，这两路信号分别与输入信号相乘，从而实现混频的功能，产生出I，Q两路信号。数字混频器的RTL级结果图如图4所示，用modelsim仿真出的波形如图5所示。

图4 数字混频器的RTL级结果图

图5 数字混频器的波形仿真图

五、低通滤波器的设计实现及仿真

数字低通滤波器通常采用FIR滤波器,它可以在设计任意幅频特性的同时,保证精确、严格的线性相位。大多数普通的FIR滤波器是一种线性时间不变量滤波器，其系统函数仅有零点，因此FIR系统的差分方程可以表示为

式中，N为FIR滤波器的长度或者阶数。

由式（1）可知，系统的脉冲响应是因果序列，因为其输出仅与即时输入以及过去的输入数据有关，而与过去的输出数据没有直接的关系，所以FIR滤波器是因果的，是物理可实现的系统，因而它在实际中往往采用非递归形式的结构来实现。由（1）式还知道，此系统的脉冲响应是绝对可加的，所以FIR滤波器总是稳定的。低通滤波器的RTL级结果图如图6所示，用modelsim仿真出的波形如图7所示。

图6 FIR滤波器的RTL级结果图

图7 低通滤波器的波形仿真图

六、结束语

专用DDC芯片具有抽取比大、性能稳定等优点，但是价格昂贵，灵活性不强，不能充分体现软件无线电的优势。同时，高速发展的FPGA工艺具有低功耗、小尺寸、较强的现场可编程性等优点，正好充分发挥了软件无线电的可编程能力强，易于升级等特点，用FPGA取代专用ASIC芯片可提高数字下变频的灵活性；其内部结构可以实现高速的数据处理过程；FPGA内部逻辑的可重构性，降低了设备成本，缩短可开发成本。正是因为这些优点，FPGA在软件无线电技术的研究和设备开发中发挥着越来越重要的作用。

见www.dcw.org.cn