基于FPGA的多通道数字下变频的研究与设计

曾娟英

摘要

多目标及跟踪系统包括多目标测控及跟踪两部分，主要应用到空中多目标中，比如小卫星、飞行器等测控、跟踪及侦查此系统对比国内传统系统，系统结构简化，并且性能良好。数字下变频主要作用为使数字中频信号转变成为数字基带信号，此转变为多目标测控和跟踪系统中主要内容，分析多通道数字下变频具有重要作用。

【关键词】FPGA 多通道数字 变频

软件无线电技术为基于通用开放式无线电智能平台，利用不同软件的安装实现通信功能，其结构的主要特点就是使A/D变换接近于射频段。现代主要方案就是在中频实现模拟信号数字化，基于中频数字信号实现下变频处理，从而降低数字信号量。数字下变频器（DDC）为软件无线电主要技术，其能够实现信号抽取，降低DSP芯片压力。专用DDC芯片设计并不灵活，结构固定。本文基于FPGA实现多通道下变频的设计。

1 变频系统的模块设计

1.1 数控振荡器模块的设计

数控振荡器（NCO）模块的主要目的就是产生某个频率中正余弦本振信号，之后和输入信号实现混频，以此使原始信号转移到零频，并且输出两路互相为正交的I/Q信号。设计数控振荡器模块的方法主要为：利用DspBuilder创建模块实现数字下变频功能，利用Mattab实现检波和仿真验证，之后通过DspBuilder使.mdl文件转变成为VHDL语言，实现综合仿真，下载到FPGA中实现验证。

1.2 混频器模块的设计

数字混频器模块的主要目的就是实现输入数字中频信号及数控振荡器模块所产生正余弦信号的乘法运算，也就是使输入数字中频信号中心频率转移到基带中，此模块中的采样率设置为80MHz。因为此系统使用FPGA芯片具有丰富乘法器资源，所以实现的混频器模块设计能够直接调用Quartus软件中乘法器模块实现混频功能。两路输入信号数据位宽設置为10，此两路信号使通过ADC采样芯片采样之后数字中频信号及数控振荡器模块中正弦信号，在输入数控振荡器正弦信号的时候，混频输出正交分量信号。相反，产生同相分量信号，所以此乘法器模块都能够实现信号正交混频处理功能。

2 变频系统的硬件电路平台

图1为多通道数字下变频的硬件结构，本文所设计的多通道数字下变频硬件结构主要包括八通道ADC采样模块、单片机配置、专用芯片数字下变频模块、基带处理模块及FPGA外围芯片控制。八通道ADC采样模块的主要目的就是实现ADC采样，将模拟信号转变成为数字信号，方便数字系的变频处理。FPGA外围芯片控制和基带处理模块主要是实现ADC采样控制及下变频信号基带处理。专用芯片数字下变频模块的主要目的就实现数字下变频处理，并且能够使数据速率得到降低。

电路模块使用AD5412芯片构成，其主要目的能够实现多路输入模拟信号采样处理，使模拟信号转变成为数字信号，并且还能够实现信号初次下变频处理，使后面数字下变频压力得到提高。利用GC5428专用数字下变频芯片实现八路通道数字下变频功能，利用时分复用模式，此模式能够使全部信道输出利用D端口实现。配置电路使用GC5428芯片实现，此结构主要包括一片单片机，四片双向缓冲器和一片线路驱动器，其中双向缓冲器的主要作用就是实现总线隔离，并且提高总线驱动能力。线路驱动器的主要目的就是实现单片机电脑的通信。

3 结束语

为了实现提出方案的可行性进行验证，实现具体调制信号的仿真，给定四通道信号，分别为850/950/1050/1150KHz作为中心的80KHz宽带中分布，过渡宽带设置为40KHz，中频采样频率设置为24MHz。在实现仿真的过程中，原始四通道信号和800KHz同相数控振荡信号相乘，从而产生零中频信号。之后利用三级滤波器滤波及抽取，最后利用信道化多相滤波器使四通道信号均匀分离为四个子频带输出，将滤波器级数及抽取倍数设置为3。通过实验结果表示，利用滤波三倍抽取之后，信号采样点降低三倍，信号速率也降低三倍。信号频谱没有出现混叠，但是信号高频不失真，此是因为滤波器特点导致的。通过仿真结果表示，此设计方法合理、可行，具有良好灵活性。分离第一通道信号能够满足DSP基带信号处理需求，实现原始信号的解调。

参考文献

[1]王利华.基于FPGA的窄带多通道数字脉压设计[J].雷达科学与技术，2017，12（06）：647-650.

[2]伍小保，王冰，陶玉龙.基于FPGA多通道多带宽多速率DDC设计[J].雷达科学与技术，2016，14（04）：403-410.