（信号与信息处理专业论文）数字下变频电路及其验证平台的设计与实现.pdf

摘要 赫要 敬传光线毫豹蕊本愚想是以一个霉编稔豹硬粹平台为彼托，实现无线电台熙 器耱功裁。敬l 孛无线电强调体系结梅螅聂效性积全露妁可缡簇性，系统逶避软搏 豹方式更新，改变硬件结构豹配置，从西实现新的功能。d d c 数字下变额器技术 作必软终燹线电中豹棱心技术，是紧跟在a d 采襻薅救一个处理摸块，纯蛇主要 功熊是从输入的宽带高速数字信号中提取所需豹窜带信号，将其下变频为数字零 中频，劳降低数据豹速率。从焉方便居继黪遐蘑d s p 对僖号炸进一步处毽。 本论文以科研项目蒸于f p g a 实现黼速专用数字下变频器课题为依托， 遵过深入研究嚣裁围辨主流数字下变颓产品的设计思想秘装零缨节，劳掇潺 f p g a 器件的特性，针对w 能的应用场合，在传统数字下变频结构的基础上对系 统绻构进行了改避，采用毒# 传统方式实现其中一些模块，提赢了数字下变频嚣数 最大处瑷速度和弛瑷带宽。在资源消耗上本设计也远小于传统的数字下变颓器。 本论文首先基予数字下变频的滕理和结构，提出了本没计中的d d c 构架， 然衙对箕中各部分豹原理和涉及到的算法俸说孵。在结构清晰，瑷论硝确的前旄 下，再阐明硬件实现对的设计细节芹结构细节。题前，本设计已在a l t e r a 公司的 s t r a t i x 4 0 土得妥了赛琨。最后，幸譬为设诗验证环节晒关键部分，对基予p c i 接目 的验证平台的设计做了说明，并给出了验诞和测试结屎。从验证和测试的结果求 藿，本设诗黪各项播标这到了设计襁始时簸要求，涯璃设计豹方案与实玟是戒凌 的，可以满足实际成用的需求。 关键字：数字下变羰，f p g a ，p c i 接口，c o r d i c 算法，分布式算法 a b s t r a c t t h em a i ni d e ao fs o f t w a r ed e f m e dr a d i o ( s d r ) i su s i n gap r o g r a m m a b l e h a r d w a r ep l a t f o r mt oi m p l e m e n taw i r e l e s sr a d i os t a t i o n s d rs y s t e me m p h a s i z e so n p r o g r a m m a b l ea n do p e n i n ga r c h i t e c t u r e b ym e a n s o f s o f t w a r e c o n f i g u r a t i o n ， h a r d w a r ei sr e c o n f i g u r e d ，s y s t e mi su p d a t e d ，a n dn e wf e a t u r e sa r er e a l i z e d d i g i t a l d o w n - c o n v e r t e r ( d d c ) i so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e su s e db ys d rr e c e i v e r t h e d d cm o d u l ei sad a t ap r o c e s s i n gp a r t ，f o l l o w i n gt h ea d s a m p l e r t h em a i nf u n c t i o n o fd d ci se x t r a c t i n gn a r r o w b a n dd a t af r o mb r o a d - b a n dd a t aw h i c hi sd i g i t a l i z e db y a d s a m p l e r , d o w n c o n v e r t i n gt h e s ed a t at ob a s e b a n d ，a n dd e c r e a s i n gd a t ar a t ea sw e l l f u r t h e r , t h e s el o w r a t eb a s e b a n dd a t aw i l lb ep r o c e s s e db yg e n e r a l - p u r p o s ed s p b a s e do nr e s e a r c hp r o j e c t ，h i g hs p e e dd e d i c a t e dd d cb a s e do nf p g a , a f t e r i n - d e p t hs t u d yi nd e s i g nr a t i o n a l ea n dt e c h n o l o g yd e t a i l su s e db ya b r o a dm a i n s t r e a m d d c p r o d u c t s ，a sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff p g aa n dp o s s i b l ea p p l i c a t i o na r e a s ， t h i sd e s i g n i m p r o v e st h em a x i m u mp r o c e s s i n gs p e e da n db a n d w i d t ho fd d cb y r e d e s i g n i n g t h e s y s t e ma r c h i t e c t u r eo ft r a d i t i o n a ld d ca n di m 【p l e m e n t i n gs o m e m o d u l e si nu n c o n v e n t i o n a lw a y s f r o mr e s o u r c e - u s a g ep o i n t ，t h i sd e s i g ni sb e t t e rt h a n t r a d i t i o n a ld d c a r c h i t e c t u r eo fd d cb a s e do ni t sp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r ei sp r o p o s e db yt h i s d i s s e r t a t i o n ，a n dt h e nt h ep r i n c i p l e so fe a c hm o d u l ei nd d ca sw e l la ss o m ea l g o r i t h m u s e di nt h e s em o d u l e sa r ei l l u s t r a t e d 。h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fe a c hm o d u l ei s i n t r o d u c e di nd e t a i la c c o r d i n gt os t r u c t u r ea n dp r i n c i p l ec l a r i t y , a n da l t e r as t r a t i x 4 0 i ss e l e c t e da sh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o np l a t f o r mf o rt h i sd e s i g n + a tl a s t ，a st h em o s t i m p o r t a n tp a r to fv e r i f i c a t i o n ，ad e d i c a t e dv e r i f i c a t i o np l a t f o r mb a s e do np c ii n t e r f a c e i sa n a l y z e d v e r i f i c a t i o na n dt e s tr e s u l t sa r ea l s op r e s e n t e d s y s t e mp e r f o r m a n c ea n d p a r a m e t e r sg o tf r o mv e r i f i c a t i o na n dt e s t sp r o v e dt h a tt h ed e s i g nh a da c h i e v e do r i g i n a l a i m ，w h i c ha l s oi l l u s t r a t e dt h a td e s i g ns c h e m ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o dw a sc o r r e c t k e y w o r d s ：d d c ，f p g a ，p c ii n t e r f a c e ，c o r d i c ，d a 1 1 缩略语 缩略语 d d c d j i g i t a ld o w nc o n v e r t e r p d c p r o g r a m m a b l ed o w nc o n v e r tm o d u l e d f gd e c i m a lf i l t e rg r o u pm o d u l e c i cc a s c a d e di n t e g r a t o rc o m bf i l t e rm o d u l e h bh a l fb a n df i l t e rm o d u l e f i rf i n i t ei m p u l s er e s p o n s ef i l t e rm o d u l e a g ca u t o m a t i cg a i nc o n t r o lm o d u l e c o cc o o r d i n a t ec o n v e r tm o d u l e u n w r a p d i f f e r e n t i a lu n w r a pm o d u l e c t rc o n t r o lm o d u l e p c i p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t a d a n a l o g - t o d i 百t a l d a d i 舀t a l t o - a n a l o g n c on u m e r i c a lc o n t r o lo s c i l l a t o r c o r d i cc o o r d i n a t er o t a t i o nd i g j t a lc o m p u t e r d a a l g o r i t h m d i s t r i b u t e da r i t h m e t i ca l g o r i t h m d d c 顶层模块 可编程下变频模块 抽取滤波器组模块 级联积分梳状滤波器模块 半带滤波器模块 有限冲击响应滤波器模块 自动增益控制模块 坐标变换模块 差分解卷绕模块 控制模块 p c i 总线 模数转换器 数模转换器 数控振荡器 c o r d i c 算法 分布式算法 独衡性声明 本人声鹧所呈交的攀位论文是本人在导师指导下进零亍的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的地 方外，论文巾不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或诞书而使用过的材睾季。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确豹说明势表示谢意。 签名： 壁l 垒曩裳：2 瞄年s 篼“嚣 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完垒了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 瓣规定，有权傈聱并囊演家有关部门或规构送交论文豹复麓】箨和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据摩进行检索，可以采用影印、缩印或 捆描等复制乎段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 查l 熊 导师签名： 隧期： 孝童 年秀鼙 第一章弓l 言 1 1 数字下变频的技术背景 第一章引言 1 1 1 软件无线电的发展概况 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台作为依托， 通过软件编程来实现无线电台的各种功能，将电台设计从基于硬件、面向用途的 方法中解放出来。软件无线电强调体系结构的开放性和全面的可编程性，系统通 过软件的方式更新，改变硬件结构的配置，从而实现新的功能。 软件无线电主要由天线，射频前端，宽带a d 、d a 转换器，高性能的数字信 号处理部件，以及相应的软件构成。 由于软件无线电体系结构的开放性和灵活性，它可以很容易的增加新功能， 同时由于所有的电台都是基于通用的硬件平台，因此，对于任意两个电台，只要 使用相同的软件对其配置以后，就能相互进行通信。还能根据需要改变通信的制 式，这样的通信灵活性，在军事上具有很大的应用领域。在民用领域，基于软件 无线电的电台，在通信方式升级的时候，只需要通过软件的方式对每个电台进行 更新就能达到要求，避免了大批量地淘汰旧制式的电台，延长了电台的使用寿命。 从成本上来说，这样可以节约整个系统的维护和升级费用，说明软件无线电系统 在民用通信系统中具有很好的经济效益。 目前的软件无线电系统结构基本上可以分为三种：射频低通采样数字化结构， 射频带通采样数字化结构，宽带中频带通采样数字化结构。其中，射频低通采样 数字化结构和射频带通采样数字化结构由于对a d 和d a 转换器的要求太高( 采样 速率、工作带宽) ，目前很少采用这两种结构。在当前技术条件下，主要采用的是 宽带中频带通采样数字化结构，如图1 1 i l l 所示，这种结构对器件的要求不是那 么苛刻，比较容易实现。该结构从中频段对信号采样数字化，然后所有的调制和 解调都是以数字化的方式来实现，可以方便地进行升级和更改。从另一方面来看， 由于数字化从中频段才开始，整个系统的灵活性也就相应地降低了，但是，随着 a d 和d a 技术的进步，数字化阶段会进一步向射频段发展，从而实现真正的纯数 字化的软件无线电平台。 电子科技大学硕士学位论文 图1 1 宽带中频带通采样数字化结构 1 1 2 数字下变频的发展概况 数字下变频的全称是d 西t a ld o w nc o n v e r t e r ，数字下变频器技术作为软件无 线电的核心技术，是紧跟在a d 采样后的一个处理模块，他的主要功能是从输入 的宽带高速数字信号中提取所需的窄带信号，将其下变频为数字零中频信号，并 降低数据的速率。从这里可以看出，数字下变频器主要包括三个方面的功能：第 一是变频，变频器将输入的数字中频信号和数控振荡器( n c 0 ) 产生的正交正弦 信号相乘后，得到1 、q 两路信号；第二是低通滤波抽取，滤除变频后的1 、q 两 路带外信号，提取感兴趣的信号：第三是采样速率转换，降低采样速率，以利于 后续的信号处理。 目前，在商用的d d c 芯片中，以h a r r i s 公司和g r a y 公司的产品为代表。主 要有：h a r r i s 公司的单通道数字下变频器( h s p 5 0 2 1 4 ) ，四通道数字下变频器 ( h s p 5 0 2 1 6 ) ；g r a y 公司的单通道数字下变频器( g c l 0 1 2 ) ，四通道数字下变频 ( g c 4 0 1 6 ) 在许多的d d c 芯片中，又以h a r r i s 公司生产的h s p 5 0 2 1 4 b 在功能上和结构 上都具有很强的代表性。其结构如图1 - - 2 | 2 4 】所示 图卜一2h s p 5 0 2 1 4 b 内部结构 本d d c 在设计的时候，也是以h s p 5 0 2 1 4 b 为参考，删除了h s p 5 0 2 1 4 b 的一 些辅助功能，把重点放在了d d c 的数字处理部分，经测试，本d d c 的数字信号 第一章引言 处理性能优于h s p 5 0 2 1 4 b 。 1 2 本人在课题中承担的任务 目前本课题已经在a l t e r as t r a t i x 4 0f p g a 上得到了实现。在实现本课题的同 时，还相应设计了一套基于p c i 接口的验证平台，便于整个系统的测试和验证。 该平台的p c i 接口，也为本d d c 将来能进入实用化阶段提供了一条便捷之路。 本人在课题中主要承担以下的工作： p d c ( p r o g r a m m a b l ed o w n c o n v e r t e r ) 的理论分析和详细设计 c o c ( c o o r d i n a t ec o n v e r tm o d u l e ) 的理论分析和详细设计 c t r ( c o n t r o lm o d u l e ) 的理论分析和详细设计 基于p c i 接口的验证平台的设计与实现 系统和验证平台的联调 1 3 本论文的安排i 本论文共分为六个部分，第一章介绍软件无线电和数字下变频的技术概况， 基本概念，以及发展和趋势；第二章提出本d d c 的基本构架，并就各个部分的原 理，使用的算法进行详细说明；第三章结合d d c 各个部分的结构特点，阐明设计 细节；第四章主要关注本d d c 使用的基于p c i 接口的验证平台；第五章是给出了 基于验证平台的测试结果；第六章是对本设计的一些总结，并展望将来可以继续 开展的工作，从而进一步完善本d d c 的功能。 电子科技大学硕士学位论文 第二章数字下变频的原理与算法 数字下变频的主要功能包括三个方面：第一是变频，数字混频器将数字中频 信号和数控振荡器产生的正交本振信号相乘，生成i 、q 两路混频信号，将感兴趣 的信号下变频至零中频；第二是低通滤波，滤除带外信号，提取有用信号；第三 是采样速率转换，降低采样速率，以利于后续信号处理。本章主要对数字下变频 的基本结构，原理和使用的算法作介绍。 2 1 数字下变频的系统构架 数字下变频的输出信号还需作一些处理，主要是完成信号的解调、解码、抗 干扰、自适应均衡以及信号参数估计等工作。正交分解后的i ，q 两路基带信号对 上述处理带来很大的方便和良好的性能，因此，本数字下变频电路采用了正交两 路处理的典型结构。系统的整个构架如图2 1 所示。 图2 - - 1 本设计系统结构 输入的模拟中频信号经过a d 采样数字化后，首先在p d c 模块中与数控本振 产生的两路f 交信号相乘，将数字中频搬移到零电频。 由于a d 在中频进行采样，采样速率比较高，而混频后得到的数据率和采样 速率是一致的。但是，d d c 以后的d s p 处理器是没有办法处理这种速率的数据， 为了便于后继的处理，就需要降低数据的速率；再者，混频以后的信号，除了基 4 第一二章数字下变频的原理与算法 带的成分，还有二次谐波的成分，而大多数时候，需要的只是基带信号，这就需 要对混频以后的数据进行滤波处理。因此，经过p d c 模块混频以后的数据，会紧 接着通过c i c 和h b 滤波抽取器。这两者在结构上具有特殊性，硬件实现时是比 较容易的，他们主要完成对输入数据的下抽，同时也会进行滤波。由于c i c 和h b 滤波器的过渡带和衰减特性不是很好，因此，它们对输入信号的滤波是很粗略的。 通过c i c 和h b 滤波抽取后，会得到适合f i r 处理的低速数据。f 1 r 滤波器会对数 据进行更细致的处理，完成针对整个信道的整形滤波，得到实际感兴趣的信号。 如果需要，还可以将这个可配置的f i r 滤波器作为匹配滤波器使用。 重采样滤波器主要完成分数倍采样速率的转换，重采样滤波器送出的i 、q 两 路基带信号，可送给后端的通用d s p 器件作进一步解调、解码等处理。 c o c 模块可以完成直角坐标系到极坐标系的映射，从而求得输入信号的幅值 和相位。所得的幅值可作为a g c 的输入，由该模块根据输入的幅值完成信号的增 益控制。 。 d d c 的各个模块都是可以灵活配置的，这样可以提高系统的灵活性和适应性， 而各个模块的配置是由控制模块集中管理的，该模块提供了一个很方便使用的接 口，通过该接口，即使是用8 位的单片机也能实现对整个系统的重配和控制。 2 2 可编程下变频模块( p d c ) 2 2 1 数字变频的原理 从系统结构上来看，p d c 模块是整个系统的最前端，由a d 采样数字化以后 的信号，会首先进入p d c 模块完成数字正交混频。数字正交混频的原理可以从模 拟正交混频中类推出来。 模拟正交变频的数学原理可以用式2 1 来表达： f x ( f ) = ，o ) c o s ( 幼，0 t ) ， 1 川) ：f ( t ) s i n ( 扫丘。f ) ar 1 其中厂( f ) 是接收机接收到的信号，无。为本地载波的频率，e o s ( 2 z 厂工0 f ) 和 s i n ( 2 s r l 。t ) 是两路相互正交的本地载波，x ( t ) 和v ( t ) 是正交混频后的同相分量和 f 交分量。那么，将式2 1 离散化以后，就可以得到数字混频的表达式： 电子科技大学倾i “学位论文 p ( n ) = f ( n t ) c o s ( 2 z a o n t ) i y 0 ) = f ( n t ) s i n ( 2 z f l o n t ) x ”m ) c o s m 鲁n ) 式2 _ 2 y ( 。) ；，( 。) s i 。( 2 。鎏。) ls 其中r 为采样周期，丘为对应的采样频率。 从工作原理上讲，数字变频与模拟变频是一样的，都是将输入信号与一个本 地载波信号作乘法运算，从而将输入信号中感兴趣的窄带信号变换到基带。 与模拟变频不同的是，数字变频的所有处理都是基于数字方式的，因此输入 的信号，o ) 是经过a d 采样以后的数字信号，本地载波是由数控振荡器产生的数 字信号。这种纯数字式的处理方法的优点是：不存在混频时的非线性，本地载波 具有极高的频率稳定性，在产生本地载波的时候可以认为频率的步进和频率的间 隔拥有理想的性能。他的缺点是：处理的速度受限于a d 采样的最高速率，以及 用于混频的数字处理器件的最高速率。 2 2 2c o r d i c 实现数字变频 上一节中，从模拟混频推导出了数字混频的表达式。从式2 2 ，可以看出， 要完成变频，至少需要两个模块： - 数控振荡模块，用于产生两路相互正交的本地载波。 乘法器模块，用于实现接收信号和本地载波的相乘运算，最终完成混频。一 这种由混频表达式直接推出的实现结构可以用图2 2 表示。 待 题 1 图2 2 传统的变频结构 麟 图2 3 本设计使用的变频结构 图2 2 中的结构直观、容易理解，但是，在具体实现的时候有以下的一些问 第二章数字下变频的原理与算法 - 采用查找表结构的数控振荡器，查找表所消耗的r o m 资源与输入的相位位 宽成指数关系，这样不光使得系统的可拓展性不够好，而且当对相位精度要 求比较高的时候，这种结构在f p g a 上是无法实现的。 两个用于混频的并行乘法器的输入位宽都是1 6 位以上。在用f p g a 实现这 种宽输入的乘法器时，不光会消耗大量的逻辑资源，而且电路的工作速度也 不可能很高。 正是由于这些原因，在最终实现时，本课题没有采用图2 - - 2 中的结构。通过 研究c o r d i c 算法，找到了一种简单、有效的结构用于实现数字混频。 c o r d i c ( c o o r d i n a t er o t a t i o nd i g i t a lc o m p u t e r ) 是一种迭代算法，它提供了计算 三角函数的方法。在旋转模式( r o t a t em o d e ) 下的c o r d i c 算法的迭代的原理如 下【1 5 】： 假设直角坐标系内有一个向量j ，记作( ，y o ) ，向量百是向量j 旋t g z o 以后 得到的向量，记作( ，虬) ，从向量旋转的几何关系，可以得到以下的方程： _ = x o c o s z o y i n 2 。式2 3 y h 。y o c o s z 0 + x o s i n z o 将c o s z 。提出来以后可以得到以下的表达式 铲c o s z o x o - y ot a n z o !式2 4 虬。c o s z o y o + x ot a n z o j 不失一般性，可以假设向量雪是向量j 通过n 次旋转以后得到的，其中第i 次旋转的角度为谚，那么第i 次旋转的表达式为： y ：螂c o s 姒磊 y ：胁t a n 磊 式2 一s f + l =。+ 葺嗔】 如果第i 次旋转的t a n 垂= 2 ，那么迭代方程可以简化为： + l = k i x , 一y j d f 2 “】 y m = k y ，+ t + d f 2 “】 式2 - - 6 z f + 1 = z ，一d 。t a n 。( 2 “) 其中，d ，一1 如果t 2 sc o m p l e m e n t o f f s e tb i n a r y 将m s b 取反以后可以得到2 sc o m p l e m e n t 一2 sc o m p l e m e n t - - ) o r i g i n a lb i n a r y 当m s b = 0 时，o r i g i n a lb i n a r y = 2 sc o m p l e m e n t 当m s b = 1 时，o r i g i n a lb i n a r y = 2 sc o m p l e m e n t 除m s b 外的各位求反加1 _ o f f s e tb i n a r y - - ) o r i g i n a lb i n a r y 当m s b = 1 ，o r i g i n a lb i n a r y = 将o f f s e tb i n a r y 的m s b 取反 当m s b = 0 ，o f i g i n f lb i n a r y = 将o f f s e tb i n a r y 的所有b i t 位取反后再加1 _ o f i g i n f lb i n a r y - - ) 2 sc o m p l e m e n t 当m s b = 0 时，2 sc o m p l e m e n t = o r i g i n a lb i n a r y 当m s b = 1 时，2 sc o m p l e m e n t = o r i g i n a lb i n a r y 除m s b 外的各位求反加1 3 1 2 2 输入模式控制模块( i n p u tm o d e ) 一 输入模式控制模块，会根据用户选择的模式，控制是否对数据进行内插。其 中可选择的模式有：门模式( g a t e dm o d e ) 、内插模式( i n t e r p o l a t e dm o d e ) 。在门模 式下不对数据进行内插，一般用在高速采样时。在内插模式下要对数据进行内插， 一般用在低速采样时，提高频域的分辨率。 门模式的时序如图3 2 所示： r x _ p d cs i e n 厂一一一 rxpdcsdat一16b二二二x二】二c=二x二玉二3二皿c二 r xp d c _ s c l k6 5 mr n 几nn 门nnnn 几几nnn 几n 几几nn 几n 几几n 几门几几 r x p d c s r o yn几厂 厂1n 几 厂 t x _ p d cd f g _ d r d yr n 厂l厂n t x _ p d c _ d f g _ o d a t 一1 8 b i c 二夏二二】 = c 二互二) ( = 卫二 c i t x _ p d cd f g l o a t 一1 8 b 二二 二) ( = 】 二( 二至二 c 叵二= i 图3 2 门模式时序 图3 - - 2 中r x _ p d cs r d y 为a d 采样后的数据有效信号，用于指示此时的 数据是一个有效的采样数据。从时序图中可以看出在门模式下，当r x _ p d c r d y 有效时，才在r x p d c _ s c l k _ 6 5 m 的上升沿采集输入数据，而在r x p d cs r d y 无效的时候，内部数据总线上的值会保持上一个采集值。在r x _ p d c s r d y 无效 时，还需控制相位累加器模块不进行累加，从而保证本地的载波相位和输入数据 电子科技人学硕士学位论文 的相位是一致的。总之在门模式下，输出的数据有效信号t x _ p d c _ d f g _ d r d y 和时钟的关系，保持了输入数据有效信号r x _ p d c _ s r d y 和时钟的关系。 内插模式的时序如图3 3 所示： r x _ p d cs l 刚r r xp d cs d a t l 6 b 1 r x _ p d c _ s c l k _ 6 5 m n 几几r nnn 几nnn 几n 几几n 几n 几n 几几nnr r x _ p d c _ s r d y巾厂n广厂 厂 t x _ p d c _ d f gd r y i 厂一 l 罐求处g 一 r xp o c _ d f g _ l o r j 6 b t x _ p d c , d f g _ q _ d a t 一1 6 b a 0b0c0d oe 图3 3 内插模式时序 图3 3 中信号的定义与门模式下的定义相同。在内插模式下，当 r x _ p d c _ s r d y 有效时，会在r x _ p d c _ s c l k _ 6 5 m 的上升沿采集数据，当 r x _ p d c _ s r d y 无效时，会在数据流中插入零值。内插模式改变了数据有效信号 和时钟之间的关系，从时序图中也可以发现这一点，此时输出的数据有效信号 t xp d c d f gd r y 是一直有效的。 3 1 2 3 相位累加模块( p h a s e a c c u m u l a t o r ) 相位累加模块会在时钟的驱动下累加频率中心字，从而给出当前的相位值。 相位累加模块的结构如图3 4 所示。 图3 4 相位累加模块结构 第三章数字下变频电路的设计实现与仿真 相位累加模块的核心部分是一个可控的累加器，它通过不停的累加中心频率 字，达到相位增加的目的。另一方面，一个串行接口为频率偏移值提供了加载通 道，使得用户在需要的时候可以小幅度的修改频率值，这种功能主要用于收发双 方的载波同步。相位累加模块的其他部分是一些控制累加器刷新和使能的组合逻 辑，和一个用于初相位修正的加法器。 a 相位累加原理及频率中心字设置 众所周知，要在数字域上产生一个余弦信号，可以用式3 1 来表达 f s ( n ) 一c o s ( 2 z 等n ) 式3 1 】s 其中，c 为本地振荡频率， 为d d c 的采样频率。那么每向d d c 输入一个数 ， 据，n c o 的相位值就增加妒= 纫竿，将该相位值累加，即可得到第k 时刻的相 s 位值。因此，a 西直接控制了相位变换的快慢，也就是输出频率的大小。由 妒：h 拿可得竺：孚；再者相位是用3 2 比特数据表示，在不破坏等式关系的7 js 皿 j s 前提下，等式两边可以同时乘以2 3 z ，得到丝。2 ”：丘。2 n ，令 j h s ：上 陌( 竽2 3 z ) ，可以知道此时的n 正是妒的3 2 比特表达形式。由等式关系，j f 还可以得到= 腑伴2 ”) ，以此表达式可以很容易的计算出给定模拟频率下 1s 的中心频率字。 b 相位累加器的刷新原理 本设计在多片并行工作时，常常需要同步更新各片上的中心频率和相位偏移， 因此，需要对相位累加模块设计同步刷新电路。这个电路的设计思想如下。 对中心频率字( c e n t e rf r e q u e n c y ) 和相位偏移( o f f s e tp h a s e ) 分别使用两组寄 存器来锁存，每组寄存器中含有一个保持寄存器( h o l d i n gr e g i s t e r ) 和一个有效寄 存器( a c t i v er e g i s t e r ) ，保持寄存器用于暂存要更新的值，有效寄存器是相位累加 器实际工作时使用的寄存器。刷新的过程如下：首先将中心频率和相位偏移的值 写入到保持寄存器中，然后有两种方式可以将保持寄存器中的值传到有效寄存器 中。第一种方式是通过c t r 模块的控制，指示此时可以刷新相位累加器，这种方 式让用户可以通过软件的手段控制相位累加器的刷新；第二种方式是通过芯片的 同步引脚s y n c i n l 同时刷新多片系统上的中心频率和相位偏移值，这种方式提供 电子科技大学硕士学位论文 了直接由硬件控制刷新电路的手段。 c 频率偏移值的加载原理 频率的偏移值( o f f s e tf r e q u e n c y ) 是通过串行加载的。其时序图如图3 5 所 示： r x _ p d cs c l k6 5 m 厂 厂 厂 广 厂 厂 广 r 厂 厂 厂 r 厂 厂 r x _ p d c _ c o f s y n c厂厂 r x _ p d c _ c o f 图3 5 频率偏移值加载时序 图3 5 的时序说明，首先r x _ p d cc o f s y n c 拉高一个时钟周期表明数据 开始传输，此时内部电路会启动位宽计数器，在接下来的一个r x _ p d cs c l k _ 6 5 m 的上升沿输入的就是频率偏移值的m s b ，输入的数据被送进一个移位器中，在 r x _ p d c _ s c l k6 5 m 的控制下移位：当位宽计数器的值为零后，将移位器中的数 据传送到保持寄存器( h o l d i n gr e g i s t e r ) 中，此时如果数据位宽为3 2 位，可以直接 传送，当位宽不及3 2 位时，需要将输入的数据传送到保持寄存器的m s b s ，而令 保持寄存器的l s b s 为零。 3 1 2 4c o r d i c 模块 c o r d i c 模块利用c o r d i c 算法实现i q 正交混频。c o r d i c 模块的结构如图 3 6 所示。c o r d i c 算法的迭代形式，使得在实现时可以采取流水的结构，相应 的可以看到，整个c o r d i c 混频模块，是对c o r d i c 迭代单元的多次级联例化。 图3 6c o r d l c 混频模块结构 第三章数字下变频电路的设计实现与仿真 a c o r d i c 迭代次数选取 当由相位累加器输出的相位为n 位时，此时的相位精度为筹，而c o r d i c 算法迭代i 次以后的相位精度为a r c t a n ( 2 1 1 ，令两者相等就可以得到c o r d i c 算法 需要迭代的次数a r c t a n ( 2 一。) = 等，解之可得f = 一l o g ：( t a i l ( 等) ) ，当n = 1 8 时，迭 代得次数i = 1 6 次。 b 混频值的精度及位宽截取 混频值的精度取决于输入数据的精度和混频时正余弦数据的精度。不考虑输 入数据精度的影响，混频值的精度就直接决定于正余弦数据的精度。而正余弦与 相位的函数关系，又使得正余弦数据的精度取决于相位数据的精度。当相位位宽 一定时，正弦值的精度必须能表达出相位变化时对应的正弦变化最小值。从正弦 的波形上可以看出，相位变化时，其对应的正弦值变化最小的区间在e 一，等) 中，此时设正弦值用n 。位来表示： 【s i n ) “n 一姗2 “z 1 2 “= 丽1 式3 2 1 一c o s ( 妒) “。9 2 高c o s ( ) 1 一 口j 嫘妒等则孙浏志c o s ( ) l i l 当n = 1 8 时，n 。最少为1 6 位。正弦值能达到1 6 比特的精度，相应的也就可 以知道混频值的精度。 c 相位截断引起的杂散( s f d r ) 由于相位累加器使用的3 2 b i t 的累加器，而在进行c o r d i c 运算之前，需要将 3 2 位的相位截断，这样就会引起杂散。通过m a t l a b 仿真，当相位被截断为1 8 b i t 时，引入的杂散约为一9 3 d b 一9 9 d b 。截断以后的相位，计算出的正弦信号对应的 频谱如图3 7 所示： 电子科技大学硕士学位论文 1 0 5 0 0s 1 0 - 5 0 1 0 0 - 1 5 口 一2 q u a n t i z e d1 8 ba n g l e 表3 1 象限映射表 一 最高位。次高位象限 王路 。q 路 o0ixy 01 y 补x 10i i ix 补y 补 1 1i vyx 补 3 1 2 5 桶形移位器模块( b a r r e ls h i f t ) 桶形移位器模块，会对c o r d i c 模块输出的数据进行增益调整。桶形移位器， 能一次性将输入的数据移位或是旋转任意位。桶形移位器的实现类似一个乘法器， 输出与输入的连接关系由移位的长度所决定。桶形移位器的设计关键是一定要在 第三章数字下变频电路的设计实现与仿真 单时钟周期内完成多位的移位。在本设计中的桶形移位器是用于增益调整的，所 以，在左移数据的时候，一定要保持首位的符号位不变。目前，本设计中的桶形 移位器只执行左移运算，其结构如图3 8 所示。 图3 8 桶形移位器结构 3 1 3 可编程下变频模块的仿真结果 针对输入的d s b 信号，混频以后的结果如图3 9 所示 图3 - - 9p d c 模块的仿真结果 从仿真的结果可以看出，输出的i 路信号，包含基带分量和二次谐波分量，只 要通过低通滤波以后，就可以得到所需的基带分量。输出的q 路信号只含有二次 谐波，通过低通滤波以后，将会被完全滤除。 一+ 气 电子科技大学硕士学位论文 3 2 抽取滤波器组模块( d f g ) 3 2 1 级联积分梳状滤波器( c i c ) 2 1 c i c 滤波抽取器的具体实现框图如图3 1 0 所示。从结构上来看，c i c 的实现 结构和算法结构是一致的。图3 1 0 中的上半部分可以看出是5 级级联的积分器， 下半部分是5 级级联的梳状滤波器。整个c i c 在实现时，主要用的是加法器，其 结构是十分清晰的。 图3 - 1 0c i c 滤波抽取器结构 c i c 抽取滤波器对数据进行处理是有增益的，5 级c i c 滤波器d 倍抽取的处 理增益为d 5 ，当d 为最大抽取因子3 2 时，处理增益为：3 2 5 = 2 ”。假设c i c 滤 波器输入数据宽度为1 6 位，则输出数据的宽度在全精度的情况下应该为1 6 + 2 5 = 4 1 位。 c i c 的输出为2 4 位，因此，需要对4 1 位中闻运算结果进行舍尾截取。舍尾后 会造成一个问题，如果d 较小，那么其输出的满幅位宽也较小，当d = 4 时，其增 益为：4 5 = 2 ”。输出的满幅位宽只有1 6 + 1 0 = 2 6 位。c i c 输出4 1 位中的高2 4 位， 则被截取后的有效位宽只有9 位，造成有效位数降低。截断说明如图3 1 1 所示 图3 1 1d = 4 时的有效位宽示意图 第三章数字下变频电路的设计实现与仿真 这样情况是一定要避免的。要解决这个问题，就需要考察导致这个问题产生 的原因：为了防止溢出，将输入的数据都拓展成了4 1 位，但是当d 较小时，c i c 的处理增益并不是很大，有效数字都在4 1 位中的低位，但截取的时候又全部截取 的是4 1 位输出中的高2 4 位，以至于截取的高2 4 位几乎全是符号扩展位，丢失了 太多的有效数据。 为了避免这个问题，解决办法是：在c 1 c 滤波器输入端加一级桶形移位器， 根据d 的大小对输入数据进行左移位，使得滤波抽取后得到的满幅输出接近4 1 位， 保证在小抽取因子的情况下，输出数据截取后依然有足够的分辨率。桶形移位器 的移位值s g 可以按式3 3 计算： s g = f l o o r 2 5 - l 0 9 2 ( d 5 ) 2 e d s 3 2 式3 3 式3 3 中，f l o o r 指朝负方向取整。移位值与抽取因子的关系曲线如图3 1 2 所示。 c i cs h i f t v a l u e sv sd e c i m 刚f a c t o r s 图3 1 2c i c 桶形移位器移位值与抽取因子关系曲线图 在d d c 芯片中，c i c 滤波器及其之前所有模块的工作时钟为输入数据的采样 时钟s c l k ，而h b 滤波器及其之后所有模块的工作时钟为d d c 芯片的处理时钟 p r o c l k ，二者处于不同的时钟域，因此在c i c 子模块和h