（通信与信息系统专业论文）数字下变频的抽取滤波器组的asic设计.pdf

摘要 摘要 数字下变频是软件无线电的核心技术之一。其基本功能是从高速中频数字信 号中提取所需的窄带信号，将其下变频为基带信号，降低数据率，以供后续d s p 器件作进一步处理。 抽取滤波器组是数字下变频中的核心模块，它通过抽取、滤波将下变频后的 高速信号降速，使其能够满足后级器件处理速度的要求。时域上对信号进行抽取 会导致其频谱的扩展与混叠，因此，需要设计满足抗混叠要求的数字滤波器，且 该滤波器性能的好坏直接影响数字下变频器的性能。 本文首先介绍了数字下变频原理和基本结构，对其主要算法：c o r d i c 算法、 分布式算法、重采样理论、反馈控制理论等分别进行了适当讨论。 本文研究了抽取滤波器组中各滤波器理论，采用折叠技术和复用技术优化h b 滤波器结构，采用分布式算法优化f i r 滤波器结构，降低了电路功耗，节约了硬 件资源。 根据上述讨论的算法，本文设计了抽取滤波器组中c i c 模块、h b 模块和f i r 模块的r t l 实现结构。 本文从a s i c 设计流程入手，介绍数字下变频电路为保证芯片成功而采取的一 些特殊策略，如复位机制和存储器设计方法等，以及基于0 1 3 u m 工艺库进行综合、 可测性设计、静态时序分析、布局布线时遇到的具体问题与解决方法。 为了验证根据本文提出的设计方法设计的数字下变频芯片性能，本文最后讨 论了数字下变频的系统建模、f p g a 验证与a s i c 芯片测试方法，并对测试结果进 行了分析。 本论文中所讨论的算法与a s i c 芯片设计方法等己在论文作者参与的高速数 字下变频芯片项目中实现。本数字下变频设计采用0 1 3 u m 工艺成功流片，该芯片 工作正常，性能良好，达到性能指标要求。本论文在数字下变频的a s i c 设计与实 现方面的研究成果，具有通用性、可移植性，有重要的理论及经济价值。 关键字：数字下变频，数字滤波器，折叠技术，分布式算法，a s i c 设计 a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a ld o w n - c o n v e r t e r ( d d c ) i so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e si ns o f t w a r ed e f i n e d r a d i o i t sb a s i cf u n c t i o ni st op i c ku pu s e f u ln a r r o w b a n ds i g n a l sf r o mh i g h s p e e d m e d i u mf r e q u e n c yd i g i t a ls i g n a l sa n dt r a n s f o r mt h e mt ob a s eb a n d a f t e r w a r d s ，t h e l o w s p e e db a s e b a n ds i g n a l sc a nb ep r o c e s s e db yd s pd e v i c e s t h ed e c i m a lf i l t e rg r o u pi sak e ym o d u l eo fd i 西t a ld o w n c o n v e r t e r t h r o u g h d e c i m a t i n ga n df i l t e r i n g ，i ts l o w sd o w nt h es i g n a lr a t et om e e tt h er e q u i r e m e n t so f f o l l o w i n gm o d u l e s d e c i m a t i n gi nt i m ed o m a i nc a u s e ss i g n a lf r e q u e n c ys p r e a da n da l i a s t h e r e f o r e ，a n t i - a l i a sd i g i t a lf i l t e r sa r er e q u i r e d a n dt h e i rp e r f o r m a n c ed e t e r m i n e st h e e f f e c to f s i g n a lr a t et r a n s f o r m a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e s b a s i ct h e o r i e sa n da r c h i t e c t u r e so fd d ca n d s u m m a r i z e ss o m ek e ya l g o r i t h m ss u c ha sc o r d i ca 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 c ， r e - s a m p l et h e o r y , f e e d b a c kt h e o r ye t c a f t e ri n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p a l so ft h ec i cf i l t e r , h bf i l t e ra n df i rf i l t e rw h i c h f o r mt h ed e c i m a lf i l t e rg r o u p ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e ss o m en e wa r c h i t e c t u r e so ft h e h bf i l t e rb a s e do nf o l d i n gt e c h n o l o g ya n dm u l t i p l e x i n g ，a n df i rf i l t e rb a s e do n d i s t r i b u t e da r i t h m e t i ct or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o na n ds a v eh a r d w a r er e s o u r c e s b ys t u d y i n gt h ea l g o r i t h m s o ft h e f i l t e r s ，t h i s d i s s e r t a t i o nw o r ko u tr t l i m p l e m e n t a t i o na r c h i t e c t u r e so f t h ec i cm o d u l e ，h bm o d u l ea n df i rm o d u l e t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e ss o m ei m p o r t a n ti s s u e sa b o u tt h ea s i cd e s i g no ft h e d d cc h i p ，i n c l u d i n gd e s i g no fr e s e ts i g n a l sa n dr a m ，s y n t h e s i s ，d e s i g nf o rt e s t ，s t a t i c t i m i n ga n a l y s i sa n dp l a c e r o u t e t h el a s tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t ss y s t e mm o d e l i n g ，f p g av e r i f i c a t i o na n d a s i cc h i pt e s t ，a n ds h o w st h et e s t i n gr e s u l t s t h ea l g o r i t h m sa n dc h i pd e s i g nt e c h n i q u e sd i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o nh a v e b e e n i m p l e m e n t e di nt h ed d cc h i pd e s i g np r o j e c tw h i c ht h ea u t h o rt a k e sp a r ti n b a s e do n 0 1 3m i c r o n - m e t e rt e c h n o l o g y , t h ed d cc h i pw o r k so nah i g hp e r f o r m a n c ea n dm e e t s a l lr e q u i r e m e n t s t h er e s e a r c hf i u i to f a s i cd e s i g no f d d cb a s e do nt h i sd i s s e r t a t i o ni s o fi m p o r t a n tt h e o r i c a la n de c o n o m i c a lv a l u ea n dc a nb ea p p l i e dt om a n yp u r p o s e s i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：d i g i t a ld o w n - c o n v e r t e r , d i g i t a lf i l t e r , f o l d i n gt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e d a r i t h m e t i c ，a s i cd e s i g n i t i 图目录 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 。6 图3 - 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图4 1 图4 2 图4 3 图目录 数字下变频在数字中频软件无线电接收机中所处位置l 数字下变频基本结构4 本课题采用的d d c 系统框图5 向量旋转示意图9 c o r d i c 算法旋转示意图1 0 内插滤波器的多相滤波结构1 3 反馈控制系统结构图1 3 c i c 滤波器结构1 6 鼠( p 归) 的幅频响应特性曲线1 7 蜀( p 归) 的相频响应特性曲线1 7 日0 归) 的幅频响应特性曲线( d = 1 0 ) 1 8 巩( e 归) 的相频响应特性曲线( d = 1 0 ) 1 8 h ( e j 。) 的幅频响应特性曲线( d = 1 0 ) 1 9 日( 8 扣) 的相频响应特性曲线( d = 1 0 ) 1 9 5 级c i c 滤波器的幅频响应特性曲线( d = 1 0 ) 2 1 5 级c i c 滤波器的相频响应特性曲线( d = 1 0 ) 2 1 单级c i c 滤波器的原始结构及等效结构2 2 5 级c i c 滤波器的等效结构2 2 c i c 滤波器阻带衰减示意图( d - - - 4 ) 2 3 c i c 滤波器抽取后混叠示意图( d - - - - 4 ) 。2 3 桶形移位器的移位值与抽取因子的关系曲线2 6 h b 滤波器幅频响应曲线2 7 2 倍抽取后的h b 滤波器幅频响应曲线。2 8 m 级h b 滤波器级联2 8 d a - f i r 和m a c f i r 处理速度对比( f u a x = 1 2 0 m l - i z ) 3 1 c i c 模块的实现框图3 4 c i c 滤波器输出有效指示信号传递示意图3 5 时钟域变换的时序波形图3 5 v i 图目录 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 - 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图6 1 图6 2 图6 3 图6 - 4 图6 5 图6 - 6 图6 7 图6 8 图6 - 9 图6 1 0 c i c 模块仿真波形3 5 h b 4 的原始结构3 6 h b 4 的转置结构3 6 采用折叠技术的h b 4 的实现结构3 7 采用折叠技术的h b 6 的实现结构3 8 采用复用技术的h b 4 的实现结构3 9 采用复用技术的h b 6 的i 路结构3 9 h b 模块的仿真波形4 0 采用分布式算法的f i r 滤波器的实现结构4 1 查找表数据生成示意图4 2 查找表读地址的生成示意图4 3 f i r 滤波器的仿真波形4 3 a s i c 设计流程4 4 异步复位同步撤离的复位机制示意图4 5 复位信号撤离复位态波形4 6 存储器内建自测试结构4 7 常用的扫描触发器结构4 8 包含存储器的电路4 9 d f t 对存储器增加的逻辑4 9 d d c 芯片供电示意图5 1 电源p a d 的电流流向示意图5 2 d d c 的版图结果5 4 f d a r o o l 的设计界面5 6 d d c 测试环境框图5 7 硬件测试平台结构图5 8 d d c 开发板5 8 d d c 转接板5 9 数字下变频的测试环境5 9 工作状态下的d d c 开发板6 0 用户界面6 0 数据下载界面6 1 利用f p g a 片内r a m 搭建的验证平台6 2 1 x 图目录 图6 1 1 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 图6 一1 6 图6 1 7 图6 1 8 图6 1 9 图6 2 0 图6 2 l 图6 2 2 图6 。2 3 图6 2 4 图6 2 5 图6 2 6 图6 2 7 图6 2 8 图6 2 9 图6 3 0 图6 3 1 r a m l 的生成示意图6 2 m i f 文件格式6 3 利用i n - s y s t e mm e m o r yc o n t e n te d i t o r 工具在线观察r a m 内容6 3 d d c 裸片6 5 封装后的d d c 芯片6 5 带a s i c 芯片测试转接板的d d c 开发板6 6 a s i c 芯片测试转接板正面6 6 a s i c 芯片测试转接板背面6 7 c i c 模块输入信号波形( 左) 和输出信号波形( 右) 一6 8 c i c 模块输入信号频谱( 左) 和输出信号频谱( 右) 6 8 白噪声通过c i c 模块后的频谱6 8 h b 模块的输入数据频谱，6 9 h b 模块的输出数据频谱6 9 f i r 模块的输入信号波形( 左) 和输出信号波形( 右) 。7 0 f i r 模块输入信号频谱( 2 e ) 和输出信号频谱( 右) 7 0 白噪声通过f i r 模块后的频谱7 1 i 路输出结果的频谱7 2 m a t l a b 计算得到的d d c 芯片噪声抑制比7 2 7 2 0 倍抽取时d d c 输出数据7 3 d d c 芯片输入与输出信号波形7 4 d d c 芯片输入与输出信号频谱7 4 x 表目录 表目录 表2 14 款主流数字下变频芯片的主要技术参数8 缩略词表 d s p d d c a d c d a c a d d a n c o a g c i c a s i c f 取 f p g a b p f e d a l 汀l c i c h b c o r d i c d a m l 址 p c i r a m s r a m l e 缩略词表 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r a n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r d i g i t a la n a l o gc o n v e r t e r a n a l o g f d i 西t a l d i g i t a l a n a l o g n u m e r i c a lc o n t r o l l e d0 s c i l l a t o r a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l i n t e g r a t e dc i r c u i t a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y b a n dp a s sf i l t e r e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l c a s c a d e di n t e g r a t o rc o m b h a l f b a n d 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 d i s t r i b u t e da r i t h m e t i c m u l t i p l ea n dc o u n t 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 r a n d o m a c c e s sm e m o r y s t a t i cr a n d o ma c e s sm e m o r y l o g i ce l e m e n t 数字信号处理 数字下变频 模数转换器 数模转换器 模数 数模 数控振荡器 自动增益控制 集成电路 专用集成电路 有限冲激响应 现场可编程门阵列 带通滤波器 电子设计自动化 寄存器传输级 级联积分梳状 半带 坐标旋转数值计算 分布式算法 乘加 外围设备互连 随机存储器 静态随机存储器 逻辑单元 缩略词表 d f t r n s c t s d r c l v s g d s q f p h d f d e s i g nf o rt e s t r e s i d u en u m b e rs y s t e m c l o c kt r e es y n t h e s i s d e s i g nr u l ec h e c k l a y o u tv e r s es c h e m a t i c g r a p h i c a ld e s i g ns y s t e m q u a df l a tp a c k a g e h i g hd e c i m a t i o nf i l t e r 可测性设计 余数系统 时钟树综合 设计规则检查 版图和电路比较 图形设计系统 方形扁平式封装 大抽取滤波器 符号类别 变量 常量 矢量 主要数学符号列表 主要数学符号列表 示例 4 一 a x 字体和说明 小写斜体 大写斜体 小写粗体 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人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证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：i 盘查l 日期：a 。一7 年；月，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 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库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 专际 日期：d o o7 年；月r 日 第一章绪论 1 1 数字下变频技术简介 第一章绪论 随着近年来f p g a 器件、a s i c 芯片和通用d s p 在芯片逻辑规模和处理速度等 方面性能的迅速提高，用软硬件编程方式实现无线功能的软件无线电技术在理论 上和实用化上都趋于成熟和完善。软件无线电技术只需通过软件上的更新就能够 选择不同的业务或调制方式、修改功能，具有传统硬件方式所无法比拟的灵活性、 开放性和可扩展性。因此，软件无线电技术已经被越来越广泛地应用于蜂窝通信 及各种军用和民用的无线通信系统中【“。 软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能地直接数字化， 将其变换为适合d s p 器件或计算机处理的数据流，然后通过软件来完成各种功能。 目前大多数软件无线电接收机先将射频信号经过模拟混频下变频至中频，然后通 过高速a d c 采样为中频数字信号，再经数字下变频器变频、抽取和低通滤波处理 之后变为低速基带信号，送给通用d s p 器件作后续的解调、解码、抗干扰、抗衰 落、自适应均衡等处理。图i - i 是数字下变频在数字中频软件无线电接收机中的位 斟”。其中，数字下变频起到前端a d c 和后端通用d s p 器件之间桥梁的作用。由 此可见，数字下变频是软件无线电接收机的核心技术之一，通用数字下变频器也 越来越广泛地被应用于各种军民用无线通信设备以及电子战、雷达和信息化家电 等领域。 图i - i 数字下变频在数字中频软件无线电接收机中所处位置 1 1 1 软件无线电的发展概况 软件无线电作为未来无线电技术的发展方向，世界各国都在进行深入的研究。 电子科技大学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代初期，美国军方开发的s p e a k e a s y 军用软件无线电台系统是国际上 软件无线电技术成功的典型代表。美国麻省理工学院计算机实验室的s p e c t r u m w a r e 项目是目前国际上软件无线电技术前瞻研究的代表，s p e c t r u m w a r e 提供了无 线通信和分布式信号处理的、以软件为核心的研究方法【2 。由于软件无线电技术近 几年来的迅速发展，许多通信公司都认识到它的应用前景，并开发出了一系列具 有实用价值的软件无线电产品，包括g r a y c h i p 公司的数字发射芯片( g c 4 1 1 4 ) 、 数字接收芯片( g c l 0 1 1 ) 、数字重采样芯片( g c 3 0 1 1 ) 及i n t e r s i l 公司的可编程数 字上变频器( h s p 5 0 2 1 5 ) 、可编程数字下变频器( h s p 5 0 2 1 4 b ) 、数字科斯塔斯环 ( h s p 5 0 2 1 0 ) 等【1 1 。 1 1 2 数字下变频技术的发展概况 目前，在数字下变频产品上技术领先的公司有美国的i n t e r s i l 公司、a d i 公司 和g r a y c h i p 公司。他们的单通道数字下变频代表产品有h l t e r s i l 公司的h s p 5 0 0 1 6 、 h s p 5 0 2 1 4 b ；a d i 公司的a d 6 6 2 0 ；o r a y c h i p 公司的g c l 0 1l 、g c l 0 1 2 等。这些器 件都具有较优异的性能参数和较强的功能【3 】。 有些数字下变频芯片( 如h s p 5 0 2 1 4 b ) 除了下交频外，还包括成形滤波器、 定时同步内插滤波器、重采样n c o 、坐标变换、数字a g c 等功能，芯片内部的 各个功能模块均是可编程的，将其与通用d s p 器件结合，便可构成一个标准的数 字化多模式软件无线电接收机硬件平台。 1 2 本论文的课题背景及本人工作 本课题来源于科研项目高速数字下变频芯片设计，主要任务是用a s i c 技 术实现一个单通道高速通用数字下变频器，满足用户在高速采样和宽带信号处理 方面的需求。设计水平上，瞄准目前得到广泛应用的、代表单通道数字下变频器 件领先水平的产品美国i n t e r s i l 公司的h s p 5 0 2 1 4 b ，参考该芯片的整体框架， 根据指标要求对系统结构与实现方式进行了创新。 本课题设计的数字下变频芯片的主要性能参数如噪声抑制比、n c o 最高分辨 率、抽取因子、采样率分数倍变换等已达到h s p 5 0 2 1 4 b 的水平；另外，一些关键 指标如最大输入采样速率、系统最高处理速度等均优于h s p 5 0 2 1 4 b 。 本人在课题中承担的工作包括： 抽取滤波器组模块( 包括5 级c i c 滤波器，2 级h b 滤波器和1 2 8 阶f i r 2 第一章绪论 滤波器) 的方案设计、算法优化与m a t l a b 建模； 抽取滤波器组各子模块的v e r i l o g 代码编写、仿真验证与调试； 系统测试方案的制定与f p g a 上板联调； 用s y n o p s y s 和m e n t o r 的e d a 设计软件对抽取滤波器组进行后端的综合、 静态时序分析、形式验证、布局布线与后仿真； 对a s i c 芯片进行存储器内建自测试和功能测试 1 3 本论文的内容安排 本论文共分为七大部分。其中，第一章介绍数字下变频技术的概况，说明论 文的背景及作者完成的工作；第二章介绍数字下变频基本理论，对完成各级数字 信号处理所涉及的主要算法进行了适当阐述；第三章分析比较了抽取滤波器组中 各滤波器的算法、不同实现结构及性能；第四章从r t l 角度介绍了抽取滤波器组 中各子模块的具体设计与实现；第五章讨论了对数字下变频进行a s i c 设计时遇到 的实际问题及解决方法。第六章介绍了数字下变频的系统建模与验证测试方法， 给出了a s i c 芯片测试结果。第七章对全文进行了总结，并展望了未来应该开展的 工作。 电子科技大学硕士学位论文 第二章数字下变频原理及主要算法 数字下变频包括以下三个主要功能：一是变频，数字中频信号和数控振荡器 产生的正交本振信号相乘进行下变频；二是采样率变换，降低数据速率，以利于 后续信号处理；三是低通滤波，滤除无用的谐波分量，提取有用信掣1 1 。本章将简 单介绍数字下变频的基本原理、结构、性能指标与重要算法。 2 1 数字下变频原理概述 2 1 1 数字下变频结构 由于正交的i 、q 两路基带信号为后续d s p 器件的处理带来很大便利且性能良 好，因此大部分数字下变频器都采用了正交两路处理的结构【“。最基本的数字下变 频结构5 】【6 】【7 】 8 】 1 0 】【1 1 】【1 2 如图2 - 1 所示： 图2 - 1 数字下变频基本结构 其中，输入的数字中频信号与数控本振产生的两路正交信号相乘进行下变频。下 变频后的信号根据需要进行抽取降速并滤除无用的谐波分量，得出i 、q 两路基带 数字信号。 为了提高数字下变频器的性能，本课题设计了如图2 - 2 所示的系统结构，增加 了一些特殊功能模块，提高了系统的灵活型1 】 卯。 4 第二章数字下变频原理及主要算法 土 重 烀恒匿蝈卜 自 采 斗 t 。s 动坐 增 样 标 l n c o i 益 滤 变 山s i n 控 波 换 式爹懂匿掴 制 器 模 模 - l b组斗 块 可编程下 块 模 块 变频模块 抽取滤波器组模块 下 图2 - 2 本课题采用的d d c 系统框图 2 1 2 数字下变频基本原理与工作流程 本节将简单介绍图2 2 所示系统中各模块的工作原理。 2 1 2 1 可编程下变频模块 可编程下变频模块负责产生数字本振信号与数字混频。采用c o r d i c 算法实 现数控振荡器的同时完成了数字本振信号的产生和混频两项工作。由于数字下变 频模块仅完成了频谱搬移的工作，即把载频附近的频谱分量搬移到基带，因此， 经过下变频后，数据包含有用信号和谐波两部分，必须在后继处理过程中将它们 分开【1 1 。 在可编程下变频模块中还包含一个输入信号电平检测器，它可以与a d c 前端 的放大器组成模拟a g c 环路，使得输入的数字信号在混频时具有更高的位分辨率。 2 1 2 2 抽取滤波器组模块 抽取滤波器组是数字下变频中的重要组成部分，它的任务是将高速的下变频 后的信号经过抽取和滤波进行降速，使其降低到后续d s p 器件能够处理的速度。 直接在时域上进行抽取会导致信号频谱的扩展与混叠，因此需要在抽取前后用滤 波器配合工作i i 】。 抽取滤波器组由三大部分构成：5 级级联积分梳状滤波器( c t c 模块) 、2 级 h b 滤波器( h b 模块) 和1 2 8 阶f i r 滤波器( f i r 模块) 。由于c i c 滤波器结构简 单、电路工作频率高，故多用于抽取滤波的第一级。经过它的整数倍抽取，高速 信号的速率得到大幅降低。因为h b 滤波器有一半的系数为0 ，所以它的计算量比 5 电子科技大学硕士学位论文 一般的f i r 滤波器少一半，处理速率较高，但是每级h b 滤波器只能进行2 倍抽 取，因此用2 个h b 滤波器级联实现4 倍抽取。由于c i c 滤波器和h b 滤波器都 是混叠滤波器，因此信号需经过f i r 滤波器滤除无用的频率分量后，再进行下一 步处理。 2 1 2 3 自动增益控制模块 抽取滤波器组输出信号幅度较小，为了保证其在后级重采样时具有足够的位 分辨率，在抽取滤波器组模块和重采样滤波器组模块之间增加了一个自动增益控 制模块，对小信号提供足够的增益，优化不同输入信号对于后级模块的位分辨率 5 1 。 2 1 2 4 重采样滤波器组模块 重采样滤波器组模块完成采样率的分数倍转换，它由一个1 9 2 阶的多相滤波 器和2 级h b 内插滤波器构成。其中多相滤波器先进行3 2 倍内插，再根据控制模 块送来的配置信息进行3 2 1 2 8 倍抽取，实现l 4 倍可调分数倍抽取。在多相滤 波器之后，用2 级h b 内插滤波器提高前级抽取滤波所损失的样本时问分辨率叫3 1 。 2 1 2 5 坐标变换模块 坐标变换模块将重采样滤波器组模块送来的i 、q 两路基带信号分成两组，一 组经过输出格式化后送给后续的通用d s p 器件作进一步解调、解码等处理；另一 组用c o r d i c 算法根据公式0 芦万和a r c t a n 粤) 进行直角坐标系到极坐标系的变 换，得到并输出基带信号的幅值和相位f 1 3 】。 另外，直角坐标向极坐标变换过程中，相位信号可能会出现跳变，因此这里 还需要对其进行解卷绕。 2 1 2 6 控制单元 控制单元是数字下变频芯片与外部控制逻辑的接口，系统工作时，技术人员 通过计算机的p c i 接口对数字下变频芯片内部的控制寄存器和各滤波器系数进行 配置，并且为芯片验证与测试选择不同的工作模式。 2 1 3 影响数字下变频器性能的主要因素 影响数字下变频性能的主要因素有两个：是硬件电路的运算精度；二是数 6 第二章数字下变频原理及主要算法 字下变频的处理速度【3 1 。由于硬件电路中的运算是定点运算，每个模块进行处理时 都有一定的运算精度，数据舍位会产生相应的相位截断误差。如果希望相位截断 误差比较小，运算精度就必须高，这样会耗费大量的资源。另外，如果数字下变 频需要工作在较高的时钟频率下，电路需要采用并行、流水等技术来提高速度， 这样一来，消耗的资源成倍数增长。因此，设计时需要综合各方面因素，在资源 和性能之间作一个折衷。 2 2 数字下变频的性能指标 2 2 1n c o 最高分辨率 n c o 最高分辨率指n c o 的相位精度。如果相位累加器输出的相位为位， 相位槽厦刀丽2 r r ，删t * n c o 由c 0 r d i c 算法实现，所以相位精度决定了 c o r d i c 算法的迭代次数。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 4 1 ， 令a r c t a n ( 2 。) = 多，可得f - 一l 。g ：( t 孤( 多) ) ，即当= 1 8 时，n c o 的最高分辨率 为o 0 2 ，迭代次数i = 1 6 。 2 2 2 噪声抑制比 数字下变频的噪声抑制比主要指f i r 滤波器的噪声抑制比，即f i r 滤波器的 通带到阻带的衰减，体现了滤波器对带外信号的滤波效果。本设计中，噪声抑制 比大于8 0 d b 。 2 2 3 抽取因子 抽取因子表示输入数据与输出数据的速率关系。对数字下变频这样一个多速 率信号处理系统来说，抽取因子等于各个抽取模块的抽取因子之积。本设计的抽 取因子范围为4 8 1 9 2 ，其中，c i c 滤波器的抽取因子范围为4 3 2 ，h b 滤波器 的抽取因子范围为1 4 ，f i r 滤波器的抽取因子范围为1 1 6 ，重采样滤波器组的 抽取因子范围为1 4 ( 可为分数) 。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 4 主流数字下变频芯片的技术指标 业内主要的单通道数字下变频芯片有i n t e r s i l 公司的h s p 5 0 0 1 6 、h s p 5 0 2 1 4 b ， a d i 公司的a d 6 6 2 0 和g r a y c h i p 公司的g c l 0 1 1 。表2 - 1 列出了这几款芯片的主要 技术参数【5 】【6 】【7 】【引。 表2 - 14 款主流数字下变频芯片的主要技术参数 参数 h s p 5 0 2 1 4 bh s p 5 0 0 1 6 a d 6 6 2 0g c l o l l 型号 1 6 位偏移二进 1 6 ( 尾数) + 3 数据输入格式 1 4 位实数制或二进制补( 指数) 实数、 1 2 位实 ( 数据宽度) 数 码 差分实数、复数 最大输入数据速 6 57 56 57 0 室( m s p s ) 5 级c i c 、5 级h b 、2 5 6 h d f 滤波器、2 组c i ( 2 、2 5 6 c i c 、固 滤波器阶f i r 、内插多相滤波器、 f i r 滤波器阶f i r 定6 4 阶 2 级h b 内插、6 4 阶f i r f i r 噪声抑制比( d b ) l o o 1 0 2 1 0 0 7 0 6 4 抽取因子范围 4 1 6 3 8 43 2 1 3 1 0 7 22 1 6 3 8 4 6 5 5 3 6 定点，单精度浮串行、并行、补串行、补 输出格式串行、并行、先进先出 点 码码 2 3 数字下变频的主要算法 2 3 1c o r d i c 算法 可编程下变频模块中，输入信号与n c o 产生的载波相乘将中频信号下变频至 基带。当相位累加器输出的相位宽度增大时，如果用传统的查表法计算正弦信号， 需要的r a m 规模成指数倍增长，并且输入信号与正弦信号混频时需要使用并行的 乘法器。采用c o r d i c 算法可以避免这些问题。c o r d i c 算法的基本思想是：通 过一系列逐次递减的、与运算基数相关的角度的往复偏摆来逼近最终需要达到的 旋转角度。该算法仅利用加法和移位两种运算通过迭代方式进行矢量旋转，不仅 可以计算正弦、余弦、极坐标和直角坐标变换与反变换、反正切、矢量求模，而 且通过对c o r d i c 算法的逆运算还可以计算反正弦和反余弦函数。由于c o r d i c 算法只采用加法和移位操作，实现简单，因此数字下变频中采用它实现n c o 、混 频和坐标变换【1 ”。 第二章数字下变频原理及主要算法 2 3 1 1c o r d i c 算法基本原理 假设直角坐标系内有一个向量a ，记作( 而，虬) ，向量b 是向量a 旋转钿角度后 得到的向量，记作( ，只) ，如图2 - 3 所示。 ) x o ，y o ) x 图2 - 3 向量旋转不意图 由向量旋转的几何关系，可以得到以下的方程： j 矗2 c 0 8 白一蜘8 1 1 1 2 0 ( 2 一1 ) 【儿2 y oc o s z 0 十x os i n z o 将c o s z o 提出来，得到下式： 毛2 8 z o x o 一乜n 毛1( 2 2 ) 【y # = c o s z o y o + x ot a n z o 】 、 假设向量b 是向量a 通过次旋转以后得到的，其中第f 次旋转的角度为魂， 那么第i 次旋转的表达式为： j 玉“2 。0 8 破【薯一乃诅n 破1( 2 3 ) 【y i + l = c o s 破【舅+ 薯t a n 谚 、。 为了便于硬件实现，规定第i 次旋转的角度破= t a n - 1 ( + 2 。) ，这样，每次旋转 的t a n # i 的值可以通过移位算出。旋转方程可以简化为： 札。= k 【葺一y 。嘎2 。】 2 k 眈+ 五予2 j 1 ( 2 4 ) z f + l = 弓一吐t a n “( 2 “) k = c o s ( t a n 。1 2 。) 其中，k 是第i 次旋转后产生的增益，化简后得到：置= 1 圻i 尹。z i + ，是每次 旋转后，向量a - q 向量b 之间的夹角。若刁 0 ，则说明向量a 还需要进行逆时针 9 电子科技大学硕士学位论文 旋转才能更接近b ，唛= 1 ；若五 0 ，因此，逆时针旋转角度破 ( 商的正切值等于2 。) ，到达位置。第二次旋转时，位置与位置之间的夹角 z 2 0 ，因此，顺时针旋转角度办( 唬的正切值等于2 - 2 ) ，到达位置。按照以上 规律依次旋转下去，新的位置越来越接近最终位置。这个过程用硬件实现就是一 个典型的迭代过程。由d i 决定每一次迭代的符号，每次旋转角度的正切值恰好是2 的负幂次。实现时，只需要使用右移和相加运算就能完成迭代。迭代的整个趋势 是让互趋近于零，也就是让向量a 趋近于向量b 。经过多次迭代后，式( 2 4 ) 被化 简成下式： = k 兀 薯一y ，4 2 - 】 l = 0 只= k 兀 m + 薯吐2 - 】 ( 2 5 ) i - o k = 兀k 其中，k 由迭代次数i 决定，当i 确定下来，k 就是一个常数了。当迭代次数足够 多，即f 足够大时，