WCDMA直放站数字下变频的FPGA实现

1、总第259期2011年第5期计算机与数字工程Computer&D ig ital Eng ineer ingV o l.39No.5153WCDMA直放站数字下变频的FPGA实现*陈 洁1 林 伟2 黄世震2(福州大学1 福州 350003(福建省微电子与集成电路重点实验室2 福州 350002摘 要 数字下变频器(D igital Do wn Conver ter,D DC是W CDM A直放站的重要组成部分,它将高速采样的数字中频信号下变频到基带,然后进行抽取,低通滤波。重点研究了数字下变频器的数控振荡器N CO和半带滤波器的原理和硬件设计仿真,通过F PG A芯片V ir tex

2、 6XC6V L X75T设计实现了适用于WCDM A直放站的数字下变频器,并对其进行硬件仿真与验证。关键词 数字下变频;直放站;N CO;F PG A中图分类号 T P393FPGA Implementation of Digital Down Converterin WCDM A RepeaterChen Jie1 L in W ei2 Huang Shizhen2(Fuzhou University1,Fuzhou 350003(Fujian Key Labor ator y of M icroelectronics&Integrated Circuits2,Fuzhou 350

3、002A bstract Dig ital do wn conver ter is an impor tant par t of W CDM A repeater.It lets the high speed sam pled dig ital sig nals dow n co nv ersion to base band.T hen ext ractio n,lo w pass f ilter are conducted.T his paper focuses on the principle and har dw are design of NCO par t and HB decima

4、tion filter pat of dig ital dow n co nv erter.Dig ital do wn convert er,w hich is suit able for W CDM A repeater,is implemented in FP GA chip V ir tex 6X C6V LX75T.Finally,the har dw are simulation and v eri ficat ion is completed.Key Words DDC,repeat er,N CO,FP GAClass Nu mber T P3931 引言WCDMA直放站可以扩

5、大W CDMA基站的覆盖范围,大大节省WCDM A网络建设的投资。特别是在高层楼宇、地铁、以及盲区等特殊环境下, WCDMA直放站将充分发挥它的优势。数字下变频器是直放站的核心部件之一,它的作用是将中频信号下变频到基带信号,通过降低数据流的速率,缓解基带部分的处理压力,其性能的优劣将对直放站的稳定性产生直接影响。目前虽有专用的数字下变频器件可实现数字下变频的功能,但是其价格昂贵,周期长,不够灵活的缺点限制其广泛应用。本文利用FPGA的高速率、可实现在线重构等优点,采用SIMU LIN K建模仿真与Verilog语言相结合的方法实现数字下变频设计,并给出相应的仿真结果1。2 数字下变频的系统结构

6、与设计本设计的数字下变频器DDC的功能结构如图1所示,其中包括数控振荡器NCO、数字混频、抽取滤波模块、FIR滤波器等模块。模拟中频信号X (t经AD芯片数模转换后得到数字中频信号X*收稿日期:2010年11月11日,修回日期:2010年12月21日基金项目:福建省教育厅项目(JA09006资助。作者简介:陈洁,男,硕士研究生,研究方向:集成电路设计。林伟,男,硕士生导师,副研究员,研究方向:敏感材料与器件、集成电路设计。黄世震,男,副教授,高级工程师,研究方向:气敏传感器研究及集成电路设计。154 陈 洁等:WCDM A 直放站数字下变频的FP GA 实现第39卷(n,输入DDC 后先与NC

7、O 产生的两路正交本振信号相乘完成数字混频,将数字中频搬移到基带。抽取滤波模块由两级半带滤波器完成,对混频后的信号进4倍抽取,降低速率。FIR 滤波器滤掉谐波和信号抽取后导致的频域上的混叠,得到I 、Q 两路基带数字信号。 图1 本设计中W CDM A 数字下变频结构框图由表1可知,WCDM A 信号的载波带宽为5MH z,码片速率为3.84M cps,由于直放站后面的基带处理要求处理4倍过采样数据,因此送入基带处理模块进行基带信号处理(即下变频输出的数据速率为Fout =4* 3.84=15.36MH z 2。又根据Fout =Fs/N ,其中N 为抽取系数,Fs 为中频采样率,我们选择的F

8、 s 必须为输出速率15.36MH z 的整数倍。假设小区的射频宽带为5M H z,根据Shannon 带宽采样定理2f H N +1 f s 2f L N ,1 Nf Lf H -f L以及综合ADC 芯片的性能,我们取中频采样率Fs 为61.44M H z,抽取率N =4。表1 WCDM A 系统的基本参数设计参数参数值双工方式FD D 、T D D 信道带宽5M Hz 码片速率 3.84M cps 帧长10ms 信道编码卷积编码、T urbo 码等数据调制Q PSK (下行、H PSK (上行故本设计需要的主要参数为:1AD 芯片输入的数字中频频率为138.24MHz,数据采样率61.4

9、4Msps,输出15.36MH z 数字中频信号。NCO 和数字混频器将15.36MH z 中频信号下变频至零频,其中数控振荡器产生15.36MH z 的本地振荡频率。2中频数字信号采样率Fs 为61.44M H z,四倍抽取后输出数据Fout 为15.36M H z 。3WCDM A 信号的空中带宽为5M H z,经过上述两个过程转变为零频信号,带宽为2.5M H z,设计一个带宽为1.92M H z,阻带频率为2.5M H z,衰减系数为-80dB 的FIR 滤波器进行低通滤波。3 数字下变频的FPGA 实现3.1 数控振荡器N CO 的FPGA 实现及仿真数控振荡器NCO 的目标是产生一

10、个理想正交本振序列cos(w 0n 和sin(w 0n ,这里采用直接数字频率合成器DDS 实现。直接数字频率合成器DDS 由相位累加器、相位加法器、正弦查找表组成3。每到一个时钟脉冲,通过相位累加器使相位在原来的基础上加一个相位累加量即频率控制字M ,再利用相位加法器加上初始相位,最后用相位值作为正弦查找表的地址,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4。设f out 为DDS 的输出频率,f c 为输入信号的采样频率,N 为相位累加器的字长,则输出信号频率与频率控制字M 的关系为f out =(f c *M/2N当M 为1时,上式代表DD

11、S 的输出频率分辨率,即f ref =f c/2N直接数字频率合成器DDS 可以采用XILINX 公司提供的IP 核DDS Comlpier 实现。将DDS 的时钟频率设为61.44M H z,与DDC 的输入采样率相同,将相位宽度N 设为20位,频率控制字M 设为20 h40000,则DDS 输出频率为15.36M H z 的两路正余弦信号,并与原始信号混频后产生两路零中频正交信号,实现下变频5。其中DDS 的参数设置为:SFDR 为84dB;频率分辨率58.6H z 。通过调用Mo delsim,DDS 的综合仿真结果如图2所示。图2 DDS 的M o delsim 仿真图3.2 抽取滤波

12、模块的设计本设计要实现的抽取倍数为4,CIC 滤波器适合窄带高抽取率的情况,用在此处并不合适,故采取两个级联的半带滤波器来实现4倍抽取率6。H B 滤波器的通带和阻带对称,即通带波动和阻带波动相等;通带的变频和阻带的边频相对于fs/4对称7。为了保证FIR 滤波器的线性相位,滤波器的系数具有偶对称,即要求h(n=h(N -1-n,其中N 为滤波器的阶数,这里设N 为奇数。2011年第5期计算机与数字工程155H B 滤波器具有性质如下:H (e jw =1-H (e j ( -wH (e j /2=0.5h(k=1,k =00,k = 2, 4,因此H B 滤波器的冲激响应除了零点不为0外,在

13、其余偶数点全为0,在硬件实现时可以节省近一半的乘法器资源8。 在ISE 中使用Verilog 语言实现基于DSP48和LU T 的半并行半带滤波器。通过调用Vir tex 6系列丰富DSP48E1模块完成若干次复用。复用的次数等于模块时钟工作频率除以数据速率9。由于混频后,到达半带滤波器模块的是两路采样速率为61.44M H z 的正交信号。所以经过两级半带滤波器的4倍抽取后,输出为15.36M H z 的信号。将数据读入M odelSim 功能仿真,再将结果导入MAT LAB 进行数据分析后得到的仿真结果如图3所示。可以看出信号的数据速率降低了一半。3.3 FIR 滤波器的实现FIR 滤波器

14、主要用来对信号进行整形滤波,消除信号中存在的噪声10。其数学表达式为:y(n=x (n*h(n=N-1k=0x (n -kh(k其中,N 为抽头数,x (k为第K 时刻信号输入的采样值,y (n为滤波器输出,h(k是FIR 滤波器的第K 级抽头系数,其在Z 域可以表示为:H (Z=N-1k=0h(kZ -k 考虑抽取滤波模块输出带宽为5M H z 零中频信号,在本设计中利用MA TLAB 的FDA TOOL 设计一个带宽为 1.92MH z,阻带起始频率为2.5M H z,衰减系数-80dB 的FIR 滤波器。为了降低误差矢量幅度EVM,将通带内纹波抖动Apass 设置为0.04dB,其相应的

15、代价是滤波器的阶数比较高。将系数量化为16bit 后保存到.COE文件中并导入到ISE IP Core,实例化IP Core 即可生成相应的.x co 文件11。图4为FIR 滤波器的响应曲线图。其中FIR 的通带内波纹抖动为0.04dB,阻带下降80dB,通带带宽为1.92M H z,阻带带宽为2.5M H z,采样率为15.36M H z 。4 硬件测试与结果分析数字下变频器DDC 最终在XILINX 公司的FPGA 芯片Virtex 6XC6VLX75T 上实现。采用信号发生器A gilent E4433B 产生模拟中频信号138.24MH z 作为采样率为61.44M H z 的ADC

16、(型号为AD11C125的输入信号。ADC 芯片过采样后输出中频15.36M H z,数据采样率61.44MH z 的图5 AD9779模拟输出信号频谱数字中频信号,输入数字下变频模块进行下变频处理。两路输出的I 、Q 正交信号直接上变频后输入到DA 芯片AD9779A 。其中DA 芯片输出的模拟信号频谱如图5所示。在测试过程中,通过调节信号发生器的频率可以将信号变频到不同的中频频率上,验证了下变频器设计的正确性。5 结语本文详细介绍了WCDM A 直放站数字中频模块下变频器的设计与实现。依据WCDMA 规范对系统进行了详细的指标分析和计算,由分析结果确定设计参数,并对主要模块进行了仿真设计,

17、测试结果与设计相符。综上所述,本文提出数字下变频方案具有实际的应用性及参考性,但根据WCD M A 直放站的实际指标还需做进一步的改善。参考文献1张朝阳,孙懋珩.基于WCDM A 的RR U 数字上变频FPG A 实现J.黑龙江科技信息,2009(52Helen T arn,K ev in Neilson,Ramon U r ibe,et al.Desig ning Efficient W ireless Dig ital U p and D ow n Co n v erters L ever aging CO RE G enerat or System Generato r EB/OL .w

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20、技术的普及应用起到积极的推动作用。参考文献1T rusted Computing G roup.T CG Specification A rchitecture O ver viewEB/O L.U RL:https:/w ww.t rustedcomput ing g roup.or g/gr oups/T CG_1_2_A rchi tecture_O ver view.pdf,2007 12 072010 6 21 2沈昌祥,张焕国,冯登国,等.信息安全综述J.中国科学(E辑:信息科学,2007,37(2:1291503张焕国,罗捷,金刚,等.可信计算研究进展J.武汉大学学报(理学版,2

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