軟件無線電數字下變頻技術研究及FPGA實現

軟件無線電的核心思想是以模塊化、標準化的硬件功能單元構建一個具有高度靈活性、開放性的通用硬件平臺，將高速、寬帶的A/D、D/A盡可能地靠近天線，通過軟件編程的方式實現通信系統的各種功能，從而屏蔽不同通信系統的差異，實現多個通信系統的互通與兼容。數字下變頻DDC(Digitial Down Conversion)是軟件無線電接收系統構成的核心，它主要是把A/D技術應用于中頻信號，通過軟件編程實現混頻、抽取和濾波等信號處理功能，以數字化方式將中頻信號搬移至基帶并同時降低數據速率。

1 軟件無線電數字下變頻系統構建與仿真

1.1 數字下變頻系統參數的確定

系統構建時，主要參考了GSM標準的各項參數，系統輸入中頻信號采用頻率為246 MHz、帶寬為200 kHz、頻偏為50 kHz的MSK調制信號，下變頻后輸出速率要求為1 MS/s。根據帶通信號采樣定理，本系統采樣率定為24 MHz。采樣后原中頻信號將在6 MHz處有一個頻譜鏡像，從而可以取本振頻率為6 MHz來完成數字混頻的功能。數字下變頻后采樣率還需完成從24 MHz到1 MHz的轉變即抽取濾波器需要對數字混頻后輸出的信號進行24倍的抽取。

1.2 下變頻系統結構設計

由以上確定的數字下變頻系統各項參數可知，系統需要對數字下變頻后的信號進行24倍的抽取。本文選擇了抽取濾波器四級級聯的實現結構。其中第一級CIC濾波器實現6倍抽取；第二級CIC補償濾波器對CIC濾波器輸出的信號進行補償，并實現2倍抽取；第三級HB濾波器完成2倍抽取任務；第四級FIR濾波器不進行抽取，而是進一步低通濾波以增強輸出信號的效果。這樣就構造了如圖1所示的軟件無線電數字下變頻系統。


1.3 抽取濾波器系統的實現

M、D分別為CIC濾波器的抽取倍數和微分延遲因子。可見其阻帶衰減較差，難以滿足一般的應用需要。故在實際應用中，往往采用多級CIC濾波器級聯的結構，使阻帶得到較大衰減。本文采用了6個單級CIC波濾器級聯的形式。采用這種結構，帶來了通帶波紋的增大，對通帶內的信號也產生了一定的衰減。因此，本文設計了相應的CIC補償濾波器對CIC處理過的數據進行幅度補償并實現2倍的抽取。據此即可設計相應的濾波器,對CIC輸出的數據進行補償和抽取處理。

在MATLAB中，設計產生特定參數的CIC補償濾波器，將其與CIC濾波器級聯后，建立相應的仿真文件，并進行Matlab仿真，得到CIC與CIC補償濾波器的設計效果如圖2所示。

從圖2可以看到，CIC濾波器對數據進行了6倍的抽取，但是沒有完全濾掉混雜的噪聲頻率，其輸出的數據再由CIC補償濾波器進行處理后，濾除了鄰帶噪聲信號的頻率成分，同時也完成了對數據的進一步抽取。即CIC和CIC補償濾波器能夠完成對特定參數信號的濾波與抽取。

1.3.2 HB濾波器

根據系統參數設計要求，半帶濾波器的輸入數據采樣率Fs應為2 MHz，通帶截止頻率fp=0.1 MHz。通帶HB濾波器的通帶歸一化截止頻率wp、阻帶截止頻率ws滿足如下性質：wp+ws=π，可求得其阻帶截止頻率等于0.9 MHz。在本文設計的數字下變頻系統中，經過CIC及其補償濾波器處理后的數據需傳給HB濾波器繼續進行濾波，并進行2倍的抽取。

1.3.3 FIR濾波器

在數字下變頻系統結構中，抽取濾波模塊最后有一級FIR濾波器，它對前三級抽取濾波器處理過的數據進行進一步的濾波，以使輸出具有更好的波形效果。FIR的輸入來自HB濾波器處理后輸出的數據，采樣率Fs=1 MHz。本文采用了多相分布式結構設計FIR濾波器。

2 基于FPGA的DDC系統仿真

2.1 DDC系統的功能仿真

在系統功能仿真時，本系統選擇了QPSK調制信號作為輸入的激勵源。由MATLAB按系統參數產生相應的中頻已調信號，對所得到的數據進行12比特量化，并對系統在加入高斯白噪聲的情況進行了測試，圖3給出了輸入、輸出信號的波形。測試時，加入高斯白噪聲的情況下對應的信噪比為0 dB，即SNR=0 dB。

在圖3中，調制比特流的速率為200 Kb/s，經過串并變換為I、Q兩路后，碼率降為100 Kb/s。在有高斯白噪聲的情況下，DDC系統輸出的兩路正交下變頻信號能夠較好地與輸入的I、Q調制比特流相對應，而且濾除了輸入中頻信號混雜的噪聲成分。由此可見，所構建的軟件無線電數字下變頻系統在功能上確實能夠完成對特定參數的中頻信號的數字下變頻，并具有一定的抗噪功能。

2.2 DDC系統時序仿真

在設置了軟件無線電中頻數字化系統的各項約束條件并進行了綜合、布線等操作后，本文建立了相關的仿真激勵文件，輸入待處理數據，對DDC系統的時序性能進行了仿真，在Quartus II輸出的數據出現了毛刺，并且都有了一定的時延，但沒有出現時序混亂的問題。總之，軟件無線電數字下變頻系統的時序基本正常，但時延較大，還有進一步優化和改進的余地。

數字下變頻是軟件無線電技術體系的關鍵組成部分,模擬中頻信號經過高速ADC采樣數字化后輸入到數字下變頻系統中，首先與數控振蕩模塊(NCO)產生的數字本振進行混頻，然后再送入到后續的抽取濾波器進行濾波和抽取，最后輸出較低速率的下變頻信號。本文完成了軟件無線電數字下變頻系統各關鍵模塊的分析、設計及系統整體基于FPGA的軟件實現，并通過了時序和功能仿真測試，結果表明，系統能夠較好地實現特定信號的數字下變頻，并且具有一定的抗噪功能效。