[發明專利]基于FPGA的寬帶數字下變頻器

無效

• 申請號: 200910078867.8
• 申請日: 2009-03-04
• 公開（公告）號: CN101827055A
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發明（設計）人: 李和平;王巖飛
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: H04L27/00
• 分類號: H04L27/00;H04B1/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周長興

技術領域

本發明涉及一種數字接收機，更具體地涉及一種基于現場可編程門陣列(Field?Programmable?Gate?Array，FPGA)的寬帶數字下變頻器。

背景技術

目前，軟件無線電技術成為國內外軍用、民用通信技術領域中研究的熱點。其基本思路為：通過將模數轉換器(Analog?to?Digital?Convertor，ADC)從基帶移到中頻甚至射頻，把接收到的信號盡早數字化。作為數字化進程中的一個關鍵部件，數字下變頻器(Digital?DownConvertor，DDC)在高速ADC和相對低速的數字信號處理(Digital?Signal?Processing，DSP)系統之間建立起一座橋梁，緩解它們速度不匹配的矛盾。DDC將接收到的數字化雷達中頻信號正交解調成為兩路正交的I、Q基帶信號。

數字下變頻算法分為兩類：第一類是針對于正交采樣的數字下變頻算法；第二類是針對非正交采樣的數字下變頻算法。

模擬中頻信號經過正交采樣后，數字I、Q信號可以從中頻數據流中分離出來。但是，分離出來的兩路信號在采樣時間上相差半個采樣周期，因此還需要進一步處理，得到時間一致的兩路正交I、Q信號。針對這個問題，國內外學者進行了大量的研究，提出了一系列方法，比較典型的有三種：Hilbert變換法、插值濾波法(數字乘積檢波法)和低通濾波法。

Hilbert變換器實際上是90°移相器，通過對實信號進行Hilbert變換，可以獲得該信號的正交分量。Hilbert變換法利用這個事實，對功分為兩路中的一路數字中頻信號進行Hilbert變換，然后與經過延時的另一路組合在一起，形成完備的I、Q信號，對它們進行抽取和移頻即可得到I、Q信號(如圖1所示)。

插值濾波器法先從時域對數字中頻數據流進行奇偶抽取，得到相差半個采樣周期的I、Q信號(假設I比Q超前)。為了保證兩路的一致性，同時對它們進行延時內插，只不過d路延時內插3/4樣本，Q路延時內插1/4樣本。最終保證在3/4樣本處，兩路信號同時出現，實現I、Q信號的分離(如圖2所示)。

低通濾波法首先將中頻數字信號分別與NCO產生的兩路正交本振相乘，得到兩路信號。然后分別經過FIR低通濾波器和抽取單元，輸出降低速率的兩路基帶信號I和Q(如圖3所示)。

相對其他兩種方法而言，低通濾波法的計算量最大，但是它適用于模擬信號的正交和非正交采樣，因此應用反而最廣泛。

如果信號是非正交采樣，那么數字下變頻算法只能用低通濾波法。目前通信領域提供的一些成熟的數字下變頻器都是采用這種方法。不過由于在實現的過程中沒有采用多相結構，因此能夠實時解調的頻率都比較低(小于150MHz)。因此，研究高效算法降低低通濾波法的運算量成為此算法能否得到廣泛應用的關鍵。眾所周知，對于先濾波后抽取處理的最有效方法是多相結構來實現。通過查新表明，幾乎全部的高效數字下變頻算法都是對數字輸入信號進行D倍的抽取，然后每一個分支，進行復混頻，然后低通濾波，最后抽取。由于混頻和低通濾波放在抽取之后的低數據速率部分，因此降低了對系統硬件的要求。另外由于只處理了與輸出有關的部分運算，相對于傳統的算法而言，效率提高了D倍。不過這種算法也有缺點：不能夠實現與后面的基帶處理系統的帶寬相匹配。如果保證不混迭的抽取因子D過大，則DSP比較輕閑；如果抽取過小，DSP的負擔比較重。由于在處理的過程中，數字本振是復本振，因此后續的濾波器需要兩個一樣的濾波器，比較浪費FPGA的資源。在實際實現的時候，它需要3-4片高性能的FPGA來實現，其中第一片用來對數據進行抽取和混頻；第二、三片用來實現多相濾波；最后一片進行數據融合和I、Q信號的輸出。這種方式需要的硬件比較多，控制也比較麻煩。

綜上所述，以上各種方法都有優缺點，具有一定的應用局限性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于FPGA的寬帶數字下變頻器，以克服背景技術中提到的高效數字下變頻算法的缺點，并且讓數字下變頻算法具有更廣泛的通用性。

為實現上述目的，本發明提供的基于FPGA的寬帶數字下變頻器，由一片FPGA實現一路信號的數字下變頻；FPGA內部包括數據抽取、多相濾波、內插、混頻和基帶輸出功能模塊；

多路并行數據進入FPGA后，首先對該多路并行數據進行抽取，抽取間隔D為大于1的正整數，由FPGA內部的數據抽取模塊對抽取后輸入的數據流進行重整，分到d個支路，d的取值為大于1的正整數；每個支路按照抽取因子D進行抽取；