FPGA技术在软件无线电模型中的应用

4.1 本地频率产生器和混频器

DDC结构中第一个环节就是要实现本地数字混频，主要由两个部件完成，一是乘法器，二是数控振荡器(NCO)。乘法器是数字信号处理中的基本运算单元，在FPGA中设计较为复杂，而且占用资源也比较多，但在具体实现FIR滤波时，往往不采用这种直接的乘累加的形式，以免占用大量的资源；在实现混频时，由于只需两个乘法器，而且是在很高的速率下进行，所以不考虑资源的限制。在Xilinx公司FPGA产品中，有的已在芯片内部嵌入了乘法器，这种内置乘法器充分结合了芯片硬件特点，使得运算速度更高。
NCO的硬件结构如图2所示，主要由相位累加器和SIN/COS表构成。相位累加器产生的相位作为地址去查找ROM表，查到的SIN/COS值即本地载波的数字频率送至乘法器，完成混频。在实现NCO时有以下参数值得注意：
· NCO产生数字频率的精度。此参数与SIN/COS 值的位数有关，位数越宽，则精度也就越高，但占用FPGA的资源也就越多。?
· 载波的同步。如果需要本地载波做到严格的同步，则需要额外的锁相环结构获取偏移相位，进行调整。
· NCO输出频率的噪声。噪声的产生与频率在时间上量化有关，由于采样时刻不一定严格对齐载波的相位，所以会产生噪声，但构造更大的正弦或余弦表会减少噪声分量，这同样会增加FPGA的资源占用。






4.2 抽样率变换滤波器组

下变频过程中经过混频后的信号必须进行抽取滤波，以便降低抽样速率，使得通用的DSP对基带信号处理时有充足的时间完成运算；同样，在上变频过程中，首先要进行插值滤波，提高抽样速率，从而实现在IF范围内频谱的搬移。?根据DDC总抽取因子的大小，我们把数字下变频分为两类：即当抽取率大于32时，认为是窄带下变频，反之则认为是宽带下变频。无论是宽带还是窄带，一般都采用FIR结构实现抽取滤波器，但对于窄带下变频，由于抽取因子较大，所以其抽取滤波器组也更为复杂一些。参考古得曼(Goodman)和开莱(Carey)提出的设计多级抽取器和内插器的经典模型，对窄带下变频作如图3设计，其中CIC滤波器为整系数滤波器，滤波时无需乘法运算，而半带滤波器有一半系数为零，这样在滤波时大大减少了计算量。



实现FIR滤波功能的基本元素包括乘法器、加法器、延迟单元以及存储单元等，其中乘法器的设计最为复杂。用FPGA技术作乘累加运算通常有移位相加、加法器树、查询表和逻辑树等设计方法，不管采取哪种方法，要实现一个高阶的数字滤波器都将占用相当大的资源。相比较来说，采用分布式运算DA算法(Distributed Arithmetic)的FPGA设计无论是在逻辑资源占用上，还是处理速度上都具有很大的优势，特别是对于基于SRAM结构的FPGA更加适合于DSP功能的设计。?有关DA算法早期比较著名的阐述，是在1974年由Abraham Peled 和Bede Liu在讨论数字IIR滤波器和FIR滤波器硬件设计时涉及到，1975年在IEEE Proceedings中Freeny发表了一篇关于DA算法在贝尔实验室电话系统中应用的论文，同时惠普公司的Kai-Ping Yiu提供了一种有关符号位的DA设计方法；此后，西门子H.Schroder以及RICE大学C. S. Burrus 在提高算法的处理速度方面做了深入的研究。随着大规模集成电路技术的发展，特别是可编程逻辑器件的发展，DA算法在数字滤波器硬件设计中的研究进一步加强，SDA(串行DA)算法和PDA(并行DA)算法已成为FPGA实现DSP功能最为有效的方法。根据DA算法设计的思想，我们进行FIR滤波器设计如图4所示。



图4为FIR滤波器实现的串行DA形式，其中S-REG为串行移位寄存器，实现输入数据的并/串转换，并由TSB(Time-Skew Buffer)完成数据的移位缓存，产生访问DALUT的地址；查表后得到的输 出数据由定标ACC单元完成累加，累加的结果即为滤波后的值。?SDA算法处理的速度与抽头系数的大小无关，只与输入信号的数据位数有关，例如当x(n)的数据宽度为12bit，则需要12个时钟来完成一个输出结果的运算。PDA(并行DA)算法可相应提高信号处理的速度，但它是以牺牲更大的逻辑单元为代价的。为了实现较高性能的滤波器指标，往往需要很多个抽头，这时DALUT必然会占用很大的空间，如每增加一个抽头，DALUT的容量就会增加一倍(2K)，在实际处理时，通常采用分解级联的方法，利用多个DALUT实现总的滤波功能。
4.3 FPGA实现和实验结果

我们设计了一个中频为10.75MHz，带宽为20kHz的中频数字化收发信机，硬件设计如图5所示。

如图5所示，中频A/D、D/A分别采用AD公司的AD9224和AD9764，其中AD9224分辨率为12bit，AD9764为14 bit，采样速率为30.720MHz；DSP选用TI公司的TMS320C5410芯片，最高处理速度为100MIPS；音频A/D、D/A由TLV320AIC10实现。FPGA选用Xilinx公司的SpartanII-200，规模为20万门，最高工作频率为200MHz，该芯片主要完成抽取率为512的DDC功能和插值率同样为512的DUC功能，而且是在同一片FPGA中实现。FPGA单元与DSP接口的数据速率为60kHz。FPGA开发工具为Xilinx Foundation3.1，编程语言采用VHDL和Schematic混合设计方法，并利用CORE Generator提供的DA FIR滤波器方便地实现半带滤波器和整形高阶FIR滤波器功能。