一种高效灵活数字上变频FPGA设计

摘 要： 数字上变频器是软件无线电的核心部件之一，其基本功能是增加基带信号采样率并把其搬移到载波频率上。本文采用内插滤波器特性较好的积分梳妆滤波CIC和补偿滤波器CFIR级联的插值滤波器结构，载频可编程的数控振荡器(NCO)在Altera FPGA EP2SGX90上实现了稳定可靠的数字上变频器。
关键词： 软件无线电； 数字上变频； FPGA； 积分梳妆滤波器

软件无线电的基本思想是把A/D变换器尽可能地靠近射频天线，用软件实现无线电系统的各种功能[1]。数字上变频器是软件无线电中发射机的核心部分，它的基本功能是增加基带信号采样率并将其上变频到载波频率上，经过发射天线发射出去。采用专用芯片实现数字上变频器集成度高，应用方便，但是缺少灵活性，在软件无线电中的应用受到限制，因此研究使用可编程的FPGA实现数字上变具有重要意义。
半导体技术的发展使得FPGA的性能越来越高，目前较高性能的FPGA内嵌了丰富乘累加单元和BlockRam单元，再凭借可编程特点和高速并行结构，FPGA在越来越多的情况下可取代DSP和ASIC而成为未来数字信号处理的理想选择。FPGA内置越来越多的成熟IP核，为研究和开发者提供了方便,缩短了开发周期。
本文研究了数字上变频原理，根据一组设计实例参数要求，利用Matlab仿真分析，提出了满足系统性能的高效插值滤波器的结构,即积分梳妆滤波器CIC(Cascade Integrator-Comb Filter)和补偿滤波器(CFIR)级联的结构。在FPGA中采用Altera提供的IP核实现稳定可靠的数字上变频。
1 数字上变频原理
数字上变频器的基本工作原理是将基带信号通过脉冲成形滤波器进行处理，以适应带限信道和消除码间干扰(ISI), 然后通过插值滤波器提高采样率，最后与正交载波进行数字混频。其原理框图如图1所示。

数字上变频器的核心部件是内插器和数字振荡器(NCO)。内插器通过在原始的采样间隔内增加新的采样点来提高信号的采样率，因此在频域内产生原始信号的镜像频谱，需要通过低通滤波器[2]。本设计采用积分梳妆滤波器(CIC)和补偿滤波器(CFIR)级联结构来实现内插和低通滤波。上变频采用数字振荡器(NCO)实现。
2 插值滤波器的设计
2.1积分梳妆滤波器CIC
积分梳妆滤波器CIC，又名Hogenauer filters, 具有结构简单、规整， 需要的存储小等特点。由于它不需要乘法器，加之滤波器的所有系数均为1， 而且利用积分环节减少了中间过程的存储量，因此常常应用在高速采样（高速采样使得乘法器个数太多）和插值比很大（插值比大使得FIR滤波器的阶数过高，需要保存的系数太多）情况下。
　积分梳妆滤波器CIC一般由Integrator 和 Comb两个基本模块组成。Integrator 模块的差分方程为：

积分梳妆滤波器CIC其本质上等同于N个具有矩形冲击响应的滤波器的级联。但是在实现上却减少了复杂度与资源消耗。CIC是一种在硬件实现上比较经济的滤波器结构。N越大，积分梳妆滤波器CIC幅频响应越好[3]。
2.2 CFIR滤波器
尽管积分梳妆滤波器在插值比较大的情况下很有效，但是其响应缺少平坦通带响应和快速下降的过度带。为了解决这个问题，需要在积分梳妆滤波器CIC前面级联一级补偿滤波器CFIR。CFIR 幅频响应函数：

　积分梳妆滤波器CIC经过补偿滤波器CFIR的补偿后，其幅频响应具有近乎水平的通带和快速下降的过渡带。
　积分梳妆滤波器CIC、补偿滤波器CFIR以及二者级联后的信号分别如图2、图3、图4所示。从图中可以看出CIC与CFIR级联后的幅频响应曲线通带平坦，过渡带陡峭，有很理想的幅频响应曲线。

3 数控振荡器NCO设计
　数控振荡器NCO(Numerically Controlled Oscillator) 是数字上变频器的重要部件，用于实现基带信号到中频信号的频谱搬移。数控振荡器具有频率分辨率高、频率变化快、相位可连续性变化及生成的正余弦正交特性好等特点，数字化的相位和幅度可以实现高精度的数字调制解调。本设计中NCO采用CORDIC算法，不占用RAM和DSP资源，只消耗逻辑资源。基于CORDIC迭代算法的数控振荡器仅用移位寄存器和加法器就可产生正余弦信号，不但省去了传统NCO庞大的存储器资源，而且具备数控振荡器频率分辨率高、频率变化速度快、相位可连续性变化和生成的正余弦正交特性好的优点[5]。本文设计的NCO 可编程，无杂散,动态范围可达100 dB。
4 硬件实现
本设计是在Altera QuatusII 8.0软件环境下实现的。在Altera FPGA EP2SGX90验证了数字上变频功能。由于数字上变频跟参数相关，不同的参数要求有不同的设计结构，因此本文以一组实际参数要求来介绍数字上变频如何在FPGA中实现。数字上变频参数要求如表1所示。

根据