基于FPGA的DDC(数字下变频)设计与实现
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第四章数字下变频器设计验证和逻辑综合。阐述整个设计过程所用到的验证方法，分模块给出了RTL级设计仿真结果，并分析验证功能的正确性。接着对比并分析了整体的Matlab仿真结果和Modelsim的仿真结果。最后介绍了芯片逻辑综合的流程、优化方法以及综合策略，利用Design Compiler完成芯片的逻辑综合，并给出综合报告。
1.3
在硬件设计方面，整个设计采用自顶向下的模块化设计思想，首先确定整体的设计方案，然后对构成系统级DDC各个模块的实现方案进行了理论研究并使用部分IP核进行设计和仿真，最后对数字下变频器的整体进行仿真和分析；在软件仿真方面，使用MATLAB仿真数据的频谱来验证设计系统的正确性。具体结构安排如下：
第一章绪论首先介绍了本课题的研究背景和意义，包括软件无线电的基本理论、数字上下变频技术的发展概况。概述了本文的研究内容以及各章节的内容安排。
基于FPGA实现的DDC，能充分体现软件无线电系统高的灵活性和宽的适应性，本文所设计的数字下变频系统有一定的通用性。
关键字：软件无线电，数字下变频，FIR滤波器， FPGA
ABSTRACT
Digital Down Convert(DDC) converts digitized IF data into filtered based and data which call be processed by a standard DSP microprocessor．DDC is a core part of a Software Radio system．
第五章结束语。对全文作总结和展望，并给出了不足以及今后的工作方向。
第二章
目前，数字化雷达技术正由视频阶段向中频阶段迈进，在中频阶段实现雷达信号处理数字化[]已经逐渐成为一种发展趋势。实现数字下变频这一技术与数字信号处理的理论与算法息息相关，数字信号处理技术成为设计数字变频器的关键。本章主要对数字下变频的设计理论进行讨论和分析，以便为后续的设计做准备。
图2.1数字下变频结构图
2.1.2
以前基本上采用模拟电路来实现变频器，但这种方法会受各种硬件误差的影响，包括混频器失配、本振信号不是准确90o正交、增益失配、直流漂移或I/Q两支路信号的频率响应不匹配。与模拟变频器相比，数字变频器可提供几种得益。数字变频器避免了这些问题，频率步进、频率间隔等也具有比较理想的性能，在控制和配置更新方面也是模拟变频器无法比拟的，但是它对ADC采样时钟的相位噪声、ADC的非线性和数学舍入噪声敏感，运算速度会受到硬件电路处理能力的限制，并且对ADC的最高采样速率也有了限制。为了实现最大性能需要注意以下几个因素的影响[]：
微系统设计、测试与控制
课程大作业之
基于FPGA的DDC（数字下变频）的设计与仿真
摘
数字下变频(Digital Down Convert—DDC)是将中频信号下变频至零频，且使信号速率降至适宜通用DSP器件处理速率的技术。实现这种功能的数字下变频器是软件无线电的核心部分。
本文首先对软件无线电数字下变频的国内外现状进行了分析，然后对于FPGA实现数字下变频设计的优势作了阐述。基于本论文在FPGA中实现的结构，结合软件无线电理论基础讨论了DDC的工作原理，给出数字下变频器的常用结构，然后设定整体系统方案，并按功能完成模块划分和接口定义，主要分为混频器、FIR低通滤波器及抽取。通过使用Verilog和调用部分IP核相结合的方法完成多通道DDC各个模块的设计与仿真调试，通过Matlab对各模块进行验证，结果表明设计的思想和结构是正确的。
1.2 DDC
软件无线电起源于军事需求，最早的研究和发展也是在军用无线电台中。然而随着软件无线电概念的不断发展和完善，它不仅在军事应用方面受到重视，民用需求如移动通信领域也开始加大对软件无线电技术的研究，已经逐渐成为未来无线电通信发展的方向。1992年5月，在美国电信系统会议(IEEE National Telesystems Conference)上，Joe Mitola首次明确提出了软件无线电的概念[]，核心思想是搭建具有标准化和模块化特点的一个通用硬件平台，在系统结构相对通用和稳定的前提下，利用软件实现各种功能，使得不同系统之间能够兼容和互联，从而摆脱基于硬件系统结构设计的束缚。
由于技术的变化和应用的扩展，目前很难给软件无线电一个严格而全面的定义。但是根据大多同行专家的理解，可以这样定义：软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。关键思想是：将宽带A/D、D/A尽可能靠近天线，用软件实现尽可能多得无线电功能。现阶段，受各种关键器件特别是A/D、D/A采样速率、工作带宽以及通用DSP器件处理速度的限制，用可编程器件和高速数字信号处理器来代替模拟射频电路是很难实现的，数字中频正成为一种经济、适用的选择[]。
现代雷达处理的数据吞吐量基本在每秒几兆到几十兆复数字，使得雷达信号处理必须具有很高的数据处理能力以及运算速度，实时处理要求很高。如果在中频阶段能够直接对数据进行处理，在保留有用信息的基础上减少信号采样点数，可以有效的降低后续数据处理的压力；同时若能在发射时利用数字的方式提高信号采样频率，减少由于模拟器件带来的不利影响，可以提高系统可靠性和灵活性。基于此提出了本课题——数字变频器的设计。
在早期的雷达收发系统中，都是采用模拟器件来实现各个功能模块，设计过程中经常会出现温度漂移、增益变化等问题。相对于模拟电路来说，数字电路具有可自检、可编程等优点，上面所述的系统很多部分都已经逐步数字化。在数字化进程中，数字信号处理技术的应用也受到了雷达系统研究工作者的重视，成为相关积累(如FFT、数字滤波、脉冲压缩等)、非相关积累(视频积累)、目标检测以及图像处理等功能的技术保证。随着数字信号处理理论的不断成熟和完善，微电子技术的飞速发展，雷达技术和其它的电子信息化技术的发展，尤其是软件无线电技术的兴起，更加方便了雷达数字化系统的实现。在这样的发展趋势下，除了微波发射和射频部分，整个雷达系统将全部由数字电路实现，在数字信号处理的优势能得到全面的发挥的同时，还使具有体制标准化、系统数字化，功能模块化，低功耗，高度开放性以及灵活性等性能，这将成为了现代雷达系统的关键技术和发展趋势[]。在现今的高科技发展的时代，人们纷纷打起的信息战和电子战，雷达系统在其中扮演的角色尤为重要。为了能更好的适应现代战争的需求，对现今的雷达系统也提出抗干扰、反隐形，具有高分辨力以及强大的自我生存等能力，高要求的提出，使得雷达信号处理技术的研究也得到了快速的进步。目前雷达信号处理正在由视频处理阶段向中频处理阶段迈进，目的就是实现雷达中频以下的处理全部数字化，采用数字中频技术结合以DSP为基础的软件无线电技术正成为现代雷达领域的一个研究热点。
第二章数字变频器的基本理论。本章首先阐述了数字上下变频技术的原理以及影响其性能的主要因素，其次讨论了信号采样理论、数字正交检波技术、多抽样率数字信号处理理论以及数字滤波算法等数字变频的基本理论知识，为数字上下变频技术的设计和实现做理论上的准备。
第三章数字下变频器各模块设计。这一章主要介绍了数字下变频的整体设计方案及各个功能模块的具体实现方案，包括数控振荡器、混频器、滤波器以及抽取等各模块设计方案的制定。
数字下变频是软件无线电核心技术之一，数据运算量最大，也是最难完成的部分。目前，实现方案主要有三种。第一种方案是使用DSP数字信号处理芯片，该方案的优点是灵活性高、适应性强，但会受到处理速度等因素的制约，适合于数据速率比较低的各种处理。第二种方案是使用FPGA来实现，可以采用并行或者串行的工作方式，在处理速度上优于DSP芯片，灵活性上优于ASIC设计，但消耗的硬件资源比较多。第三种方案是利用ASIC来完成数字下变频的功能，该方案具有计算速度快，单片成本低等优点[]。现在市场上成熟的数字下变频芯片则有Intersil公司的HSP50016，ADI公司的AD6640[]等，它们的功能已经不仅仅是简单的“数字下变频”。
2.1
2.1.1
数字下变频器(DDC)的主要作用是将输入的雷达回波中频数字信号下变频到数字零中频，从中提取所需要的窄带信号，并降低数据的采样速率。图2.1为基本的数字下变频结构图。模拟中频信号通过ADC采样得到宽带数字中频信号，输入先与数控振荡器产生的两路正交本振信号相乘，生成I/Q两路包含谐波的调制信号，为了得到低速的基带信号，需要进行抽取滤波。
数字下变频的处理方式是将雷达回波中频信号下变频至零中频，并降低数据采样速率。数字上下变频器在这里起到了连接基带DSP与ADC/DAC后端器件的作用，它们的目的是把信号的频谱搬移到更高或更低的频率上，改变数据速率，这样能在很大程度上降低对ADC/DAC转换器以及DSP器件性能的要求，便于实现和降低成本。数字下变频不仅在军、民无线通信中百度文库得了应用，而且在其他领域例如电子战，雷达[]，信息化家电等领域也得到推广。
In this paper, the DDC’S current technology at home and abroad was analyzed, and then the advantages of using FPGA to complete the design of DDC were described．This paper is based on the structure implemented in FPGA, combined with the software radio theoretical to discuss the DDC’s works, and then gives the structure of common digital down converter, and then set the whole system solutions, and then complete the module division and functional interface definition,mainly divided intomixer, FIR low-pass filter and decimation. By using Verilog and part of IP core to complete the design and simulation of multi-channel DDC commissioning of each module, validated by MATLAB for each module, the results indicate that the design and structure of thinking is correct.
The DDC based on the FPGA can show adequately the great flexible and broad adaptability of software radio．The DDC system in this paper has definite generality．
Keywords: Digital down converter,Directdigital synthesis,FIR filter, FPGA
第
1.1
雷达(Radar)是用无线电方法发现目标并测定它们的空间位置、速度等信息的一项非常实用的技术。最初，雷达是为了满足对空监视和武器控制的军事需求而研制的，军事应用使得雷达技术的开发得到各国大量的财政支持。随着科技人员更深入的研究，雷达开始在许多重要的民用场合，如飞机、轮船、宇宙飞船的安全飞行，环境遥感，特别是气象遥感等方面也获得了广泛的应用[]。
(1)数控本地振荡器所产生的正交本振信号的频谱纯度；
(2)数字混频器的运算精度；
(3)滤波器系数二进制表示的精度以及各种滤波器的运算精度；
(4)滤波器的阶数；
(5)数字变频器的系统处理速度。
1.3
在硬件设计方面，整个设计采用自顶向下的模块化设计思想，首先确定整体的设计方案，然后对构成系统级DDC各个模块的实现方案进行了理论研究并使用部分IP核进行设计和仿真，最后对数字下变频器的整体进行仿真和分析；在软件仿真方面，使用MATLAB仿真数据的频谱来验证设计系统的正确性。具体结构安排如下：
第一章绪论首先介绍了本课题的研究背景和意义，包括软件无线电的基本理论、数字上下变频技术的发展概况。概述了本文的研究内容以及各章节的内容安排。
基于FPGA实现的DDC，能充分体现软件无线电系统高的灵活性和宽的适应性，本文所设计的数字下变频系统有一定的通用性。
关键字：软件无线电，数字下变频，FIR滤波器， FPGA
ABSTRACT
Digital Down Convert(DDC) converts digitized IF data into filtered based and data which call be processed by a standard DSP microprocessor．DDC is a core part of a Software Radio system．
第五章结束语。对全文作总结和展望，并给出了不足以及今后的工作方向。
第二章
目前，数字化雷达技术正由视频阶段向中频阶段迈进，在中频阶段实现雷达信号处理数字化[]已经逐渐成为一种发展趋势。实现数字下变频这一技术与数字信号处理的理论与算法息息相关，数字信号处理技术成为设计数字变频器的关键。本章主要对数字下变频的设计理论进行讨论和分析，以便为后续的设计做准备。
图2.1数字下变频结构图
2.1.2
以前基本上采用模拟电路来实现变频器，但这种方法会受各种硬件误差的影响，包括混频器失配、本振信号不是准确90o正交、增益失配、直流漂移或I/Q两支路信号的频率响应不匹配。与模拟变频器相比，数字变频器可提供几种得益。数字变频器避免了这些问题，频率步进、频率间隔等也具有比较理想的性能，在控制和配置更新方面也是模拟变频器无法比拟的，但是它对ADC采样时钟的相位噪声、ADC的非线性和数学舍入噪声敏感，运算速度会受到硬件电路处理能力的限制，并且对ADC的最高采样速率也有了限制。为了实现最大性能需要注意以下几个因素的影响[]：
微系统设计、测试与控制
课程大作业之
基于FPGA的DDC（数字下变频）的设计与仿真
摘
数字下变频(Digital Down Convert—DDC)是将中频信号下变频至零频，且使信号速率降至适宜通用DSP器件处理速率的技术。实现这种功能的数字下变频器是软件无线电的核心部分。
本文首先对软件无线电数字下变频的国内外现状进行了分析，然后对于FPGA实现数字下变频设计的优势作了阐述。基于本论文在FPGA中实现的结构，结合软件无线电理论基础讨论了DDC的工作原理，给出数字下变频器的常用结构，然后设定整体系统方案，并按功能完成模块划分和接口定义，主要分为混频器、FIR低通滤波器及抽取。通过使用Verilog和调用部分IP核相结合的方法完成多通道DDC各个模块的设计与仿真调试，通过Matlab对各模块进行验证，结果表明设计的思想和结构是正确的。
1.2 DDC
软件无线电起源于军事需求，最早的研究和发展也是在军用无线电台中。然而随着软件无线电概念的不断发展和完善，它不仅在军事应用方面受到重视，民用需求如移动通信领域也开始加大对软件无线电技术的研究，已经逐渐成为未来无线电通信发展的方向。1992年5月，在美国电信系统会议(IEEE National Telesystems Conference)上，Joe Mitola首次明确提出了软件无线电的概念[]，核心思想是搭建具有标准化和模块化特点的一个通用硬件平台，在系统结构相对通用和稳定的前提下，利用软件实现各种功能，使得不同系统之间能够兼容和互联，从而摆脱基于硬件系统结构设计的束缚。
由于技术的变化和应用的扩展，目前很难给软件无线电一个严格而全面的定义。但是根据大多同行专家的理解，可以这样定义：软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。关键思想是：将宽带A/D、D/A尽可能靠近天线，用软件实现尽可能多得无线电功能。现阶段，受各种关键器件特别是A/D、D/A采样速率、工作带宽以及通用DSP器件处理速度的限制，用可编程器件和高速数字信号处理器来代替模拟射频电路是很难实现的，数字中频正成为一种经济、适用的选择[]。
现代雷达处理的数据吞吐量基本在每秒几兆到几十兆复数字，使得雷达信号处理必须具有很高的数据处理能力以及运算速度，实时处理要求很高。如果在中频阶段能够直接对数据进行处理，在保留有用信息的基础上减少信号采样点数，可以有效的降低后续数据处理的压力；同时若能在发射时利用数字的方式提高信号采样频率，减少由于模拟器件带来的不利影响，可以提高系统可靠性和灵活性。基于此提出了本课题——数字变频器的设计。
在早期的雷达收发系统中，都是采用模拟器件来实现各个功能模块，设计过程中经常会出现温度漂移、增益变化等问题。相对于模拟电路来说，数字电路具有可自检、可编程等优点，上面所述的系统很多部分都已经逐步数字化。在数字化进程中，数字信号处理技术的应用也受到了雷达系统研究工作者的重视，成为相关积累(如FFT、数字滤波、脉冲压缩等)、非相关积累(视频积累)、目标检测以及图像处理等功能的技术保证。随着数字信号处理理论的不断成熟和完善，微电子技术的飞速发展，雷达技术和其它的电子信息化技术的发展，尤其是软件无线电技术的兴起，更加方便了雷达数字化系统的实现。在这样的发展趋势下，除了微波发射和射频部分，整个雷达系统将全部由数字电路实现，在数字信号处理的优势能得到全面的发挥的同时，还使具有体制标准化、系统数字化，功能模块化，低功耗，高度开放性以及灵活性等性能，这将成为了现代雷达系统的关键技术和发展趋势[]。在现今的高科技发展的时代，人们纷纷打起的信息战和电子战，雷达系统在其中扮演的角色尤为重要。为了能更好的适应现代战争的需求，对现今的雷达系统也提出抗干扰、反隐形，具有高分辨力以及强大的自我生存等能力，高要求的提出，使得雷达信号处理技术的研究也得到了快速的进步。目前雷达信号处理正在由视频处理阶段向中频处理阶段迈进，目的就是实现雷达中频以下的处理全部数字化，采用数字中频技术结合以DSP为基础的软件无线电技术正成为现代雷达领域的一个研究热点。
第二章数字变频器的基本理论。本章首先阐述了数字上下变频技术的原理以及影响其性能的主要因素，其次讨论了信号采样理论、数字正交检波技术、多抽样率数字信号处理理论以及数字滤波算法等数字变频的基本理论知识，为数字上下变频技术的设计和实现做理论上的准备。
第三章数字下变频器各模块设计。这一章主要介绍了数字下变频的整体设计方案及各个功能模块的具体实现方案，包括数控振荡器、混频器、滤波器以及抽取等各模块设计方案的制定。
数字下变频是软件无线电核心技术之一，数据运算量最大，也是最难完成的部分。目前，实现方案主要有三种。第一种方案是使用DSP数字信号处理芯片，该方案的优点是灵活性高、适应性强，但会受到处理速度等因素的制约，适合于数据速率比较低的各种处理。第二种方案是使用FPGA来实现，可以采用并行或者串行的工作方式，在处理速度上优于DSP芯片，灵活性上优于ASIC设计，但消耗的硬件资源比较多。第三种方案是利用ASIC来完成数字下变频的功能，该方案具有计算速度快，单片成本低等优点[]。现在市场上成熟的数字下变频芯片则有Intersil公司的HSP50016，ADI公司的AD6640[]等，它们的功能已经不仅仅是简单的“数字下变频”。
2.1
2.1.1
数字下变频器(DDC)的主要作用是将输入的雷达回波中频数字信号下变频到数字零中频，从中提取所需要的窄带信号，并降低数据的采样速率。图2.1为基本的数字下变频结构图。模拟中频信号通过ADC采样得到宽带数字中频信号，输入先与数控振荡器产生的两路正交本振信号相乘，生成I/Q两路包含谐波的调制信号，为了得到低速的基带信号，需要进行抽取滤波。
数字下变频的处理方式是将雷达回波中频信号下变频至零中频，并降低数据采样速率。数字上下变频器在这里起到了连接基带DSP与ADC/DAC后端器件的作用，它们的目的是把信号的频谱搬移到更高或更低的频率上，改变数据速率，这样能在很大程度上降低对ADC/DAC转换器以及DSP器件性能的要求，便于实现和降低成本。数字下变频不仅在军、民无线通信中百度文库得了应用，而且在其他领域例如电子战，雷达[]，信息化家电等领域也得到推广。
In this paper, the DDC’S current technology at home and abroad was analyzed, and then the advantages of using FPGA to complete the design of DDC were described．This paper is based on the structure implemented in FPGA, combined with the software radio theoretical to discuss the DDC’s works, and then gives the structure of common digital down converter, and then set the whole system solutions, and then complete the module division and functional interface definition,mainly divided intomixer, FIR low-pass filter and decimation. By using Verilog and part of IP core to complete the design and simulation of multi-channel DDC commissioning of each module, validated by MATLAB for each module, the results indicate that the design and structure of thinking is correct.
The DDC based on the FPGA can show adequately the great flexible and broad adaptability of software radio．The DDC system in this paper has definite generality．
Keywords: Digital down converter,Directdigital synthesis,FIR filter, FPGA
第
1.1
雷达(Radar)是用无线电方法发现目标并测定它们的空间位置、速度等信息的一项非常实用的技术。最初，雷达是为了满足对空监视和武器控制的军事需求而研制的，军事应用使得雷达技术的开发得到各国大量的财政支持。随着科技人员更深入的研究，雷达开始在许多重要的民用场合，如飞机、轮船、宇宙飞船的安全飞行，环境遥感，特别是气象遥感等方面也获得了广泛的应用[]。
(1)数控本地振荡器所产生的正交本振信号的频谱纯度；
(2)数字混频器的运算精度；
(3)滤波器系数二进制表示的精度以及各种滤波器的运算精度；
(4)滤波器的阶数；
(5)数字变频器的系统处理速度。