一种基于FPGA的数字下变频方法

*收稿日期:2006-09-11

文章编号:1008-8652(2007)02-84-06一种基于FPGA 的数字下变频方法

涂维政 刘书明

(西安电子科技大学 西安 710071)

=摘要> 提出用FPGA 器件实现一个完整的数字下变频系统的方法,给出VerilogH DL 语言

的描述,实现高效的运算结构,减小了运算量,提高了系统性能。本系统已经在某型气象雷达的数字接收系统中得到采用,参数得到验证,性能优良。

关键词:FPGA ;VerilogH DL;欠采样技术;数字下变频;多抽样率系统

中图分类号:T N74211 文献标识码:A

A Method of Digital Down Converting Based on FPGA

T u Weizheng Liu Shuming

(X idian Univ ersity ,X i .an,710071)

Abstract :A method of using FPGA device to realize dig ital dow n converting system is presented,and the descr iptio n of Verilog H DL language is g iv en so that the hig h efficiency operational structure is fu-l filled,and the oper and is reduced and the system perform ance is enhanced.T his m ethod has been adopted in the digital receiving subsy stem of a certain m eteoro logical radar,and the specificatio ns are verified and the perfo rmance is perfect.

Keywords :FPGA;Verilog H DL;under sampling techno log y;digital dow n converter;multiple sam -pling rate system

随着数字技术的飞速进步和发展,FPGA 器件因其高速、可编程、模块化的特点而被大量采用。同时,诸如数字下变频等一系列新的数字信号处理方法的提出,为降低系统成本提供了可能,相关的多抽样率系统理论,更是大大的降低了数字系统的运算量,明显的提升了系统性能。

本文论述数字下变频技术的一种FPGA 实现方法,用比较低的系统成本,实现比较高的谱分辨率的数字接收系统,完成对气象信号的有效处理。实际的系统选用48M H z 时钟对60MH z 的雷达中频信号采样,然后经过FPGA 的数字下变频及其滤波处理,得到信号的包络和相位信息。

1 欠采样技术

为了降低对ADC 器件的要求,对于低通、带通信号,可以用带通信号的采样方法,在低于奈奎斯特采样率时进行数模转换:只要采样率不低于两倍信号带宽f h -f l ,时域的采样就不会导致信号频谱的混叠,如公式(1)所示:

2f h N +1[f S [2f l N

(1)其中,N 为自然数,且1[N [f l f h -f l

。84

原来的信号可由公式(2)得到:

f (t)=2BT s E f (nT s )@

sin [P B (t -nT s )][P B (t -nT s )]

@co s [2P f c (t -nT s )](2)其中,f c =12(f l +f h )为中心频率,B =f h -f l 为信号带宽,T s =1f s

为采样间隔。由此可见,可以用比信号最高频率2倍低很多的采样频率来进行欠采样。2 数字下变频技术

对AD 采样信号进行混频、低通和抽取,可得到和信号带宽匹配的基带采样信号。设中频采样信号为:

x (n)=cos [X 0nT s +U (NT s )]

该中频信号与两个正交的信号cos (X 0nT s )、sin (X 0nT s )混频:

cos [X 0nT s +U (nT s )]@cos (X 0nT s )=12co s [U (nT s )]+12

cos [2X 0nT s +U (nT s )]=12I (nT s )+12

cos [2X 0nT s +U (nT s )](3)cos [X 0nT s +U (nT s )]@sin (X 0nT s )=-12sin [U (nT s )]+12

sin [2X 0nT s +U (nT s )]=-12Q(nT s )+12

sin [2X 0nT s +U (nT s )](4)公式(3)、(4)的信号,经过低通滤波器滤除上变频部分,就分别得到I 、Q

两路信号。

图1 数字下变频器的原理图

数字下变频器(Digital Dow n Converter,DDC)的组

成包括数字混频器、正交信号产生部分和低通滤波器

(LPF)三部分,其原理如图1所示。

选择采样频率:f s =4f 02M -1

,其中,M 是满足f s \2B 的自然数。对本文所提及的某气象雷达系统,中频信号频

率为60MH z,采样频率为48M H z ,这时乘积因子变成如

公式(5)、公式(6)所示:

cos (nw 0/f s )=1,0,-1,0,1,0,-1,0,,,(5)sin (nw 0/f s )=0,1,0,-1,0,1,0,-1,,,(6)

这样,混频的数字运算过程,就转化成求负、求和运算,简化了乘积混频实现的难度。当前端的AD 输出为二进制补码格式时,求负操作,就等同于原来的二进制补码全部取反后加1。VerilogH DL 实现的部分代码如下:

alw ays @(posedge clock) //Co unt 采用Gray 编码,以便减少计数时的竞争风险;

begin

case (Co unt)

2'b 00: Count =2'b 01;

2'b 01:Count =2'b 11;

2'b 11:Count =2'b 10;

2'b 10:Count =2'b 00;

default:Count =2'b 00;

endcase

end

alw ay s @(posedge clock) //某型气象雷达的数字下变频正交混频算法;

begin

case (Co unt)85