基于System Generator數(shù)字中頻接收機的設計

馮 昭，吳盡昭

（電子科技大學 光電信息學院，四川 成都 610054）

1 引言

在傳統(tǒng)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設計中，需要先用Matlab等仿真軟件進行建模仿真，得到理想的方針結(jié)果后，再根據(jù)仿真過程，使用硬件描述語言（VHDL，Verilog HDL）[1]創(chuàng)建工程，最后完成硬件仿真。Xilinx公司提供的DSP設計開發(fā)工具System Generator和MathWorks Matlab的Simulink是無縫鏈接的。利用System Generator進行系統(tǒng)級建模的工程中可以包含多種元素，比如數(shù)據(jù)流、HDL模塊以及Xilinx模塊等，通過Simulink中調(diào)用System Generator Blockset中的模塊箱結(jié)合，將系統(tǒng)級設計和DSP算法開發(fā)相鏈接。通過軟件仿真后可以直接生成硬件代碼，下載到硬件環(huán)境中進行測試。這樣使得那些即使不熟悉FPGA的DSP系統(tǒng)設計工程師及算法工程師也能夠設計、仿真和驗證DSP系統(tǒng)。

2 基于System Generator的DSP系統(tǒng)開發(fā)流程

在Simulink的可視化環(huán)境中，根據(jù)系統(tǒng)設計功能將Xilinx模塊鏈接成所設計的系統(tǒng)，并定義合適的系統(tǒng)參數(shù)；而后運用System Generator將Simulink模型轉(zhuǎn)換成硬件可執(zhí)行模型，將系統(tǒng)定義的參數(shù)對應至硬件實現(xiàn)的實體以及輸入輸出端口，并會自動完成綜合、仿真與實現(xiàn)。整個開發(fā)流程分為Simulink系統(tǒng)建立、軟件仿真、System Generator模型轉(zhuǎn)換及硬件平臺調(diào)試4個步驟。

在Simulink可視化設計環(huán)境中，重要的是：在Simulink環(huán)境中實現(xiàn)定點算法，根據(jù)系統(tǒng)設計功能將Xilinx模塊連接成設計系統(tǒng)，并定義合適的系統(tǒng)參數(shù)；而后利用System Generator將Simulink模型轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的硬件模型，將系統(tǒng)定義的參數(shù)對應到硬件實現(xiàn)的模塊、輸入/輸出端口等屬性；最后將設計生成可對器件編程的比特流文件，將其下載到目標芯片中。因此，典型的開發(fā)流程如圖1所示，其中System Generator會自動為FPGA的綜合、HDL仿真以及實現(xiàn)生成命令文件[2]，用戶只需完成Simulink設計以及比較最終的RTL輸出結(jié)果。整個開發(fā)流程都是在可視化的環(huán)境中完成的。

圖1 基于System Generator的DSP系統(tǒng)卡發(fā)流程

3 基于System Generator數(shù)字中頻接收機的設計

數(shù)字中頻接收機系統(tǒng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字下變頻器（DDC）組成，如圖2所示。其中，ADC主要完成對模擬中頻信號進行采樣，得到數(shù)字化的中頻信號，DDC將感興趣的信號轉(zhuǎn)換至基帶，同時做采樣率變換及濾波處理，得到正交I，Q信號送后續(xù)的數(shù)字信號處理器進行基帶信號處理[3]。

圖2 數(shù)字中頻接收機系統(tǒng)

在本文涉及的數(shù)字中頻接收系統(tǒng)中，輸入信號的中心頻率為46MHz，采樣率為180 MHz，帶寬為20 MHz的信號，把中心頻率搬至0 MHz，然后抽取下變頻和濾波模塊實現(xiàn)6倍抽取，把采樣率變?yōu)?0 MHz的正交基帶信號。

3.1 數(shù)字下變頻器設計

DDC是整個中頻數(shù)字化接收機的核心，DDC克服了模擬下變頻中存在的混頻器的非線性和模擬本振的頻率穩(wěn)定度、邊帶、相位噪聲、溫度漂移、轉(zhuǎn)換速度等問題，其頻率步進、頻率間隔也具有理想的特性，因而得到了廣泛的應用。DDC由數(shù)控振蕩器（NCO）、混頻器、抽取器和低通濾波器（LPF）組成[4]，如圖3所示。

圖3 DDC結(jié)構(gòu)框圖

3.2 NCO及混頻器設計

數(shù)控振蕩器是決定數(shù)字中頻性能的主要因素之一。NCO的目標是產(chǎn)生頻率可變的正交正余弦樣本。在FPGA中，NCO一般采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）的方法來實現(xiàn)[5]。DDS技術與傳統(tǒng)的鎖相頻率合成器相比，有以下幾項優(yōu)點：1）DDS較于模擬VCO的相位噪聲減少許多；2）DDS只需通過改變頻率字就可以提供精確的信道間隔；3）DDS提供了幾塊的信道轉(zhuǎn)換速度，不必像VCO那樣通過負反饋來穩(wěn)定頻率。4）DDS可以在數(shù)字域?qū)敵鲂盘栠M行各種調(diào)制，只需把相關的數(shù)據(jù)寫在ROM中即可[6]。System Generator Blockset中有高性能的DDS可以直接調(diào)用。本設計調(diào)用的是DDS v5.0，其自身時鐘頻率設置為180MHz，動態(tài)范圍36 dB，輸出的正交正余弦信號的頻率為46MHz。基于System Generator的NCO及混頻器設計模型如圖4所示。

圖4 NCO及混頻器設計

3.3 抽取器及低通濾波器的設計

抽取器（Decimator）完成信號采樣率的降低和濾波功能。在多級濾波器級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，通常第一級以較高的比率進行抽取，而后面的濾波器采用低抽取率并完成整形，總的抽樣率為各級抽取率之積。高抽取率的抽取濾波器可以選用積分梳狀濾波器（CIC）。這種濾波器在抽取率大于10的情況下是最有效的，但是它同時引入了有用信號的通帶頻譜的衰減。解決辦法是在CIC濾波器之后級聯(lián)一級或兩級濾波器來進行補償，然后再進行整形。當前最常采用的是半帶抽取低通濾波器[7]。CIC在實現(xiàn)濾波時無需乘法運算，只需要延遲期和累加器，對于一個窄帶信號，在多級抽取結(jié)構(gòu)中把速率最高的第一級用CIC實現(xiàn)，可以極大的降低運算量。CIC濾波器很適合作抽取器前的抗混疊濾波器，通過CIC濾波并抽取后把高的數(shù)據(jù)率降到較低的數(shù)據(jù)率，易于后繼的半帶濾波器（HB）抽取和FIR濾波[8]。HB計算效率高，實時性強，因此把HB濾波器放在第二級。最后一級使用FIR濾波器實現(xiàn)低通濾波器，濾掉帶外的雜波。

如果需要進行高倍的采樣率變換，那么CIC將是非常合適的，無論是在實現(xiàn)性能或是資源節(jié)省方面，CIC都將優(yōu)于FIR[9]。在本設計中，中頻信號的采樣率是180MSa/s（兆采樣/秒），基帶信號的采樣率是30 MSa/s，只需要6倍的采樣率變化，而且?guī)挒?0 MHz，不是窄帶信號，因此使用FIR作為第一級的抽取濾波器。抽取器及低通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 抽取器及低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

基于System Generator的FIR濾波模塊主要采用IP核設計，而對于基于IP核設計的FIR濾波器來說，一般可以直接采用FIR Compiler產(chǎn)生系數(shù)，也可以由Matlab產(chǎn)生的系數(shù)文件再裝載到IP核中。后一種方法的優(yōu)點在于可選的濾波器設計方法更對，且可以先對設定系數(shù)的濾波器進行仿真，初步檢驗一下其濾波效果，這樣可以大大減少系統(tǒng)設計的時間[10]。在設計濾波器時，首先根據(jù)各級濾波器的濾波特性，使用Matlab的濾波器設計工具FDAtool（Filter Design&Analysis tool）計算出抽取系數(shù)并進行量化，然后調(diào)用Xilinx的IP核FIR Compiler v4.0，對各項參數(shù)進行設置并導入量化后的系數(shù)，就可以得到理想的FIR濾波器。圖6所示為基于System Generator的數(shù)字中頻接收機原理圖。

圖6 基于System Generator的數(shù)字中頻接收機原理圖

3.4 仿真結(jié)果及分析

仿真采用單音信號作為輸入信號，分別使用頻率為48 MHz，55 MHz，位寬為 11 bit，采樣率為 180 MSa/s 的信號輸入，輸入信號的頻譜如圖7，圖8所示。經(jīng)過下變頻，抽取及低通濾波后的采樣率為30 MSa/s的基帶信號頻譜分別如圖9、圖10所示。

圖7 11 bit位寬48 MHz單音信號頻譜

圖8 11 bit位寬55 MHz單音信號頻譜

圖9 48 MHz單音信號輸入的輸出信號頻譜

圖10 55 MHz單音信號輸入的輸出信號頻譜

由圖7～10可以看出，輸入48 MHz的中頻單音信號與55 MHz的單音信號經(jīng)過DDC處理后的信號頻率分別為2 MHz與9 MHz，信號頻譜下移了46 MHz。而采樣率由180 MSa/s變至30 MSa/s，說明本接收機系統(tǒng)成功實現(xiàn)的20 MHz帶寬信號的46 MHz下變頻及6倍抽取的采樣率變換。

4 小結(jié)

通過對基于System Generator的數(shù)字中頻接收機的設計，詳細說明了如何利用System Generator在Matlab下設計數(shù)字信號處理系統(tǒng)。使用System Generator進行設計，可以實現(xiàn)在Matlab上的可視化設計方法，各種常用的DSP處理模塊如FIR，DDS等都可以直接調(diào)用，在保證了性能的情況下，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。使用本方法可以快速構(gòu)建DSP系統(tǒng)，并在不具備外部硬件測試平臺的情況下，使用JTAG口讀取數(shù)據(jù)進行分析，進行軟硬件聯(lián)合仿真，相對于傳統(tǒng)的開發(fā)方式來說，具有很大的優(yōu)勢。

[1]陳美燕，王丹.基于Verilog HDL的信號處理板卡中雙向端口的設計[J].電視技術，2008，32（S1）：62-64.

[2]Xilinx.System Generator for DSPReference Guide[EB/OL].[2010-01-01].http://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx11/sysgen_ref.pdf.

[3]陳寶龍.基于FPGA的數(shù)字中頻接收機的研究[D].江蘇：南京理工大學，2008.

[4]王水，吳繼華.用FPGA實現(xiàn)數(shù)字中頻[J].電子設計技術，2007，14（9）：169-170.

[5]何勤，束永江.一種通用中頻數(shù)字化接收機的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2009（11）：94-95.

[6]趙國棟，郭德淳.基于FPGA的數(shù)字中頻接收系統(tǒng)[J].軍民兩用技術與產(chǎn)品，2006（1）：43-47.

[7]CARDELLS T F，VALLS C A.Optimized FPGA-implementation of quadrature DDS[C]//Proc.IEEE International Symposium on Circuits and Systems.[S.l.]：IEEE Press，2002：369-372.

[8]肖乾友，黃曉革，駱志敏.一種數(shù)字中頻接收機的設計與實現(xiàn)[J].電訊技術，2006（4）：123-127.

[9]崔文.基于FPGA的數(shù)字上下變頻器的研究與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學，2006.

[10]李振軍，曾凌云，鄭善賢.基于FPGA的中頻數(shù)字接收機設計與實現(xiàn)[J].計算技術與自動化，2009，28（2）：50-53.