基于FPGA的軟件無線電上下變頻技術的設計研究

劉興舉

摘要：近年來，科學技術的發展，促使無線電理論及相關技術均得到了十分廣泛的應用，且軟件無線電在多個領域均受到了關注。將軟件無線電應用在移動通信領域當中，是未來通信技術發展的主要趨勢。可編程邏輯器件的發展，使FPGA也得到了良好發展，并開始成為電子電路設計的新方向。

關鍵詞：FPGA；軟件無線電；數字上變頻；數字下變頻

軟件無線電技術最早應用在軍事通信中，由于軍用無線設備的發射單元、接受單元等存在現較大差異，具有裝備系列多、協同困難的特點，因此很難適應海陸空協同作戰的要求。此外，軟件無線電在民用無線系統中也得到了十分廣泛的應用，通信技術的不斷發展，加快了通信系統的換代速度，也有效提高了通信服務質量。軟件無線電通信系統組成部分之一是數字信號處理部分，因得到的數字信號速率比較高，運算量難以滿足實際要求，因此對數字上下變頻技術進行探討具有重要價值。

1上下變頻技術的理論技術及FPGA

1.1信號采樣理論

只有以數字技術作為基礎，才能確保軟件無線電通信技術得以實現。軟件無線電技術主要以DAC為載體，將數字部分、模擬部分連接為一體，但是DAC器件的質量、性能等，都會對軟件無線電的性能帶來很大影響。除此之外，因為軟件無線電工作頻帶比較寬，頻率比較頻繁的情況下，能夠進行多頻段采樣工作。采樣工作完成后，其獲得的離散序列要能夠準確回復最初的原始模擬信號。因此采樣過程中需要嚴格遵守相關規律，即采樣定理。采樣定理一般包括2類。（1）是低通采樣。其內容是一個連續信號m（t）在（O，f_s）頻帶限制范圍內，若實施等間隔采樣時，以不小于f_s=2f（H）的采樣頻率進行，則x（t）就能夠被已經獲得的采樣值完全確定。相反，若采樣率f_s低于2f（H）恢復信號，便容易出現失真現象。軟件無線電關于低通采樣方法的應用有嚴格要求，因此，低通采樣一般僅用在系統最高頻率比較低的情況下，如果采用相關技術將高頻轉化為低頻，就需要在天線和器件之間增設硬件設施，就完全違背了軟件無線設計的思想。（2）帶通采樣。軟件無線電要符合低通采樣的相關標準，模數轉換器的采樣頻率就應該高于被采樣信號最高頻率的2倍，目前已有的器件基本上無法滿足此要求，由于當前應用的通信信號大部分是帶寬在幾兆赫茲的帶通信號，因此，帶通信號在其相關原理的指導下，采樣速率也不一定非要是最高頻率的2倍，即使采樣速率比較低，也能夠準確反映帶通信號的具體情況。

1.2FPGA概述

現場可編程門列陣FPGA作為可編程邏輯器件，適用性很強，且具有較大靈活性。因為FPGA具有多種優勢資源，比如I/O引腳、觸發器，能夠在很大程度上實現芯片級功能。同時，由于科學技術的發展，生產工藝的進步，也增強了FPGA的兼容性，提高其應用效率。FPGA作為半定制電路，在價格因素影響下，慢慢替代了以往的全定制ASIC，能夠實現CPU的所有數字功能。一般情況下，FPGA應用了SRAM生產工藝，器件密度跨度比較大。FPGA的所有可編程資源都分布在芯片當中，能夠把I/O模塊、可編程邏輯功模塊等很好的連接在一起，繼而組成具有特殊功能的電路。此外，FPGA具有很多優點，比如數字處理能力強大、低耗能、算法定制理想化、適配接口理想化以及靈活的重配置能力。

2軟件無線電上下變頻設計與實現

2.1軟件無線電上變頻設計與實現

數字上變頻與下變頻是彼此互逆的過程，上變頻能夠對輸入數據進行調制，是軟件無線電發射機的重要組成部分，可以通過插值器增強基帶信號采樣率，并和載波混合。在上變頻設計中，選擇ADI公司生產的器件AD9826，AD9826是高性能混合信號前端處理器，在無線寬帶通信系統當中得到了十分廣泛的應用，其發送通道具有良好的性能指標，并且包含可編程增益放大器、內插濾波器、數字濾波器以及數字混頻器，此外，還配備了可監視接收信號強度指標，在很大程度上降低了系統結構對重構的要求，因此，AD9826適合應用在高性能、低成本以及低能耗的解決方案之中。在信號上變頻當中，利用FPGA的靈活性，可以將FPGA、AD9826兩者有機組合在一起，如圖l所示，不僅有效降低了FPGA的處理時鐘，還節省了資源，降低了能耗。

上變頻FPGA要實現，就需要根據相關設計要求編寫相應的VerilogHDL程序，并將其下載在FPGA中，從而對AD9826寄存器進行合理配置。處理中頻數字時，需要根據寄存器情況滿足設計需求，從而更加快速的實現數字上變頻，將FPGA、AD9826充分結合在一起并加以利用，不僅可以有效降低FPGA的處理時鐘，還能夠節省大量的FPGA資源，從而降低系統能耗。

一般來說，ROM越大（從而可表示的相位數越多，幅度值越精確），數控振蕩器的頻譜也就越純。但是ROM規模越大就意味著功率消耗大、速度低，成本也就提高了。一個最基本的壓縮技術就是利用正弦函數的對稱性，只存儲P/2的幅值信息，然后根據控制電路按要求尋址和決定極性。在這以后，還有許多方法來壓縮這1/4周期的波形信號。不同的方法其壓縮率、硬件實現代價和性能都是不盡相同的。這里我們只介紹最簡單的利用對稱性的壓縮方法。利用正弦函數的對稱性，可以只需要存儲1/4周期的正弦信號幅值。查找表容量的減少需要增加額外的邏輯電路來輸出整個周期的波形。k比特的相位信息只用k 2比特來進行ROM尋址，最高的2比特提取出來作為控制信息。第k-l位數據決定所在的相位是一、三象限還是二、四象限，0為一、三象限，1為二、四象限，當相位在二、四象限時對ROM尋址的地址需要進行變換。第k位（MsB）決定輸出的正弦幅值的極性，0為正，1為負。

2.2軟件無線電下變頻設計與實現

數字下變頻設計的主要目的是把中頻信號逐漸轉化為基帶信號，并使數據傳輸速率符合USB2.0的要求，從而把數據傳輸給計算機，便于計算機進行數據處理操作，使軟件無線電的功能得到強化。在此次數字下變頻設計方案當中，通過多次抽取混頻模塊處理后的高速數據，將輸入數據速率有效降低為低速數據。數字下變頻電路設計，如圖2所示。多級濾波下變頻模塊，如圖3所示。其中NC0能夠獲得數字本振信號，CIC是低通濾波器組的第一級，主要由聯積分梳狀濾波器組成；HB是低通濾波器組第二級，主要由半帶濾波器組成；FIR是沖激響應濾波器，和脈沖響應濾波器是互相匹配的。

數字信號處理技術的發展，使信號處理指標要求也逐漸提高，而信號處理工作量也逐漸增大，用不同采樣率進行處理或者轉化，可以有效節省存儲空間，因此，進行多速率信號處理對系統設計具有重要作用，多速率濾波器主要包括CIC、HB以及FIR等，其主要特征是抽取、插值以及低通濾波，由于CIC、HB的組織結構比較簡單，性能好，且可操作性強，因此得到了比較廣泛的應用。由于無線通信數據傳輸率逐漸在增加，而CIC濾波器則得到了十分廣泛的應用，因為此濾波器結構比較簡單，適合用在采樣率比較高的環境下。此外，由于CIC是基于零極點相消的FIR濾波器，能夠在插值系統、高速抽取中得到廣泛應用。HB模塊運算復雜度比較低，部分系數為0，并呈對稱性分布，因此其乘法運算次數、加法次數都比較低，能夠更好的實現數字信號處理。

3結語

綜上所述，通過了解軟件無線電上下變頻技術的相關理論，能夠更好的基于FPGA，設計并實現數字上下變頻算法，并有效解決軟件無線電變頻處理速度問題，從而使軟件無線電技術的發展方向得到擴展。數字上變頻采用FPGA結合AD9862的解決方案，順利完成了數字上變頻的設計與實現；數字下變頻以多級濾波形式完成了設計及實現。