高速DDC系统的实现架构与仿真

高速DDC系统的实现架构与仿真摘要基于EE”设计了一高速数字下变频系统，在设计中利用并行NCO和多相滤波相结合的方法有效的降低了数据的速率，以适合数字信号处理器件的工作频率为了进一步提高系统的整体运行速度，在设计中大量的使用了FPGA中的硬核资源暨48Xilinx ISE

14.4分析报告显示，电路工作速度可达360MHzo最后给出了在Matlab和ModelSim中仿真的结果,验证了各个模块以及整个系统的正确性数字下变频Digital DownConversion,DDC是软件无线电系统的关键模块之一，其可将高频数据流信号变成易于后端数字信号处理器Digital SignalProcessor,DSP设备实时处理的低频数据流信号在数字下变频实现中，随着信号采样率的不断提高，数据率也会相应的提高，但是实际应用中随着数据速率的不断提高，数据处理器件如FPGA的处理速度会无法满足要求而不能正常工作，从而带来了数字信号处理的瓶颈问题本设计就是以多路并行NC0技术为基础，研究了如何在FPGA中用多路并行采样数据的方式来解决数据处理器件无法提供高速率的匹配信号的问题，并给出了高速DDC实现的架构和仿真结果数字下变频基本原理1数字下变频主要由频谱搬移和抽取两部分组成，如图1所示，其中频谱搬移包含数控振荡器Numerically ControlledOscillators,NCO＞乘法器和低通滤波器LPF,Low PassFil拄r;抽取包含抽取滤波器LPF2和D倍的抽取，LPF2是为了限制信号的频谱，以免抽取后发生混叠Fig.1DDC structure模拟信号经过A/D转换后分成两路信号，一路信号和NCO输出的正弦信号相乘同相分量，一路和NCO输出的余弦信号相乘正交分量，之后经过低通滤波器LPF1将高频分量滤除，然后信号经过抽取滤波以降低速率，最终输出的两路信号就可以送往后续的数字信号处理器中做进一步的处理高速系统设计2DDC文中设计了一种基于并行NCO的高速DDC,可大大降低对FPGA处理速度的要求，其实现如图2所示，该系统主要由换向器、并行NCO、乘法器模块和两个多相FIR滤波器组成换向器右侧的所有电路都是工作在Fs/4的时钟频率上，换向器将速率为Fs,16bit的数据变成4路Fs/4,16bit的数据对于输入速率要求较高的场合例如，速率超过500M,对于输入接口需要用到Xilinx的硬件原语IDDRO图结构框图2DDC并行NCO频率控制字人Fig.2DDC blockdiagram换向器将一路高速率数据分成四路低速率数据输出，并行NC0的输出频率和起始相位受FL控制，分别输出8路正余弦数据，乘法器模块实现NC0输出数据和四路低速率数据的相乘，输出四路正交分量和四路同相分量，之后将这8路数据送入低通滤波器中进行滤波处理，最后将同相分量和正交分量分别输出多相FIR并行设计

2.1NC0滤波雷NC0是用来产生载波cos oct和sin set的部件x假设NCO的多相分解路数为D,我们可以将xn写为如下形式:多相FIR滤波器xn+…旬-〃=x0+%71]+x1+x D+1+…+[0-1/+11H-〃〃tr1+x2/Al+…+M0-1+-“1其中，一共有〃行,〃列,为的总个数.0=A7N xn令/.表示多相分解的各个支路的编号,工〃的笫/,•个支路用来表示，即〃・＞厂二x[=2xmD+k,A=0,1,2,i CkfnxOo W,8柑白油“―由式1和式2可以看出，经过多相分解之后，数据由原来一路xn变为了D个支路，假设xn的采样率为fs,那么多相分解后，每个支路的采样率为fs/D,即每一条支路上数据速率变为fs/D,相比原来一路xn的情况，数据到来的速率慢了D倍图1中，一路xn的采样率为，fs,那么NCO的输出载波相位的速率也必须是fs假设NCO输出给上面支路的余弦信号为xLCn,NCO输出给下面支路的正弦信号为xLSn,假设xLCn和xLSn的初始相位都为0,其频率都为fL,我们以xLCn为例来说明未采样之前的模拟信号为4工〃〃；〃；言〃7/7=c s2经过采样.变成数字信号后.用代替上式中的£,得到A DC//r,其中，；二《,通常将小〃作.*〃，即71ry j；•沙立Xuc{ii=cosJr—2—3f9I吊-W”对手多相分解之后的第条支路，用小代替式中A+43的〃，得到//x m=cos2mD-k-k%jA ITHlA=cos27T/n由式⑷可以看出，多相分解之后，虽然每个支路的采样率，即数据到来的速率变慢了D倍，但是每个支路NCO输出的频率仍然是fl我们还需要进一步降低NCO的输出本振信号频率，因为通常情况下，利用NCO产生本振信号需要使用一个主时钟fclk,这个主时钟fclk必须是FPGA可以稳定运行的时钟，其频率不可能太高，而且，实际应用中，NCO输出的本振信号的频率不能超过主时钟fclk因此无法直接产生所需要的输出频率，但是，我们可以利用三角函数的转换关系，间接的产生本文所设计的NCO采用如图3所示的结构相位I偏隼AC0输出n相位巾巾LC1/频率LS1控制字I循环A累加相位|偏移】心/巾LC ILSD-rA查找表输出*一NCOg图

3、实现结构

9.Eig.

3、Implementation struci〃。