文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)07-0027-04
變帶寬數字下變頻器（VB-DDC）可以對多種帶寬的輸入信號進行處理，因此在雷達、通信、電子偵察等領域有廣泛應用。商用數字下變頻器，如Intersil公司單通道DDC HSP50214B，雖然可以實現處理帶寬可變，但是其最高輸入數據采樣率只有65 MHz[1]，而且由于其采用多級級聯積分梳狀濾波器(CIC)的傳統下變頻結構，處理帶寬不超過1 MHz，不適合作為寬帶數字接收機的數字下變頻器。基于多相濾波結構的寬帶DDC可以處理寬帶信號，但是處理帶寬一般固定，而且當需要處理信號的帶寬很窄時，因為抽取因子變大，所需乘法器數目增多，因乘法器的工作頻率降低，所以其資源利用率很低。
本文基于Altera公司的Stratix II EP2S60F672C4設計的VB-DDC，結合傳統數字下變頻結構與多相濾波結構的優點，實現了對輸入中頻信號的高效高速處理，同時可以在較大范圍內對信號處理帶寬進行靈活配置。當A/D輸出中頻信號采樣率為100 MS/s時，本文設計的這種VB-DDC信號處理帶寬可在40 MHz~8 kHz的范圍內靈活配置，輸出基帶信號數據率可在50 MS/s~112 kS/s的范圍內變化。
1 系統結構
本文設計的VB-DDC用于如圖1所示的寬帶數字接收機中頻處理系統中，該系統硬件主要由1片FPGA(Altera公司Stratix II 系列的EP2S60F672C4)、AD公司的寬帶A/D轉換器AD6645(14 Bit，最高采樣率達105 MS/s)[2]，以及TI公司的達芬奇系列數字信號處理器TMS320DM6437組成。
系統數據流程如圖1所示，A/D采樣的中頻模擬信號輸出至FPGA，FPGA中的VB-DDC將中頻信號下變頻至基帶，再通過McBSP接口將基帶信號傳給DSP進行解調、功率譜估計等數字信號處理，最后DSP再將結果通過以太網送至上位機PC進行顯示。同時，VB-DDC可通過McBSP接口接收上位機PC傳來的配置參數，實現DD動態配置。
本文主要討論該系統中的FPGA部分，其內部各模塊框圖如圖2所示。
2 窄帶濾波器組模塊
窄帶濾波器組模塊基于傳統數字下變頻結構，其內部框圖如圖3所示。為了實現濾波器組處理帶寬可變，HB及FIR濾波器的濾波器系數均可變，并且CIC濾波器的抽取因子可以在2~32范圍內靈活選擇，FIR濾波器輸出后也可選擇直接輸出至下級或者2倍抽取后輸出至下級。這樣窄帶濾波器組總的抽取因子可在4~128范圍內變化，即可根據信號處理帶寬使輸出數據率在25 MS/s~0.781 25 MS/s之間靈活改變，實現窄帶VB-DDC的功能。
3 多相濾波結構的寬帶濾波器
在本設計中，當信號帶寬大于1 MHz時，由寬帶濾波器處理。AD采樣率100 MS/s時，設計寬帶濾波器：通帶0.5 MHz，阻帶起始頻率1.8 MHz，通帶波紋0.1 dB，阻帶抑制比為84 dB，調用MATLAB中函數firpm設計濾波器，計算所需的濾波器階數為266。
為了實現266階的FIR濾波器，采用基于多相濾波的乘法器時分復用結構。多相因子取38，抽取因子取7。
數據排序分組原理如圖4所示，其中FIFO1~FIFO38的38個獨立的存儲器用38個深度為7、位寬為18的FIFO實現。FIFO的個數由多相因子決定，為了實現處理帶寬可變，輸出信號數據率可變，抽取因子可在1~7之間選擇，FIFO的深度由抽取因子決定，可在1~7之間配置。由L1~L38輸出的數據應乘以對應的濾波器系數，然后將這38個乘積累加，則可得到多相濾波的輸出，如圖5所示。
MATLAB產生266階原型低通濾波器系數，通過參數配置模塊在DDC開始工作前存入RAM中，在參數配置模塊中有專門的RAM寫操作控制邏輯。由于抽取因子可在1~7之間靈活配置，則濾波器總的階數可在138~738，即38~266之間變化，所以RAM中預存的濾波器系數應根據濾波器實際階數靈活配置，多余的RAM存儲空間置零。
4 時鐘重配置模塊
由于FPGA中的多個模塊分別工作在不同的時鐘頻率，當DDC處理帶寬變化時，系統輸出數據率便發生變化，因而各模塊的輸入時鐘頻率也要發生變化。為了實現各模塊輸入時鐘的動態配置，本設計使用了Altera的IP核 PLL的重配置功能(PLL Reconfiguration)，并且使用了Altera提供的專門用于PLL重配置的IP核(ALTPLL_RECONFIG)[3]，這樣大大降低了整個系統時鐘設計的難度，提高了DDC的靈活性。
5 系統總體調試
將以上各個模塊按照圖2所示的關系組合在一起，構成FPGA頂層文件。本設計充分利用了EP2S60F672C4上豐富的乘法器資源，使設計的VB-DDC性能達到了最佳。
在SignalTap II中對整個VB-DDC系統進行調試的波形如圖6所示。調試時，先在Altera提供的IP核 ROM中存入MATLAB仿真產生的14 bit LFM信號數據，信號帶寬80 kHz，中頻為32.4 MHz，以此模擬AD6645采樣得到的數字中頻信號。
將VB-DDC配置成8 kHz帶寬的基于多相濾波的266階濾波器并級聯在64階FIR濾波器之后，將多相濾波器硬件調試輸出 I_out_F、Q_out_F導入MATLAB進行頻域分析如圖7所示，其與圖8的MATLAB理論仿真結果對比，可得設計滿足要求。
將采樣率100 MHz、帶寬40 MHz的八音信號輸入VB-DDC系統。VB-DDC配置成寬帶多相濾波器濾波，將硬件調試輸出I_out_F、Q_out_F導入MATLAB進行頻域分析如圖9所示，其與圖10的MATLAB理論仿真結果對比，可得設計滿足要求。
本文基于FPGA芯片Stratix II EP2S60F672C4設計了一個適用于寬帶數字接收機的VB-DDC。該VB-DDC可根據處理信號帶寬要求，靈活選擇下變頻器結構為傳統結構的窄帶DDC或者基于多相濾波結構的寬帶DDC，也可以聯合使用兩種結構。表1列出了本設計VB-DDC與Intersil公司、ADI公司的兩種單通道DDC芯片產品的主要技術參數，其中HSP50214B為目前各種單通道DDC產品中功能最強的型號。本設計的VB-DDC在最大數據輸入率和最大處理帶寬這兩項最重要的性能指標上占有很大優勢。本設計的VB-DDC已經應用于寬帶數字接收機系統。
參考文獻
[1] Intersil.HSP50214B Data Sheet.2000，5.
[2] ANALOG DEVICES.AD6645 Data Sheet.2006.
[3] San Jose. Phase-locked loops reconfiguration(ALTPLL_RECONFIG) megafunction user guide. Altera Corporation，2008，7.
[4] ANALOG DEVICES. AD6620 Data Sheet.1998.