基于FPGA的導航抗干擾接收機數(shù)字變頻的實現(xiàn)

摘要 根據(jù)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)、頻率特征設計和實現(xiàn)了導航抗干擾接收系統(tǒng)中，基于軟件無線電的上下變頻模塊。根據(jù)系統(tǒng)的A/D采樣頻率與轉(zhuǎn)換位數(shù)、阻帶衰減要求、頻率選擇性、增益，輸入輸出頻率在Matlab中建模。確定了DDC和DUC的設計方案，并在硬件上實現(xiàn)，重點是NCO和濾波器組設計，包括梳狀濾波器、半帶濾波器和補償濾波器。構(gòu)建完成系統(tǒng)后進行了仿真驗證，可滿足系統(tǒng)設計要求。

導航接收機作為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的主要組成部分，是市場大規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化的核心環(huán)節(jié)。研究導航接收機關(guān)鍵技術(shù)，對建設我國有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)有具有現(xiàn)實意義。因此，對用戶端接收機、拓寬應用范圍是GNSS研究的熱點。同時衛(wèi)星導航信號弱、易受干擾會直接影響衛(wèi)星導航系統(tǒng)在復雜干擾環(huán)境下發(fā)揮的作用。因此需研制具有抗干擾能力的接收系統(tǒng)。本文主要根據(jù)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)、頻率特征設計了導航抗干擾接收系統(tǒng)中基于軟件無線電的上下變頻模塊。

1 DDC和DUC的系統(tǒng)設計

導航抗干擾系統(tǒng)中的數(shù)字接收機所采用的是數(shù)字混頻正交變換，但該方法在高采樣率時，混頻后端的濾波器需要較高的濾波器階數(shù)，對硬件資源的要求高，導致使用資源過多、功耗過大等問題。因此在實際的上下變頻技術(shù)應用中，多速率信號處理濾波器組常選擇CIC積分梳狀濾波器級聯(lián)HB半帶濾波器、級聯(lián)補償FIR濾波器的組合結(jié)構(gòu)，來滿足設計要求。

1.1 設計指標

開發(fā)工具采用Xilinx公司的ISE，芯片采用Xilinx公司的FPGA—spantan3E。數(shù)字中頻信號中心頻率為70 MHz，帶寬為20 MHz，采樣率為90 MHz，濾波器阻帶衰減60 dB。下變頻中，經(jīng)NCO提供的20 MHz本振信號混頻到零頻上，完成4倍的抽取。上變頻經(jīng)過4倍插值，混頻到70 MHz中頻上，采樣率由22.5 MHz升至90 MHz。

1.2 建立DDC和DUC設計方案

首先在Matlab中進行建模，確定濾波器組參數(shù)，包括濾波器級數(shù)、系數(shù)等。濾波器組方案采用2倍多級CIC濾波器抽取，級聯(lián)2級抽取半帶濾波器，最后級聯(lián)多級補償FIR濾波器。由此確定半帶濾波器和補償濾波器的系數(shù)和級數(shù)，幅頻特性如圖1所示。

由此可得出設計的數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括數(shù)控振蕩器NCO模塊、數(shù)字混頻器模塊、CIC濾波器模塊、HB半帶濾波器模塊和FIR補償濾波器模塊。數(shù)字上變頻結(jié)構(gòu)是數(shù)字下變頻的逆過程，兩者的工作原理、結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)互相對應。

1.3 DDS的設計

為避免使用大容量存儲器，可以考慮利用算法來產(chǎn)生正余弦樣本。CORDIC算法是一種基于矢量旋轉(zhuǎn)的坐標計算方法。該算法的基本思想是通過一系列固定的、與運算技術(shù)相關(guān)的角度不斷偏擺以逼近所需的旋轉(zhuǎn)角度。它有線性的收斂域和序列的特性，只要迭代次數(shù)足夠，即可保證結(jié)果有足夠的精度。當輸入90MHz的基準時鐘，步進字設為954 437 176(十進制)，將輸出2 MHz的正余弦離散波形，圖3所示為DDS模塊在Modelsim中仿真結(jié)果。

與使用ROM查找表法相比，CORDIC算法產(chǎn)生DDS的優(yōu)勢有：(1)所有運算都可通過移位和加減運算實現(xiàn)，無需耗費硬件乘法器資源，易于實現(xiàn)。(2)可使用循環(huán)迭代方法，節(jié)約硬件資源。(3)可通過流水線法，提高工作頻率。

1.4 濾波器組的設計

CIC濾波器的結(jié)構(gòu)簡單，沒有乘法器，只有加法器，積分器和寄存器，適合工作在高采樣率。而且，CIC濾波器是一種基于零極點相消的FIR濾波器，實現(xiàn)上減少了復雜度與資源消耗，已被證明是在高速抽取或插值系統(tǒng)中的有效單元。

單級CIC濾波器的傳遞函數(shù)為

單級CIC濾波器旁瓣電平較大、阻帶衰減較差、降低旁瓣電平，可以采用多級CIC濾波器級聯(lián)的方法實現(xiàn)。根據(jù)Matlab建模要達到60 dB阻帶抑制比，需要5級級聯(lián)。此時，阻帶衰減為單級衰減(13.36 dB)的5倍。由CIC濾波器的傳遞函數(shù)，使用Verilog語言即可寫出一個5級、抽取率為2的CIC抽取濾波器和CIC插值濾波器，都由5級積分器和梳狀器級聯(lián)構(gòu)成。但在用FPGA實現(xiàn)的過程中，Integrator模塊里，會出現(xiàn)溢出問題。在設計過程中為防止數(shù)據(jù)溢出，必須相應地擴大數(shù)據(jù)的位數(shù)，以減少誤差。有相應公式，內(nèi)部運算單元寬度

REG_WIDTH=L+Nlog2(DM) (2)

其中，L為數(shù)據(jù)寬度;D為抽取因子;M為差分延遲。

半帶濾波器的本質(zhì)是FIR濾波器，只是有1/2的系數(shù)為0，其實現(xiàn)結(jié)果與傳統(tǒng)的FIR濾波器基本相同，將為零的系數(shù)通過延遲單元實現(xiàn)，同等條件下復雜度更低。因此，在實現(xiàn)時也可通過FIR Compiler IP核來實現(xiàn)。根據(jù)Matlab建模的結(jié)果，生成定點量化的半帶濾波器系數(shù)，并寫入磁盤，生成coe文件，然后再加載到FIR Complier配置界面中。

在ISE13.1中FIR濾波器的IPCore是FIR Complier，其功能強大，對于半帶的抽取、內(nèi)插、希爾伯特變換等都能完成，其結(jié)構(gòu)包含乘加結(jié)構(gòu)和分布結(jié)構(gòu)。

補償濾波器是針對CIC濾波器而設計的，因為CIC濾波器并不具備一個平的、寬的通帶，而多級CIC濾波器會加劇通帶的這種不平坦，所以為了修正通帶內(nèi)的衰減，可以通過級聯(lián)一個FIR濾波器對其幅度響應進行補償。這個FIR濾波器的幅度響應取CIC幅度響應的倒數(shù)時，正好可以修正多級CIC濾波器的通帶上的迅速衰降，在擴展其通帶帶寬的同時提高了阻帶衰減。則補償FIR濾波器的幅值響應公式為

由此產(chǎn)生FIR濾波器系數(shù)，并由FIR Complier生成。

2 系統(tǒng)的集成與驗證

2.1 下變頻

系統(tǒng)中的各個模塊包括數(shù)控振蕩器模塊、5級級聯(lián)的CIC抽取與內(nèi)插濾波器模塊、半帶抽取與內(nèi)插濾波器模塊和FIR補償濾波器模塊。最后通過編寫頂層文件，實現(xiàn)各個模塊的互聯(lián)，以最終集成導航抗干擾接收系統(tǒng)中DUC和DDC的功能。

首先在Matlab中產(chǎn)生一個帶寬為20 MHz;中心頻率為70 MHz;頻譜為矩形的信號，以fs=90 MHz的頻率采樣，則其頻譜將在f軸上以fs為周期延拓，原本在70 MHz的頻率上產(chǎn)生的帶寬為20 MHz的中頻信號則會向左以fs的頻率進行周期延拓，并在最靠近零頻的負頻率軸上產(chǎn)生中心頻率為-20 MHz的一個副本。同時由于信號為實信號，將產(chǎn)生-20 MHz與20 MHz上的兩個副本，信號的頻譜如圖4所示。

產(chǎn)生16 384個采樣點，將這些數(shù)值歸一化并轉(zhuǎn)換為4位16進制數(shù)值，導入DDC的Testbech中，可驗證DDC模塊的功能與正確性。如圖5所示為Modelsim中的仿真結(jié)果，DIN為輸入信號，DOUT_Q與DOUT_I為DDC模塊的輸出信號，分別為正交分量和同相分量，其輸出速率降低了75%。

將4 096個同相分量數(shù)據(jù)和4 096個正交分量數(shù)據(jù)導入Matlab中進行頻譜分析?？捎^察到輸入頻譜為矩形的信號，經(jīng)過DDC后其波形和頻譜如圖6所示。將輸入波形與頻譜對比，可以看到，其通帶平坦度與阻帶衰減良好，符合預期。

2.2 上變頻

將DDC的輸出信號輸入DUC模塊中，可對數(shù)字上變頻模塊進行驗證，信號速率為22.5 MHz，帶寬20 MHz，頻譜如圖6所示。

將DDC輸出的4 096個數(shù)據(jù)歸一化并轉(zhuǎn)換為4位16進制數(shù)值，導入DUC的Testbech中。圖7為DUC模塊對采樣率為22.5 MHz，帶寬20 MHz的基帶信號進行數(shù)字上變頻的結(jié)果。

將16 384個數(shù)據(jù)導入Matlab中進行頻譜分析?？捎^察到輸入頻譜為矩形信號，經(jīng)過DUC后其波形和頻譜如圖8所示。

上變頻后數(shù)據(jù)速率上升到90 MHz，以70 MHz的采樣率進行采樣，經(jīng)過周期延拓后，中心頻率在20 MHz上。將輸入波形與頻譜對比，數(shù)字上變頻設計的結(jié)果符合設計期望。

在資源使用上，芯片Spantan3s1600e可以滿足資源需求。其資源占用率如表1所示。

可以看到，Slice的數(shù)據(jù)在50%～70%之間。此時，可以最大限度地發(fā)揮芯片的性能，也為以后的平臺拓展留下空間。從上述數(shù)據(jù)可以看出，Xilinx芯片的資源利用率是可行的。

2 結(jié)束語

設計和實現(xiàn)了導航抗干擾接收系統(tǒng)中的上下變頻模塊。介紹了FPGA芯片的選擇以及集成開發(fā)環(huán)境。并依據(jù)導航抗干擾接收系統(tǒng)的各種參數(shù)，對濾波器組仿真并建模，對DUC DDC中每個模塊的FPGA進行設計及功能仿真，通過對整個系統(tǒng)的集成驗證，證明結(jié)果符合設計要求，基于FPGA的數(shù)字變頻系統(tǒng)應用范圍廣泛、通用性高、修改參數(shù)方便、資源使用率較少，可用于通信、信號處理等相關(guān)領(lǐng)域移植。