在軟件無線電的接收機設計中，數(shù)字下變頻(DDC)技術是其核心技術之一[1-2]。數(shù)字中頻軟件無線電接收機由模擬預處理、ADC、DDC組成。它的主要功能是將ADC數(shù)字化后的高速數(shù)字中頻信號進行低通濾波和抽取降速，使之成為低速的基帶信號。對數(shù)字信號完成處理之后，將基帶信號送給DSP器件完成FFT運算、解調、解碼等功能。
    在以往的數(shù)字下變頻結構設計中，要么是通過增加抽取濾波器的級數(shù)來提高數(shù)字下變頻器的強壯性[3]，要么是通過改變FIR濾波器的結構以降低運算復雜度，進而實現(xiàn)高效的數(shù)字下變頻器結構[4]，很少在考慮多級濾波器設計的同時，引入多帶寬設計的思路來擴展數(shù)字下變頻器的適用范圍。本設計基于Xilinx芯片的開發(fā)平臺，實現(xiàn)了一種可變帶寬的多級濾波器數(shù)字下變頻結構，該結構已經(jīng)在許多開發(fā)平臺中使用，并在部分項目中得到實際應用。
1 DDC的結構原理
    數(shù)字下變頻器的基本工作原理：將AD信號與數(shù)控振蕩器（NCO）產(chǎn)生的兩路正交本地載波信號相乘，然后通過濾波和抽取降低采樣速率，最后再由低通濾波器濾除其中的高頻分量，最終得到下變頻后的基帶I/Q信號[5]。一般前兩級濾波和抽取采用CIC濾波，最后一級利用FIR濾波器濾除高頻分量。典型的DDC基本結構如圖1所示[6]，輸入的模擬中頻信號由ADC采樣得到數(shù)字中頻信號，然后分別與NCO產(chǎn)生的兩路正交本振信號相乘，將數(shù)字中頻搬移至基帶。對于混頻后的信號，采樣速率很高，通過CIC的抽取和濾波達到降低采樣速率和濾除雜波的功能，最后通過一個低通濾波器（LPF）過濾高頻分量，得到I/Q信號并輸出。下面分別對結構框圖中各模塊的設計加以說明。

1.1 NCO的設計
    數(shù)控振蕩器NCO(Numerically Controlled Oscillator)一般可以通過查找表的方法產(chǎn)生兩路正余弦波，或者通過坐標旋轉數(shù)字式計算機（CORDIC）產(chǎn)生。NCO產(chǎn)生的正交本振信號輸入到數(shù)字混頻器，完成與AD采樣之后的數(shù)字信號混頻的功能。本文中采用查找表的方式設計出一款相位精度為32 bit、輸出精度為16 bit的NCO。圖2所示為基于查找表結構下的NCO設計原理圖。

2 仿真驗證及硬件實現(xiàn)
    如前文所述，設計出完整的數(shù)字下變頻結構，包括對AD信號的混頻、抽取和濾波，最后再通過低通濾波器實現(xiàn)IQ信號的輸出。下面首先通過Matlab仿真軟件中的FDATool工具對具體的FIR濾波器系數(shù)進行設計，然后將整個數(shù)字下變頻結構在Xilinx的FPGA芯片中加以實現(xiàn)。
2.1 Matlab仿真驗證
    Matlab的FDATool工具可以根據(jù)用戶需要設計出滿足不同情況需求的濾波器系數(shù)[7]。在本設計結構中，需要實現(xiàn)多種帶寬，因此對FIR系數(shù)進行設計時要考慮到將通帶截止頻率設計到對應帶寬的范圍之內，同時阻帶截止頻率也要設計合理，這樣才能保證阻帶衰減可以接受。表1給出了3種帶寬下的兩級CIC濾波器與FIR濾波器抽取倍數(shù)的對應關系。

    如圖5所示為121階、帶寬為1 MHz的Blackman窗函數(shù)的FIR濾波器幅頻特性圖。通過歸一化將系數(shù)轉換為16 bit的整數(shù)形式。

    進一步，可以通過FDATool繼續(xù)設置另外兩種帶寬的FIR濾波器系數(shù)組，然后通過Xilinx的IP core generator產(chǎn)生的FIR IP核把系數(shù)組加載進去，最終實現(xiàn)完整的濾波器結構。
2.2 硬件實現(xiàn)
    本設計中，通過Xilinx的IP核產(chǎn)生出NCO、CIC、FIR模塊。AD信號的采樣時鐘為102.4 MHz，NCO的輸出本振為32.4 MHz，兩級CIC分別設置為3級和5級，F(xiàn)IR濾波器需要將Matlab仿真的濾波器系數(shù)組加入其中。然后通過Verilog硬件編程語言將各個模塊組合到一起，實現(xiàn)完整的數(shù)字下變頻設計。
3 設計結果
    綜上所述，通過Matlab仿真驗證及Xilinx的FPGA硬件實現(xiàn)，成功地設計出一種適用于多帶寬情況的數(shù)字下變頻結構。表2給出了Xilinx的FPGA(xc5vsx95t-1)部分資源使用說明。

    圖6所示為ModelSim仿真下的DDC各級輸出仿真波形圖。其中，輸入的AD為34 MHz正弦波信號，輸出結果為4倍抽取后得到的在1 MHz帶寬下的IQ信號波形圖。

    本文實現(xiàn)了一種可變帶寬的多級濾波器設計，帶寬范圍覆蓋了100 kHz、600 kHz、1 MHz 3檔。這種結構僅限于對帶寬要求不高的信號分析?？紤]到實際的信號處理環(huán)境，對于調制樣式識別中的AM/FM等窄帶信號以及衛(wèi)星信號等帶寬在20 MHz以上的寬帶信號的分析也十分重要。因此，還可以通過更換資源更豐富的芯片，設計包括寬帶在內的多級濾波器數(shù)字下變頻器，以滿足多路帶寬的需求。另外，對于DDC處理后的IQ信號，還可以在FPGA芯片中引入FFT結構，將時域信號轉換為頻域信號，達到減少DSP工作量的目的，這些應用都可以作為后續(xù)工作的研究內容。
參考文獻
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