基于CORDIC算法數(shù)字下變頻器設(shè)計

1、基于CORDIC算法數(shù)字下變頻器設(shè)計         摘  要 本文以軟件無線電為指導(dǎo)，提出基于CORDIC算法利用FPGA平臺數(shù)字下變頻器設(shè)計方案。首先分析下變頻器的結(jié)構(gòu)；然后采用模塊化設(shè)計思想，將數(shù)字下變頻的功能模塊包括數(shù)字控制振蕩器、CIC抽取濾波、HBF抽取濾波器、FIR低通濾波器進(jìn)行分析和FPGA的設(shè)計；最后在MATLAB/DSPBuilder下硬件仿真模塊進(jìn)行仿真并給出仿真結(jié)果。   關(guān)鍵字 數(shù)字下變頻；CORDIC；FPGA1  引言   

2、軟件無線電的設(shè)計思想之一是將A/D 轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，即把A/D從基帶移到中頻甚至射頻，把接收到的模擬信號盡早數(shù)字化。由于數(shù)字信號處理器（DSP）的處理速度有限，往往難以對 A/D采樣得到的高速率數(shù)字信號直接進(jìn)行各種類別的實(shí)時處理。為了解決這一矛盾，需要采用數(shù)字下變頻（DDC）技術(shù)，將采樣得到的高速率信號變成低速率基帶信號，以便進(jìn)行下一步的信號處理。數(shù)字下變頻技術(shù)在軟件無線電和各類數(shù)字化接收機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。因此建立軟件無線電的通用數(shù)字下變頻器是非常必要的。2  下變頻器的結(jié)構(gòu)與組成   我們要設(shè)計數(shù)字下變頻器如圖1所示。   量化的中頻

3、數(shù)字信號進(jìn)入數(shù)字下變頻器后，先與數(shù)字控制振蕩器產(chǎn)生的本地數(shù)字載波混頻，經(jīng)過CIC抽取濾波器，HBF抽取濾波器，F(xiàn)IR低通濾波對信號進(jìn)行D倍抽取后得到正交基帶信號，這是下變頻過程。虛線框內(nèi)為數(shù)字下變頻部分是我們設(shè)計和討論的重點(diǎn)。3  數(shù)字控制振蕩器振蕩器    如圖1所示。正交數(shù)字下變頻器前端包括兩部分一是乘法器;一是NCO。乘法器設(shè)計很簡單，NCO的目標(biāo)是產(chǎn)生一個理想的正弦和余弦波。更確切地說是產(chǎn)生一個可變頻率的正弦波樣本如公式：其中 為本地振蕩頻率； 為DDC輸入信號的采樣頻率。正弦波樣木可以用實(shí)時計算的方法產(chǎn)生，但這只適用信號采樣頻率很低的情況。在軟件無線電高

4、速信號采樣頻率的情況下，NCO實(shí)時計算的方法是不可取的。NCO產(chǎn)生正弦波樣本通常采用查表法，通過輸入的相位數(shù)據(jù)來尋址查表輸出相應(yīng)的正弦波幅值。對于一個相位位數(shù)為n，輸出信號幅度位數(shù)為M的數(shù)控振蕩器，這就需要耗費(fèi)大量的ROM資源(2nX Mbit)。為了避免使用大容量的存儲器?？刹捎昧艘环N基于CORDIC( Coordinate Rotation Digital Computer)算法來產(chǎn)生正/余弦樣本。該算法有線性的收斂域和序列特性。只要迭代次數(shù)足夠，即可保證結(jié)果有足夠的精度。并且用于混頻的乘法器也可以省掉。從而還節(jié)省了大量的邏輯硬件資源。使得數(shù)字下變頻更易于用FPGA來實(shí)現(xiàn)。3.1 

5、; CORDIC算法   CORDIC算法基本原理是：設(shè)初始向量x0+jy0經(jīng)旋轉(zhuǎn) 角度后得到的向量 xn+jyn即 ， ，設(shè)旋轉(zhuǎn)基本角度 i，令 ，那么初始向量可通過一系列的基本角度 i的旋轉(zhuǎn)，逐漸逼近目標(biāo)向量。在旋轉(zhuǎn)模式下，如果設(shè)Z0= ，根據(jù)J，S，WALTER的推導(dǎo)有：        （1）   其中     i代表向量旋轉(zhuǎn)方向   經(jīng)過n 次旋轉(zhuǎn)迭代后的結(jié)果為：   其中， ，稱為模校正

6、因子。如果令 ， y0=0，則  ，由上述推導(dǎo)可知：若已知角度Z0 和初始向量的 x0，y0 可由式(1)迭代運(yùn)算得到角度 Z0的正余弦值，而式(3)中的迭代運(yùn)算用硬件實(shí)現(xiàn)時非常方便，只有加（減）和移位操作。3.2  基于CORDIC算法實(shí)現(xiàn)NCO   我們設(shè)計的NCO頂層結(jié)構(gòu)為圖2所示。我們可以看到，頻率控制字寄存器將接收到的頻率控制字K送入相位累加器，累加器對系統(tǒng)時鐘進(jìn)行累加計數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)輸入頻率控制字的值時對相位進(jìn)行累加，隨后將累加值送入相位相加器，與相位控制字寄存器接收到的初始相位相加，得到當(dāng)前的相位值。經(jīng)過上述相位處理之后，即可獲得相位

7、的正/余弦相位序列，將此序列送入基于CORDIC算法的波形發(fā)生器，最終獲得兩路正交的正/余弦輸出序列。   采用了流水線型實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，它用n級相似的算法單元在同一個時鐘周期內(nèi)并行工作，每級算法單元的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中的三個累加器分別完成了該級中xi，yi，zi的迭代，累加器的加/減控制信號為上一級算法單元中的di信號，兩個i位的右移寄存器(注：圖中的i表示右移i位)完成了迭代等式中的乘2-i運(yùn)算，而該級的基本旋轉(zhuǎn)角度值(2-i)可以采用直接硬連接。   流水線結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)在于它的運(yùn)算速度很快在任何一個時鐘周期，n級算法單元都同時工作，如在輸入端

8、連續(xù)不斷地送入數(shù)據(jù)，那么在n個時鐘周期的延遲之后，輸出端將連續(xù)得到相應(yīng)的下變頻后的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的串行結(jié)構(gòu)相比，流水線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算速提高了n倍。圖4給出了16級流水線算法的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)虛線框中部分是個初始化旋轉(zhuǎn)單元，是因為 。由此可見，當(dāng)?shù)拇螖?shù)n趨近于無窮大時，所被 覆蓋的角度只能是在-99.9度99.9度之間，若想讓 的覆蓋范圍擴(kuò)展到，必須在迭代之前再增加一個初始化旋轉(zhuǎn)，將輸入向量先旋轉(zhuǎn) ，之后是16級流水線算法單元，最右邊的是級的基本旋轉(zhuǎn)角度值(2-i)，di為各級累加器加/減控制信號"X0，Y0，Z0為下變頻模塊的數(shù)據(jù)輸端口，Xn，Yn，Zn是三個輸出端口"。 &

9、#160;       3.3  初始化旋轉(zhuǎn)單元代碼   輸入為x_in y_in z_in 輸出為 phi，eps，r 定義信號為x，y，z-Test for x_in0 rotate 0，+90，or -90 degreesIF x_ino THEN   x =x_in；   y=y_in；   z=z_in；ELSEIF y_in0 THEN   x=y_in；   y=-x_in； 

10、60; z=z_in+90；ELSE    x=-y_in；   y=x_in；   z=z_in-90；END IF；4  積分梳狀(CIC)濾波器的FPGA設(shè)計   CIC濾波器由兩部分組成，積分器和梳狀濾波器的級聯(lián)其沖擊響應(yīng)為         （4）     圖5顯示的是它的頻譜圖。CIC所有系數(shù)都為1，實(shí)現(xiàn)起來極其簡單，它不需要任何乘法運(yùn)算，不需要存儲濾波器系數(shù)。為了加大阻帶衰減，通常采用

11、N級CIC濾波器如圖6所示。5  半帶抽取濾波器(HBF)的FPGA設(shè)計   濾波器特別適合于實(shí)現(xiàn)的冪次方倍的抽取，且計算效率高、實(shí)時性強(qiáng)。其頻譜如圖7所示。半帶濾波器是頻率響應(yīng)滿足阻帶寬度與通帶寬度相等，當(dāng)抽取率為2的冪次方時實(shí)現(xiàn)如圖8所示。 6  使用Dspbuilder低通濾波器的設(shè)計   使用spbuilder可以方便地在圖形化環(huán)境中設(shè)計FIR數(shù)字濾波器，而且系數(shù)的計算可以借助MATLAB強(qiáng)大的計算能力和現(xiàn)成的濾波器設(shè)計工具來完成。6.1  利用MATLAB確定濾波器的參數(shù)   低通濾波器采用FI

12、R濾波器。FIR濾波器由于有線性相位穩(wěn)定性好等特征被廣泛運(yùn)用。并且其結(jié)構(gòu)易于用FPGA實(shí)現(xiàn) MATLAB中FDA TOOL的Filter Design & Analysis Tool對濾波器的設(shè)計很有用。進(jìn)入濾波器設(shè)計界面，選擇類型LOWPASS，設(shè)計方法為WINDOW，除數(shù)為15，窗口類型為aiser，Beta為.5 另 為48KHZ， 為10.8KHZ。此時利用FDA TOOL有關(guān)工具分析反應(yīng)設(shè)計的濾波器的各種特性如幅頻，相頻，沖激，階躍響應(yīng)零極點(diǎn)等。導(dǎo)出濾波器系數(shù)，然后對系數(shù)進(jìn)行量化為位寬為位絕對值為位的數(shù)值導(dǎo)出后分另擴(kuò)大倍得到整數(shù)：-19  6  29

13、60; 3  -45  -25  92  212  212  92  -25  -45  3  29  6  -19。6.2  FIR濾波器的設(shè)計   FIR濾波器采用直接型結(jié)構(gòu)，主要由移位寄存、乘法器和加法器組成。其設(shè)計思想是利用 DSPBuilder模塊直接實(shí)現(xiàn)乘法器和加法器。基于乘、加的設(shè)計比較簡單，系統(tǒng)工作速度較高，但占用的資源很大，因速度要求較高、階數(shù)較小的濾波器設(shè)計。利用DSPBuilder模塊設(shè)計的FIR濾波器很容易進(jìn)行能擴(kuò)展，輸入

14、數(shù)據(jù)的位寬可以根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行調(diào)整。如圖9為四階FIR的subsystem 要實(shí)現(xiàn)16階或更高階的濾波器，只需要將濾波器級聯(lián)數(shù)據(jù)相加即可。7  仿真驗證   Altera 的DPSBuilder提供的HIL模塊能很好的完成硬件仿真，HIL可以在Simulink模型與FPGA開發(fā)板間通過JTAG通信接口建立一種聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)基于MATLAB/DSPBuilder平臺的硬件仿真。本文選用Altera公司的Cyclone系列EP1C6Q240C8為主芯片的開發(fā)板進(jìn)行仿真。NCO的仿真結(jié)果如圖10所示。圖10  兩輸出I/Q瞬時仿真結(jié)果   由仿真結(jié)果可見用CORDIC算法設(shè)計出來的NCO還是比較理想的，進(jìn)一步說明模型與代碼的正確性。8  結(jié)語   基于CORDIC上算法設(shè)計的下變頻器，不僅完全滿足通常各類接收機(jī)的要求，而且還能克服傳統(tǒng)NCO設(shè)計方法所要消耗的大量ROM。FPGA固有的硬件可重構(gòu)特點(diǎn)適合于下變頻器的開發(fā)和設(shè)計也適合于軟件無線電的開放平臺，本文中采用DSPBuilder系統(tǒng)工具和硬件傳真模塊極大的縮短了開發(fā)和仿真的時間，也方便了系統(tǒng)的更改和擴(kuò)展?？墒乖O(shè)計更加靈活，便捷。參考文獻(xiàn)1 楊小牛，樓才義，徐建良軟件無線電原理與應(yīng)用北京：