第8卷第6期南阳师范学院学报
Vol .8No 16
2009年6月Journal of Nanyang Nor mal University Jun .2009
收稿日期:2008-12-15
基金项目：南阳师范学院高层次人才科研启动费资助(nytc2006k106)作者简介：张 帅(1980-)，河南南阳人，硕士，讲师，主要从事电子设计自动化研究.
张 帅，仲志国
(南阳师范学院物理与电子工程学院，河南南阳473061)
摘 要：提出一种基于Xilinx 公司V irtex -5FPG A 的高速数字下变频的实现方法，使用Syste m Generat or for DSP 软件实现I P Core 在FPG A 中的建模，通过M atlab 进行了仿真验证，并下载到FPG A 芯片中进行了功能验证，证明该设计集成度高和稳定性强，降低了开发成本.
关键词：数字下变频；现场可编程门阵列；滤波器
中图分类号:T N957 文献标识码:A 文章编号:1671-6132(2009)06-0037-03
数字下变频(DDC )的目的是使经过粗模拟滤
波和过采样之后的数据在数字域内达到采样速率最小，以实现减少冗余数据的目的，使信号接收系统的数字化和软件化得以实现.文中提出一种采用FPG A 器件及I P Core 来实现数字下变频的方案.FPG A 芯片既有高逻辑密度和通用性，又有可编程逻辑器件的用户可编程特性.使用FPG A 器件实现的下变频器可以更加方便地设计出通用的数字下变频系统. 1 数字下变频原理
所谓下变频就是将信号由较高的频带搬到较
低的频带，以利于信号的分析与处理[1]
.数字下变频由数字振荡器、数字乘法器、数字滤波器三部分组成，其组成的系统框图如图1所示.
图1 数字下变频结构框图
由于Xilinx 公司的V irtex -5SXT 系列FPG A
芯片中具有DSP48Slice 数字信号处理单元，配合Syste m Generat or f or DSP 可以轻松地设计DDC，因此选用该系列芯片为设计对象，采用Syste m Gener 2at or 软件进行设计与仿真.该软件可以和Matlab 中的Si m ulink 工具共同使用，利用Si m ulink 方便的模
块设计和强大的波形显示窗口，使得仿真结果可以更加直观、快捷地表现出来.
2 系统结构
整个系统结构如图2所示，主要由时钟和复位单元、时序控制单元、寄存器配置单元、数字下变频单元、抽取滤波器单元组成.
图2 数字下变频设计结构图
时钟和复位单元用于产生整个模块需要的系
统时钟和复位信号；时序控制器单元通过产生时钟使能信号来控制不同速率模块的时钟速率；寄存器配置单元对内部寄存器进行配置，通过不同的频率控制字使得NCO 产生不同频率的输出，控制每个滤波器的门控时钟；数字下变频单元用于产生正交的数字中频信号，通过修改NCO 的频率控制字，可以
使得其输出频率动态地改变，从而数字混频器可以将具有不同中心频率的中频信号变换成基带信号；抽取滤波器单元的作用就是进行抽样前的抗混叠滤波，避免抽样后产生频谱混叠，而不能恢复出原始信号.
在抽取滤波器单元使用了3种滤波器.C I C 滤波器是由Hogenauer 提出的一种非常高效的滤波器，适于需要高数据率变换的设计;CF I R 滤波器主要是对C I C 滤波器通带内产生的sin X /X 滚降进
南阳师范学院学报 第8卷
行补偿，使得通带具有更好的平坦性
;PFI R 滤波器
对整个频率响应进行控制，以满足指标要求，同时进一步降低采样数据率.
3 主要模块的FPG A 实现
在数字信号处理领域，几乎绝大多数算法设计和系统验证都是在Matlab 和Si m ulink 中完成的,
但并不能转换成最终的硬件实现.Xilinx 公司设计了大量的参数化I P Core 用于DSP 的建模及验证，设
计者现在只需在Syste m Generat or f or DSP 软件中调用相应的I P，在Matlab 中进行DSP 建模就可轻松完成DSP 设计及仿真
[1-2]
.
3.1 数字下变频单元
数控振荡器NCO 用于产生频率可控的正弦、余弦信号.该正交信号和ADC 产生的数字中频信号通过数字混频器M ixer 进行正交混频，通过后级的滤波器滤除2f 0为中心频率的带通信号后，就可以得到零中频的基带信号[3]
.具体模型如图3
所示.
其中NCO 模块是调用Xilinx B l ockset 中的DDS Comp lier 单元实现,I_Mult/Q _Mult 模块调用V irtex 25中的硬件乘法器来实现
.
图3 数字下变频单元模型
3.2 抽取滤波器单元
需要采用过采样技术对模拟信号进行数字化.
对于射频或中频窄带信号而言，过采样给接收系统带来了大量的冗余数据和繁重的计算负担.解决方法是先将射频或中频窄带信号进行数字混频，得到期望的基频信号，然后进行相应的抽取滤波操作，减少冗余数据.由于滤波过程涉及大量的乘累加运算，抽取滤波器必然成为制约整个系统工作频
率的瓶颈[4]
.
采用由C I C 滤波器、CF I R 滤波器、PF I R 滤波器组成的抽取滤波器组进行数字下变频的方法来解决这个问题.采用多级滤波器级联来实现抽取具有如下优点:
(1)简化滤波器设计，允许每级滤波器的过渡带比较宽;
(2)可以显著地降低运算量;
(3)减少系统中的存储器的使用量.
由于C I C 滤波器的所有系数都是1，因此这种滤波器实现起来极其简单，只是通过简单的求和即可完成滤波过程.这种结构决定了使用FPG A 器件可以很方便地实现它的设计.
C I C 抽取滤波器由移位寄存器、积分器、抽取单元、差分器和补偿因子级联而成.由于C I C 具有非常大的DC 增益，并且不同的抽取率有不同的增益，所以必须使用移位寄存器对输入进行移位操
作，避免数据的溢出.而补偿因子则是对不同抽取率下的幅度进行补偿，使得对于所有的抽取率而言
都具有相同的输出增益[5]
.
C I C 滤波器的模型包括Expand 模块对输入信号进行移位操作，以避免溢出;I ntegraot 和Comb 模块分别实现和级累加器和差分器操作;Mult 模块实现不同抽取率下的幅度补偿,Deci m at or 则实现数据抽取功能.
为了减小C I C 滤波器的折叠噪声，在C I C 滤波器后面跟随一个补偿CF I R 滤波器，对通带滚降进行补偿.C I C 滤波器的一个非常重要的特性就是对应于不同的抽取率R 来说，其通带的幅频特性几乎没有变化.这样可以用一个相同的CF I R 滤波器对具有可变抽取率R 的C I C 滤波器进行补偿.
CF I R 滤波器的主要作用是对通带进行补偿，它对于过渡带的控制和对带外噪声的衰减通常都不能够满足指标的要求，所以需要额外的一级滤波器来满足对整个滤波器性能指标的要求及降低采样速率，这主要由PF I R 滤波器完成.在实际应用中该滤波器主要是由半带滤波器来代替.半带滤波器是F I R 滤波器中的一种特殊类型，主要特征是近
半数系数为0，因此计算量减少一半[6]
.
4 仿真测试
在Matlab 中设计好整个数字下变频系统以
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第6期张 帅等:FPG A 在数字下变频设计中的应用
后，在Si m ulink 环境中进行仿真，通过后使用Math 2Works 与Xilinx 合作开发而成的Syste m Generat or for DSP 软件中的Xilinx T oolsbox 工具箱对其进行量化并自动生成HDL 代码、网表文件，然后编译仿
真，无误后可下载到FPG A 中生成硬件系统[3]
.
在仿真测试中采用采用XC2S200-6P Q208C 芯片作为数字波形发生器，直接产生下变频器能够处理的数字信号.如图4所示.其对应的数字频谱图如图5所示
.
图4 数字波形发生器输出波形图
图5 数字下变频器输出频谱图
5 结束语
该设计采用基于I P Core 的系统设计方法，利
用Matlab 及Syste m Generat or for DSP 工具完成了算法模型直接向FPG A 硬件实现的无缝迁移，实现了一种应用广泛的数字下变频的方案，充分发挥了FPG A 器件处理速度快、实现灵活方便的特性，大大提高了整个系统的性能.
参 考 文 献
[1] Xilinx,V irtex 25FPG A Xtre me DSP Design Considera 2
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[3] Robert o Cristi .现代数字信号处理[M ].徐盛，译.北
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[4] 郑立岗.数字接收机若干技术研究及技术实现[D ].
西安：西安电子科技大学,2004.
[5] 吴伟，唐斌，张鹏.基于多相滤波高效结构的宽带
DDC 及其FPG A 实现[J ].数据采集与处理,2004,19(2):210-214.
[6] 何伟.新型宽带数字接收机[D ].西安：西安电子科
技大学,2004.
Appli ca ti on of FPGA to the desi gn of d i g it a l down converti n g
Z HANG Shuai,Z HONG Zhi 2guo
(School of Physics and E lectronic Eng ineering,N anyang N or m al U n iversity ,N anyang 473061,China )
Abstract:A method of high 2s peed digital down conversi on based on Xilinx V irtex 25FPG A is intr oduced .Syste m 2generat or realized the design and si m ulating of FPG A.Pr ojects based on FPG A will aff ord more stability and more integrati on f or the syste m ,and will reduce the cost and the exp l oitati on ti m e of the syste m.Key words:DDC;FPG A;filter
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