數(shù)字中頻的基本原理和FPGA的實(shí)現(xiàn)

1、數(shù)字中頻的基本原理和FPGA的實(shí)現(xiàn)1基本原理數(shù)字中頻主要分兩部分，數(shù)字上變頻(DUC)和數(shù)字下變頻(DDC)。它們的主要功能是相反，但原理和實(shí)現(xiàn)的方法是十分相似。在R8905項(xiàng)目中由于采用了零中頻技術(shù)，數(shù)字上變頻和下變頻有一些差別，數(shù)字上變頻沒有了NCO模塊。另外為了降低輸出信號(hào)的峰均比又加入了削峰模塊CFR，而CGC模塊的引入則是補(bǔ)償削峰所引起的功率損失。CPRI接RCFCFRkHBCIC5口處理2倍內(nèi)插2倍內(nèi)插4倍內(nèi)插r3.84M7.68M115.36M1r61.44MCGC圖1數(shù)字上變頻模塊框圖在數(shù)字下變頻中RSSI模塊是信號(hào)的功率檢測模塊，它配合AGC電路將信號(hào)的輸出功率穩(wěn)定在一定范圍

2、內(nèi)。圖2數(shù)字下變頻模塊框圖在DDC和DUC中主要使用3種濾波器分別是RRC,HB和CIC,它們個(gè)自有個(gè)自的特點(diǎn)。RRC濾波器一般來講階數(shù)比較多，多用于低頻處。由于它的階數(shù)比較多，所以可以得到比較銳利的帶通特性，但它所用的乘法器比較多。CIC濾波器不需要乘法器，但它的帶內(nèi)不是很平坦，適合用在高頻處。而HB濾波器的特性正好在它們之間，它有約一半的系數(shù)是0可以講乘法器的個(gè)數(shù)減少一半。削峰模塊CFR實(shí)際上也是一組濾波器，它的功能是將CDMA信號(hào)中的峰值信號(hào)減小一些，以減小輸出信號(hào)的峰均比，使射頻功率放大器的效率更高。削峰的模塊框圖如圖3d=Ja；/I吃de3/Q15:Ciq_enwddI4掃刖卄主1刖

3、_2OFF：ICFRJ|15:0CFRaCFRQ-5OczmzGrr=etq_3-irjfafirj15:C，肝.firadl-5I：rWdd圖3單級(jí)削峰削峰的原理是這樣的一個(gè)復(fù)信號(hào)(I,Q)如果它的模大于某個(gè)門限,就將其減去這個(gè)門限得到一個(gè)復(fù)信號(hào)(dI,dQ),否則(dI,dQ)=(0,0)。將(dI,dQ)送到fir濾波器中，fir濾波器是一個(gè)低通濾波器將峰值限定在一定的帶寬內(nèi)，防止影響臨道。將原信號(hào)(I,Q)減去濾波后的信號(hào)(fir_i,fir_q)就得到了削峰的值。如果有必要這這樣的削峰可以連續(xù)做幾次,在R8905設(shè)計(jì)中削峰用了兩次。2濾波器的設(shè)計(jì)由于在濾波的同時(shí)還有內(nèi)插和抽取，所以充

4、分利用這一特性可以減少FPGA使用的資源。另外濾波器的系數(shù)一般都是對(duì)稱的，可以將頭和尾的數(shù)相加再乘濾波器的系數(shù)，這樣可以大大減少乘法器的使用。以R8905中的上變頻RRC為例來說明：設(shè)a(n)為RRC濾波器的系數(shù)而x(n)為3.84M輸入數(shù)據(jù)則考慮了內(nèi)插后的濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為示意圖y=a(0)*x(n)+a(1)*0+a(2)*x(n-1)+a(n-1)*0+a(0)*x(0)=a(0)*(x(n)+x(0)+a(2)*(x(n-1)+x(1)其FPGA實(shí)現(xiàn)的邏輯框圖如下I1ra:：-口rra:2w：i：rIrac：-3scJf1rac：-2rsi：-5:I|也1cc-rO.一卜出Cf:a=

5、aiI:_商:dr|?:：|I_kH玄Ih,./.I圖4DUCRR其中使用了4個(gè)乘法器和四個(gè)RA制這些乘法器和ROM。參考代碼如下/W_:出1疔/_k/Date/Author/Company/Description:/將地址/到最后的結(jié)果/C濾波器實(shí)現(xiàn)邏輯圖戈及一個(gè)ROM來存數(shù)據(jù)。$RC_CTR_宀:口LI可山汴n.tm:R_6144模塊控:SatJul卩110:5卜512007rc_cr_ti+:duanchenghong_”ttdI|15：IIIIi1iTTil|ZZ：|:zteRRC濾波器用了4個(gè)RAM和4個(gè)乘法器完成IQ兩路的濾波功能，I,Q的處理方法完全相同。數(shù)據(jù)同時(shí)寫入4個(gè)RAM中

6、，但讀的地址不同，由于RRC濾波器的系數(shù)是對(duì)稱的所以讀RAM的地址也是對(duì)稱的,陀型+注對(duì)稱的RAM讀出數(shù)相加再和RRC濾波器系數(shù)相成再累加就可以得/modulerrc_ctr_6144(waddr,raddr0,raddr1,raddr2,raddr3,clk,reset,data_en,dat0_out,dat1_out,dat2_out,dat3_out,coef,raddr_coef,ih,il,qh,ql,coef_h,coef_l,mih,mil,mqh,mql,idat,qdat,rrc_en);output5:0waddr;reg5:0waddr;output5:0raddr0;

7、wire5:0raddr0;output5:0raddr1;wire5:0raddr1;output5:0raddr2;wire5:0raddr2;output5:0raddr3;wire5:0raddr3;inputclk;wireclk;inputreset;wirereset;inputdata_en;wiredata_en;input31:0dat0_out;wire31:0dat0_out;input31:0dat1_out;wire31:0dat1_out;input31:0dat2_out;wire31:0dat2_out;input31:0dat3_out;wire31:0da

8、t3_out;input31:0coef;wire31:0coef;output3:0raddr_coef;wire3:0raddr_coef;output16:0ih;reg16:0ih;output16:0il;reg16:0il;output16:0qh;reg16:0qh;output16:0ql;reg16:0ql;output15:0coef_h;wire15:0coef_h;output15:0coef_l;wire15:0coef_l;input32:0mih;wire32:0mih;input32:0mil;wire32:0mil;input32:0mqh;wire32:0m

9、qh;input32:0mql;wire32:0mql;output15:0idat;reg15:0idat;output15:0qdat;reg15:0qdat;outputrrc_en;regrrc_en;assigncoef_h=coef31:16;assigncoef_l=coef15:0;reg3:0cnt;always(posedgeclkornegedgereset)if(reset)waddr=0;elseif(data_en)waddr=waddr+1b1;always(posedgeclkornegedgereset)if(reset)cnt=0;elseif(data_e

10、n)cnt=0;elsecnt=cnt+1b1;assignraddr_coef=cnt3?cnt-3:cnt-1b1;/系數(shù)的地址assignraddr0=cnt3?waddr-23+cnt2:0:waddr-23+cnt2:0-1;assignraddr1=cnt3?waddr-23+cnt2:0+6:waddr-23+cnt2:0+6-1;assignraddr2=cnt3?waddr-cnt2:0-1:waddr-cnt2:0-1;assignraddr3=cnt3?waddr-cnt2:0-6-1:waddr-cnt2:0-6-1;/4個(gè)RAM的讀地址always(posedgecl

11、kornegedgereset)if(reset)ih=0;elseih=dat0_out31,dat0_out31:16+dat2_out31,dat2_out31:16;always(posedgeclkornegedgereset)if(reset)il=0;elseil=dat1_out31,dat1_out31:16+dat3_out31,dat3_out31:16;always(posedgeclkornegedgereset)if(reset)qh=0;elseqh=dat0_out15,dat0_out15:0+dat2_out15,dat2_out15:0;always(po

12、sedgeclkornegedgereset)if(reset)ql=0;elseql=dat1_out15,dat1_out15:0+dat3_out15,dat3_out15:0;/為防止相加溢出，補(bǔ)一位wire35:0ex_mih,ex_mil,ex_mqh,ex_mql;assignex_mih=mih32?3b111,mih:3b000,mih;assignex_mil=mil32?3b111,mil:3b000,mil;assignex_mqh=mqh32?3b111,mqh:3b000,mqh;assignex_mql=mql32?3b111,mql:3b000,mql;/為防止

13、累加溢出，補(bǔ)3位reg35:0sum_ih,sum_il,sum_qh,sum_ql;always(posedgeclkornegedgereset)if(reset)sum_ih=0;elseif(cnt2:0=3b001)sum_ih=0;elsesum_ih=sum_ih+ex_mih;always(posedgeclkornegedgereset)if(reset)sum_il=0;elseif(cnt2:0=3b001)sum_il=0;elsesum_il=sum_il+ex_mil;always(posedgeclkornegedgereset)if(reset)sum_qh=0

14、;elseif(cnt2:0=3b001)sum_qh=0;elsesum_qh=sum_qh+ex_mqh;always(posedgeclkornegedgereset)if(reset)sum_ql=0;elseif(cnt2:0=3b001)sum_ql=0;elsesum_ql=sum_ql+ex_mql;always(posedgeclkornegedgereset)if(reset)rrc_en=0;elseif(cnt2:0=3b000)rrc_en=1b1;elserrc_en=0;/產(chǎn)生RRC濾波器輸出數(shù)據(jù)使能信號(hào)always(posedgeclkornegedgerese

15、t)if(reset)idat=0;elseif(cnt2:0=3b000)idat13)+1b1)1;always(posedgeclkornegedgereset)if(reset)qdat=0;elseif(cnt2:0=3b000)qdat13)+1b1)1;/產(chǎn)生I,Q兩路數(shù)據(jù)并對(duì)末位進(jìn)行四舍五入endmodule如果是半帶濾波器，考慮到內(nèi)插在奇數(shù)拍時(shí)有y=a(0)*x(n)+0*0+a(2)*x(n-1)+0*0+a(0)*x(0)=a(0)*(x(n)+x(0)+a(2)*(x(n-1)+x(1)而在偶數(shù)拍有y=a(0)*0+0*x(n-1)+a(2)*0+a(m)x(m)+0.

16、+0;及只有中間項(xiàng)有數(shù)，其他各項(xiàng)不是系數(shù)為0，就是數(shù)據(jù)為0，且中間項(xiàng)的系數(shù)一般是0.5,利用這一點(diǎn)可以減少FPGA的資源。HB濾波器的設(shè)計(jì)和RRC十分相似，如下圖血1|：匚.：|-t|ic：i_-Lczlcerl-fftilI:I：壬I1bELnii|1已匚SLnii：|1E:CS.：.：r1:=:ef：15：i|I1ffiC|nui；ami呼片rt-Jl3=：15md-ttr5C5c;ingip?iqi_IKU：77：i/:KsJldim：ir3旳(Ll1:h-r(cbti_a(jjlaM5：|ih:lirm:4i：ijElJSF：f11jalJjj：-在CI3設(shè)計(jì)圖6cic濾波器設(shè)計(jì)框圖主

17、意的是d1,c1k模塊J，它只是為了調(diào)整時(shí)序。對(duì)時(shí)序要求的滿足：代碼設(shè)計(jì)后除了要保證仿C濾波器中需要注ise:1可以,”“確同時(shí)也要保證電路的時(shí)吋能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。從圖；看到信號(hào)的頻率隨著每一次內(nèi)插而變高二那各個(gè)濾波器的工作時(shí)鐘是不是也要逐步提高呢？實(shí)際上比較好的方法是時(shí)鐘始終工作在最高頻率pi.44m上而用使能個(gè)使能，而當(dāng)速率是7.68M時(shí)信號(hào)來標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)的速率是3.84M就每8個(gè)61.44M時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)使能。這樣整個(gè)DUC電路只有一個(gè)時(shí)鐘，便于時(shí)鐘的時(shí)序分析。如果我們使用Xilinx的ISE進(jìn)行編譯，建議綜合工具使用synplifyPro而不要使用ISE本身的XST。選用synpl

18、ifyPro的方法如圖7嚴(yán)FKA囹込|上二山匸H曲計(jì)9阿曲乎E：iir:X時(shí)就每16個(gè)61.44M時(shí)鐘產(chǎn)生U=Lc?Htf2詁囲唱托刊*|=VSjnr:esfor：Sjr.tbeiiI_ijltr=o:=tL:ifflr:i_ddE礙覽-*zll】11_EW_：:Z:4dip11_Mr址J:*i陽:+J?寫hHp.加iscy11O(ZAEpOCfl?7Lt7：rs：inirfcfDi:sE：Y：iiwhHoc.1tsst=iesFifi7|:pn_iD：=r:=ice-ou_LDi=r:=:e_test：?(7|ilJ;ccne!r_fr=ie-cl_r=cair_frsfeI.L_-7|d_

19、i)i_Loi=ri=:e_)p:L-ul_jr:_i:j勺匚少l西上耳-王-觸也勺匚少血遼；-沖:：-正辰勺匚少Id上上口-r:MJ王-觸也勺匚少血遼；-沖:-正辰勺匚少Id上上-r:MJ王-觸也習(xí)匚少辰上二-沖:：-正辰UEProcessProperties昨17Uptiar.;HL時(shí)話Deiic)fticc.:TrijEr+ylac時(shí)二:匚m.tFileJ：rs弐orjfC-SgL:f4riwFroc=ss=sPrjct=se=：二洋火TifSoiree-ghevD郎igr.血147IesleilriilitEs壬眷1=ht:曲iiiintsQ聲沖加:甘測iE兀諭:沁E:圖7p:在ISE

20、中選用在-ISE的集成環(huán)境中有兩個(gè)地和iSE的UCF約束文件。sdc鞏述厲叱EEl：_synplifyPro方可以對(duì)時(shí)鐘進(jìn)彳ConstiaintFileOptionshEFiletozrojsc:旦亍約束，分別是synplifyPro的sdc約束文件文件主要通過改變代碼生成的電路來提高速度，而UCF通過布局布線來提高速度，另外用面積約束的方法把相關(guān)模塊放在一起減少布線延時(shí)也可以提高速度。點(diǎn)擊synplify界面中紅線圈定的圖標(biāo)可以編輯時(shí)鐘約束文件。圖8synplify中加約束文件同樣在ISE中也要加約束文件rocesses:CreeBewSoui-ce-ViewIlesignSuirim：ry

21、DesietliesewSj-mtheeleEepurt_FrocessestE:E:l=lHds:izi0口0口口Stauted:LaurichiirigDesigriSi-uwiauypp-圖9在ISE中加約束文件在ISE中可以添加時(shí)序約束和面積約束來提高時(shí)序。添加約束的時(shí)候可以加入一些過約束，如果你希望時(shí)鐘可以跑到1Ons，可以將約束設(shè)為89ns。但無論如何良好的代碼設(shè)計(jì)是電路時(shí)序的根本保證。如果時(shí)序不能滿足，ISE的時(shí)序分析工具可以幫助你指出最長延時(shí)的路徑，點(diǎn)擊如圖10所示分析關(guān)鍵可以看到關(guān)鍵路徑。4&RoutePlaceSlEontEReportdockRegi.cinRejiort

22、AsT-TLCpLi-ijnonEDelayJieportFad.EeportG口ideReeuItwReportFilFFRResuitsU+ili+iezmteFustFlaceftRouteStaticTimingeFost-IlacebEoutmtaticTiniincFrimetime恥tlietVleEiitFlacedDeeietl(Floorpl：=ltitlerView/EiitRoutedDesign(FFGAEditor)圖10ISE時(shí)序分析工具ISE的時(shí)序分析工具清楚的告訴你那條路徑時(shí)序有問題，如圖11所示NF：|llesiigesiriir.g工？trmintmrS_j.cu_5：n_clk=7ERICDTS_:nc_lecoverO_:11=TS_ix_fp|a_6ln4.4_zli=PERIO巧