数字中频与fpga

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1、数字中频与FPGA2007-09-2709:04:23  作者：王水吴继华  来源：EDNChina  浏览次数：489  关键字：基带采样频谱信号数字中频所谓中频，顾名思义，是指一种中间频率的信号形式。中频是相对于基带信号和射频信号来讲的，中频可以有一级或多级，它是基带和射频之间过渡的桥梁。如图1所示，中频部分用数字方式来实现就称之为数字中频。数字中频技术通常包括上下变频（DUC/DDC）、波峰因子衰减（CFR）和数字预失真（DPD）。DUC/DDCDUC实现了从“复”基带（Baseband）信号到“实”带通（Passband

2、）信号的转换。输入的复基带信号采样率相对较低，通常是数字调制的符号率。基带信号经过滤波，然后被转换成一个更高的采样率，从而调制到NCO的中频载波频率。DUC通常需要完成频谱整型（Pulseshaping），然后调制到中频载波，以便于经由DAC驱动后面的模拟转换器。在图2中，通道滤波器（ChannelFilter）完成基带信号的频谱整型，通常由FIR实现。插值（Interpolation）部分完成信号采样率变换和滤波功能，可以采用CIC或者FIR实现。对于一个窄带信号，如果需要高倍采样率变换，那么CIC将是非常合适的，无论是在实现

3、性能或是资源节省方面，CIC都将优于FIR。NCO是一个数控振荡器，也叫DDS，可以用来产生一对相互正交的正弦和余弦载波信号，与插值（增加采样率）以后的基带信号混频，完成频谱上搬。与DUC相反，DDC基本上完成了以下几个工作：1.频谱下搬：将ADC送来的数字信号有用频谱，从中频搬移到基带2.采样率降低：将频谱搬移后的数据从ADC的高速采样率降低到一个合适的采样速率水平，通过抽取（Decimation）实现。3.通道滤波：在将I/Q信号送入基带处理以前，需要再对其进行滤波实际上，数字上下变频技术应用非常广泛，其在无线通信、有线电视

4、网络（CableModem）、数字电视广播（DVB）、医学成像设备（超声），以及军事领域当中，都是不可或缺的功能。CFR目前许多无线通信系统，如WCDMA、WiMAX，其中频信号通常由多个独立的基带信号相加而成。合成的中频信号有较大的峰均比（Peak-to-AverageRatio），并符合高斯分布。而通常功放（PA）的线性区是有限的，较大PAR的中频信号对应的PA的工作范围将被缩小，从而引起PA效率的降低。因此在PA之前减小中频信号的PAR是非常重要的。波峰因子衰减（CFR）正是用来完成这一功能的，它将有利于保证PA输出的线性

5、度，降低带外辐射，提高PA效率。目前，中频采用的CFR算法有：波峰箝位(Clip)，波峰修整（PeakWindowing）和波峰消减（PeakCancellation）。其中波峰修整方式的性能和可实现性都较为适中。波峰消减相对于波峰修整有较好的带外特性,但需消耗更多的FPGA资源。DPD在无线通信系统中，往往需要PA的输出具有很高的线性度以满足空中接口标准的苛刻要求，而线性功放又非常昂贵。为了尽可能提升PA的输出效率和降低成本，必须校正PA的非线性特性，而对PA的输入信号进行预失真处理是一个不错的选择。DPD实现方式分为查找表（

6、LUT）和多项式（Polynomial）两类。两种算法的优缺点如表1所示。FPGA实现优势FPGA实现数字中频随着WiMAX/LTE等宽带无线通信技术的逐渐成熟，对无线设备数字中频带宽的要求也越来越高。同时如MIMO等多天线技术日渐广泛应用，数字中频的通道数也在迅速增加。对于如此大的运算带宽需求，许多DSP处理器难以满足实际应用，而专用芯片（ASSP）又缺乏相应的灵活性。采用FPGA实现数字中频，能够很好的协调处理能力和灵活性之间的矛盾。同时Altera公司针对3G/4G等应用开发了大量的数字中频参考设计和IP，简化了设计者的开

7、发难度，缩短了设计周期。FPGA器件属于硬件，它的特点是比较适合速度较高、逻辑关系不复杂的数据通路实现。通过我们对前面DDC和DUC功能的分析，我们发现实现DDC/DUC的模块和运算主要有CIC/FIR滤波、NCO、插值/抽取、混频。这些基本上属于算法简单、但计算速度较高的处理，非常适合于FPGA的实现。从另一个角度讲，FPGA相比DSP处理器的优势是并行构架。一个DDC/DUC模块完成以后，只要做简单的复制，就可以扩展到多路DDC/DUC。同时，一个ADC/DAC器件可以连接多个通道的DDC/DUC，从而可以轻松支持多载波（M

8、ulti-carrier）系统。而有时候FPGA内部的资源有限，多路DDC/DUC甚至可以做时分复用，公用一块DDC/DUC的电路，当然电路工作时钟也需要提高相应的倍数，只要在该FPGA性能允许范围以内就可以了。Altera拥有支持包括WCDMA，TD-SCDM