基于FPGA的软件无线电上下变频技术的设计研究
刘兴举
摘要：近年来，科学技术的发展，促使无线电理论及相关技术均得到了十分广泛的应用，且软件无线电在多个领域均受到了关注。将软件无线电应用在移动通信领域当中，是未来通信技术发展的主要趋势。可编程逻辑器件的发展，使FPGA也得到了良好发展，并开始成为电子电路设计的新方向。
关键词：FPGA；软件无线电；数字上变频；数字下变频
软件无线电技术最早应用在军事通信中，由于军用无线设备的发射单元、接受单元等存在现较大差异，具有装备系列多、协同困难的特点，因此很难适应海陆空协同作战的要求。此外，软件无线电在民用无线系统中也得到了十分广泛的应用，通信技术的不断发展，加快了通信系统的换代速度，也有效提高了通信服务质量。软件无线电通信系统组成部分之一是数字信号处理部分，因得到的数字信号速率比较高，运算量难以满足实际要求，因此对数字上下变频技术进行探讨具有重要价值。
1上下变频技术的理论技术及FPGA
1.1信号采样理论
只有以数字技术作为基础，才能确保软件无线电通信技术得以实现。软件无线电技术主要以DAC为载体，将数字部分、模拟部分连接为一体，但是DAC器件的质量、性能等，都会对软件无线电的性能带来很大影响。除此之外，因为软件无线电工作频带比较宽，频率比较频繁的情况下，能够进行多频段采样工作。采样工作完成后，其获得的离散序列要能够准确回复最初的原始模拟信号。因此采样过程中需要严格遵守相关规律，即采样定理。采样定理一般包括2类。（1）是低通采样。其内容是一个连续信号m（t）在（O，fs）频带限制范围内，若实施等间隔采样时，以不小于fs=2f（H）的采样频率进行，则x（t）就能够被已经获得的采样值完全确定。相反，若采样率fs低于2f（H）恢复信号，便容易出现失真现象。软件无线电关于低通采样方法的应用有严格要求，因此，低通采样一般仅用在系统最高频率比较低的情况下，如果采用相关技术将高频转化为低频，就需要在天线和器件之间增设硬件设施，就完全违背了软件无线设计的思想。（2）带通采样。软件无线电要符合低通采样的相关标准，模数转换器的采样频率就应该高于被采样信号最高频率的2倍，目前已有的器件基本上无法满足此要求，由于当前应用的通信信号大部分是带宽在几兆赫兹的带通信号，因此，带通信号在其相关原理的指导下，采样速率也不一定非要是最高频率的2倍，即使采样速率比较低，也能够准确反映带通信号的具体情况。
1.2FPGA概述
现场可编程门列阵FPGA作为可编程逻辑器件，适用性很强，且具有较大灵活性。因为FPGA具有多种优势资源，比如I/O引脚、触发器，能够在很大程度上实现芯片级功能。同时，由于科学技术的发展，生产工艺的进步，也增强了FPGA的兼容性，提高其应用效率。FPGA作为半定制电路，在价格因素影响下，慢慢替代了以往的全定制ASIC，能够实现CPU的所有数字功能。一般情况下，FPGA应用了SRAM生产工艺，器件密度跨度比较大。FPGA的所有可编程资源都分布在芯片当中，能够把I/O模块、可编程逻辑功模块等很好的连接在一起，继而组成具有特殊功能的电路。此外，FPGA具有很多优点，比如数字处理能力强大、低耗能、算法定制理想化、适配接口理想化以及灵活的重配置能力。
2软件无线电上下变频设计与实现
2.1软件无线电上变频设计与实现
数字上变频与下变频是彼此互逆的过程，上变频能够对输入数据进行调制，是软件无线电发射机的重要组成部分，可以通过插值器增强基带信号采样率，并和载波混合。在上变频设计中，选择ADI公司生产的器件AD9826，AD9826是高性能混合信号前端处理器，在无线宽带通信系统当中得到了十分广泛的应用，其发送通道具有良好的性能指标，并且包含可编程增益放大器、内插滤波器、数字滤波器以及数字混频器，此外，还配备了可监视接收信号强度指标，在很大程度上降低了系统结构对重构的要求，因此，AD9826适合应用在高性能、低成本以及低能耗的解决方案之中。在信号上变频当中，利用FPGA的灵活性，可以将FPGA、AD9826两者有机组合在一起，如图l所示，不仅有效降低了FPGA的处理时钟，还节省了资源，降低了能耗。
上变频FPGA要实现，就需要根据相关设计要求编写相应的VerilogHDL程序，并将其下载在FPGA中，从而对AD9826寄存器进行合理配置。处理中频数字时，需要根据寄存器情况满足设计需求，从而更加快速的实现数字上变频，将FPGA、AD9826充分结合在一起并加以利用，不仅可以有效降低FPGA的处理时钟，还能够节省大量的FPGA资源，从而降低系统能耗。
一般来说，ROM越大（从而可表示的相位数越多，幅度值越精确），数控振荡器的频谱也就越纯。但是ROM规模越大就意味着功率消耗大、速度低，成本也就提高了。一个最基本的压缩技术就是利用正弦函数的对称性，只存储P/2的幅值信息，然后根据控制电路按要求寻址和决定极性。在这以后，还有许多方法来压缩这1/4周期的波形信号。不同的方法其压缩率、硬件实现代价和性能都是不尽相同的。这里我们只介绍最简单的利用对称性的压缩方法。利用正弦函数的对称性，可以只需要存储1/4周期的正弦信号幅值。查找表容量的减少需要增加额外的逻辑电路来输出整个周期的波形。k比特的相位信息只用k 2比特来进行ROM寻址，最高的2比特提取出来作为控制信息。第k-l位数据决定所在的相位是一、三象限还是二、四象限，0为一、三象限，1为二、四象限，当相位在二、四象限时对ROM寻址的地址需要进行变换。第k位（MsB）决定输出的正弦幅值的极性，0为正，1为负。
2.2软件无线电下变频设计与实现
数字下变频设计的主要目的是把中频信号逐渐转化为基带信号，并使数据传输速率符合USB2.0的要求，从而把数据传输给计算机，便于计算机进行数据处理操作，使软件无线电的功能得到强化。在此次数字下变频设计方案当中，通过多次抽取混频模块处理后的高速数据，将输入数据速率有效降低为低速数据。数字下变频电路设计，如图2所示。多级滤波下变频模块，如图3所示。其中NC0能够获得数字本振信号，CIC是低通滤波器组的第一级，主要由联积分梳状滤波器组成；HB是低通滤波器组第二级，主要由半带滤波器组成；FIR是冲激响应滤波器，和脉冲响应滤波器是互相匹配的。
数字信号处理技术的发展，使信号处理指标要求也逐渐提高，而信号处理工作量也逐渐增大，用不同采样率进行处理或者转化，可以有效节省存储空间，因此，进行多速率信号处理对系统设计具有重要作用，多速率滤波器主要包括CIC、HB以及FIR等，其主要特征是抽取、插值以及低通滤波，由于CIC、HB的组织结构比较简单，性能好，且可操作性强，因此得到了比较广泛的应用。由于无线通信数据传输率逐渐在增加，而CIC滤波器则得到了十分广泛的应用，因为此滤波器结构比较简单，适合用在采样率比较高的环境下。此外，由于CIC是基于零极点相消的FIR滤波器，能够在插值系统、高速抽取中得到广泛应用。HB模块运算复杂度比较低，部分系数为0，并呈对称性分布，因此其乘法运算次数、加法次数都比较低，能够更好的实现数字信号处理。
3结语
综上所述，通过了解软件无线电上下变频技术的相关理论，能够更好的基于FPGA，设计并实现数字上下变频算法，并有效解决软件无线电变频处理速度问题，从而使软件无线电技术的发展方向得到扩展。数字上变频采用FPGA结合AD9862的解决方案，顺利完成了数字上变频的设计与实现；数字下变频以多级滤波形式完成了设计及实现。
