数字中频的基本原理和FPGA的实现 1．基本原理 数字中频主要分两部分，数字上变频（DUC）和数字下变频(DDC)。它们的主要功能是相反，但原理和实现的方法是十分相似。在R8905项目中由于采用了零中频技术，数字上变频和下变频有一些差别，数字上变频没有了NCO模块。另外为了降低输出信号的峰均比又加入了削峰模块CFR,而CGC模块的引入则是补偿削峰所引起的功率损失。
CPRI接口处理RCF 2倍内插HB2倍内插CFRCGCCIC54倍内插
3.84M7.68M15.36M61.44M
图1 数字上变频模块框图 在数字下变频中RSSI模块是信号的功率检测模块，它配合AGC电路将信号的输出功率稳定在一定范围内。
NCOCIC54倍抽取HB2倍抽取RRCAGC
RSSI61.44M15.36M7.68Mcpri
图2 数字下变频模块框图 在DDC和DUC中主要使用3种滤波器分别是RRC,HB和CIC，它们个自有个自的特点。 RRC滤波器一般来讲阶数比较多，多用于低频处。由于它的阶数比较多，所以可以得到比较锐利的带通特性，但它所用的乘法器比较多。CIC滤波器不需要乘法器，但它的带内不是很平坦，适合用在高频处。而HB滤波器的特性正好在它们之间，它有约一半的系数是0可以讲乘法器的个数减少一半。 削峰模块CFR实际上也是一组滤波器，它的功能是将CDMA信号中的峰值信号减小一些，以减小输出信号的峰均比，使射频功率放大器的效率更高。削峰的模块框图如图3 图3 单级削峰示意图 削峰的原理是这样的一个复信号(I,Q)如果它的模大于某个门限，就将其减去这个门限得到一个复信号(dI,dQ),否则(dI,dQ)＝(0,0)。将(dI,dQ)送到fir滤波器中，fir滤波器是一个低通滤波器将峰值限定在一定的带宽内，防止影响临道。将原信号(I,Q)减去滤波后的信号(fir_i,fir_q)就得到了削峰的值。如果有必要这这样的削峰可以连续做几次，在R8905设计中削峰用了两次。 2． 滤波器的设计 由于在滤波的同时还有内插和抽取，所以充分利用这一特性可以减少FPGA使用的资源。另外滤波器的系数一般都是对称的，可以将头和尾的数相加再乘滤波器的系数，这样可以大大减少乘法器的使用。以R8905中的上变频RRC为例来说明： 设a(n)为RRC滤波器的系数而x(n)为3.84M输入数据则考虑了内插后的滤波器的数学表达式为 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实现的逻辑框图如下 图4 DUC RRC滤波器实现逻辑图 其中使用了4个乘法器和四个RAM以及一个ROM来存数据。RRC_CTR_6144模块控制这些乘法器和ROM。参考代码如下： ////////////////////////////////////////// ////////////////////////////////////////// // Date : Sat Jul 21 10:51:51 2007 // // Author : duan chenghong // // Company : zte // // Description : // RRC滤波器用了4个RAM和4个乘法器完成IQ两路的滤波功能， // I,Q的处理方法完全相同。数据同时写入4个RAM中，但读的地址不// 同，由于RRC滤波器的系数是对称的所以读RAM的地址也是对称的，将地址 // 对称的RAM读出数相加再和RRC滤波器系数相成再累加就可以得到最后的结果 ////////////////////////////////////////// ////////////////////////////////////////// module rrc_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); output [5:0] waddr ; reg [5:0] waddr ; output [5:0] raddr0 ; wire [5:0] raddr0 ; output [5:0] raddr1 ; wire [5:0] raddr1 ; output [5:0] raddr2 ; wire [5:0] raddr2 ; output [5:0] raddr3 ; wire [5:0] raddr3 ; input clk ; wire clk ; input reset ; wire reset ; input data_en ; wire data_en ;
input [31:0] dat0_out ; wire [31:0] dat0_out ; input [31:0] dat1_out ; wire [31:0] dat1_out ; input [31:0] dat2_out ; wire [31:0] dat2_out ; input [31:0] dat3_out ; wire [31:0] dat3_out ; input [31:0] coef ; wire [31:0] coef ; output [3:0] raddr_coef ; wire [3:0] raddr_coef ; output [16:0] ih ; reg [16:0] ih ; output [16:0] il ; reg [16:0] il ; output [16:0] qh ; reg [16:0] qh ; output [16:0] ql ; reg [16:0] ql ; output [15:0] coef_h ; wire [15:0] coef_h ; output [15:0] coef_l ; wire [15:0] coef_l ; input [32:0] mih ; wire [32:0] mih ; input [32:0] mil ; wire [32:0] mil ; input [32:0] mqh ; wire [32:0] mqh ; input [32:0] mql ; wire [32:0] mql ; output [15:0] idat ; reg [15:0] idat ; output [15:0] qdat ; reg [15:0] qdat ; output rrc_en ; reg rrc_en ; assign coef_h=coef[31:16]; assign coef_l=coef[15:0];
reg [3:0] cnt; always@(posedge clk or negedge reset) if(~reset) waddr<=0; else if(data_en) waddr<=waddr+1'b1;
always@(posedge clk or negedge reset) if(~reset) cnt<=0; else if(data_en) cnt<=0; else cnt<=cnt+1'b1;
assign raddr_coef = cnt[3]?cnt-3:cnt-1'b1; //系数的地址 assign raddr0 =cnt[3]?waddr-23+cnt[2:0]:waddr-23+cnt[2:0]-1; assign raddr1 =cnt[3]?waddr-23+cnt[2:0]+6:waddr-23+cnt[2:0]+6-1; assign raddr2 =cnt[3]?waddr-cnt[2:0]-1:waddr-cnt[2:0]-1 ; assign raddr3 =cnt[3]?waddr-cnt[2:0]-6-1:waddr-cnt[2:0]-6-1 ; // 4个RAM的读地址 always@(posedge clk or negedge reset) if(~reset) ih<=0; else ih<={dat0_out[31],dat0_out[31:16]}+{dat2_out[31],dat2_out[31:16]};
always@(posedge clk or negedge reset) if(~reset) il<=0; else il<={dat1_out[31],dat1_out[31:16]}+{dat3_out[31],dat3_out[31:16]};
always@(posedge clk or negedge reset) if(~reset) qh<=0; else qh<={dat0_out[15],dat0_out[15:0]}+{dat2_out[15],dat2_out[15:0]};
always@(posedge clk or negedge reset) if(~reset) ql<=0; else ql<={dat1_out[15],dat1_out[15:0]}+{dat3_out[15],dat3_out[15:0]}; //为防止相加溢出，补一位
wire [35:0] ex_mih,ex_mil,ex_mqh,ex_mql; assign ex_mih=mih[32]? {3'b111,mih}:{3'b000,mih}; assign ex_mil=mil[32]? {3'b111,mil}:{3'b000,mil}; assign ex_mqh=mqh[32]? {3'b111,mqh}:{3'b000,mqh}; assign ex_mql=mql[32]? {3'b111,mql}:{3'b000,mql}; //为防止累加溢出，补3位