什么是數(shù)字中頻？FPGA怎么實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻？

數(shù)字中頻

所謂中頻，顧名思義，是指一種中間頻率的信號(hào)形式。中頻是相對(duì)于基帶信號(hào)和射頻信號(hào)來講的，中頻可以有一級(jí)或多級(jí)，它是基帶和射頻之間過渡的橋梁。

如圖1所示，中頻部分用數(shù)字方式來實(shí)現(xiàn)就稱之為數(shù)字中頻。數(shù)字中頻技術(shù)通常包括上下變頻（DUC/DDC）、波峰因子衰減（CFR）和數(shù)字預(yù)失真（DPD）。

DUC/DDC

DUC實(shí)現(xiàn)了從“復(fù)”基帶（Baseband）信號(hào)到“實(shí)”帶通（Pas***and）信號(hào)的轉(zhuǎn)換。輸入的復(fù)基帶信號(hào)采樣率相對(duì)較低，通常是數(shù)字調(diào)制的符號(hào)率?；鶐盘?hào)經(jīng)過濾波，然后被轉(zhuǎn)換成一個(gè)更高的采樣率，從而調(diào)制到NCO的中頻載波頻率。

DUC通常需要完成頻譜整型（Pulse shaping），然后調(diào)制到中頻載波，以便于經(jīng)由DAC驅(qū)動(dòng)后面的模擬轉(zhuǎn)換器。

在圖2中，通道濾波器（Channel Filter）完成基帶信號(hào)的頻譜整型，通常由FIR實(shí)現(xiàn)。插值（Interpolation）部分完成信號(hào)采樣率變換和濾波功能，可以采用CIC或者FIR實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一個(gè)窄帶信號(hào)，如果需要高倍采樣率變換，那么CIC將是非常合適的，無論是在實(shí)現(xiàn)性能或是資源節(jié)省方面，CIC都將優(yōu)于FIR。

NCO是一個(gè)數(shù)控振蕩器，也叫DDS，可以用來產(chǎn)生一對(duì)相互正交的正弦和余弦載波信號(hào)，與插值（增加采樣率）以后的基帶信號(hào)混頻，完成頻譜上搬。

與DUC相反，DDC基本上完成了以下幾個(gè)工作：

1. 頻譜下搬：將ADC送來的數(shù)字信號(hào)有用頻譜，從中頻搬移到基帶

2. 采樣率降低：將頻譜搬移后的數(shù)據(jù)從ADC的高速采樣率降低到一個(gè)合適的采樣速率水平，通過抽?。―ecimation）實(shí)現(xiàn)。

3. 通道濾波：在將I/Q信號(hào)送入基帶處理以前，需要再對(duì)其進(jìn)行濾波

實(shí)際上，數(shù)字上下變頻技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，其在無線通信、有線電視網(wǎng)絡(luò)（Cable Modem）、數(shù)字電視廣播（DVB）、醫(yī)學(xué)成像設(shè)備（超聲），以及軍事領(lǐng)域當(dāng)中，都是不可或缺的功能。

CFR

目前許多無線通信系統(tǒng)，如WCDMA、WiMAX，其中頻信號(hào)通常由多個(gè)獨(dú)立的基帶信號(hào)相加而成。合成的中頻信號(hào)有較大的峰均比（Peak-to-Average Ratio），并符合高斯分布。而通常功放（PA）的線性區(qū)是有限的，較大PAR的中頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的PA的工作范圍將被縮小，從而引起PA效率的降低。因此在PA之前減小中頻信號(hào)的PAR是非常重要的。波峰因子衰減（CFR）正是用來完成這一功能的，它將有利于保證PA輸出的線性度，降低帶外輻射，提高PA效率。

目前，中頻采用的CFR算法有：波峰箝位（Clip），波峰修整（Peak Windowing）和波峰消減（Peak Cancellation）。其中波峰修整方式的性能和可實(shí)現(xiàn)性都較為適中。波峰消減相對(duì)于波峰修整有較好的帶外特性，但需消耗更多的FPGA資源。

DPD

在無線通信系統(tǒng)中，往往需要PA的輸出具有很高的線性度以滿足空中接口標(biāo)準(zhǔn)的苛刻要求，而線性功放又非常昂貴。為了盡可能提升PA的輸出效率和降低成本，必須校正PA的非線性特性，而對(duì)PA的輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

DPD實(shí)現(xiàn)方式分為查找表（LUT）和多項(xiàng)式（Polynomial）兩類。兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

FPGA實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)

FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻

隨著WiMAX/LTE等寬帶無線通信技術(shù)的逐漸成熟，對(duì)無線設(shè)備數(shù)字中頻帶寬的要求也越來越高。同時(shí)如MIMO等多天線技術(shù)日漸廣泛應(yīng)用，數(shù)字中頻的通道數(shù)也在迅速增加。

對(duì)于如此大的運(yùn)算帶寬需求，許多DSP處理器難以滿足實(shí)際應(yīng)用，而專用芯片（ASSP）又缺乏相應(yīng)的靈活性。采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻，能夠很好的協(xié)調(diào)處理能力和靈活性之間的矛盾。同時(shí)Altera公司針對(duì)3G/4G等應(yīng)用開發(fā)了大量的數(shù)字中頻參考設(shè)計(jì)和IP，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)者的開發(fā)難度，縮短了設(shè)計(jì)周期。

FPGA器件屬于硬件，它的特點(diǎn)是比較適合速度較高、邏輯關(guān)系不復(fù)雜的數(shù)據(jù)通路實(shí)現(xiàn)。

通過我們對(duì)前面DDC和DUC功能的分析，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)DDC/DUC的模塊和運(yùn)算主要有CIC/FIR濾波、NCO、插值/抽取、混頻。這些基本上屬于算法簡(jiǎn)單、但計(jì)算速度較高的處理，非常適合于FPGA的實(shí)現(xiàn)。

從另一個(gè)角度講，F(xiàn)PGA相比DSP處理器的優(yōu)勢(shì)是并行構(gòu)架。一個(gè)DDC/DUC模塊完成以后，只要做簡(jiǎn)單的復(fù)制，就可以擴(kuò)展到多路DDC/DUC。同時(shí)，一個(gè)ADC/DAC器件可以連接多個(gè)通道的DDC/DUC，從而可以輕松支持多載波（Multi-carrier）系統(tǒng)。

而有時(shí)候FPGA內(nèi)部的資源有限，多路DDC/DUC甚至可以做時(shí)分復(fù)用，公用一塊DDC/DUC的電路，當(dāng)然電路工作時(shí)鐘也需要提高相應(yīng)的倍數(shù)，只要在該FPGA性能允許范圍以內(nèi)就可以了。Altera擁有支持包括WCDM A，TD-SCDMA，和WiMAX的參考設(shè)計(jì)。

CFR電路的計(jì)算量較大，例如TD-SCDMA，采樣率從61.44MHz～92.16MHz，基于FPGA的并行處理可以輕松完成。

多項(xiàng)式DPD分為前向和反向模塊，前向模塊為預(yù)失真器，由多個(gè)FIR濾波器組成，非常適合硬件FPGA實(shí)現(xiàn)，Altera的IP核可以提供完善的FIR支持。反向模塊為特定的收斂算法，如LMS、RLS，Altera都可以提供相應(yīng)的參考設(shè)計(jì)。其中，對(duì)于RLS，Altera的參考設(shè)計(jì)采用QR分解方式，縮短了收斂時(shí)間，提高了算法的穩(wěn)定性。

Altera提供的資源

Altera公司除了在器件設(shè)計(jì)上考慮了數(shù)字中頻應(yīng)用的實(shí)際情況外，也在IP核、控制粘合邏輯、接口邏輯、設(shè)計(jì)工具和流程，以及參考設(shè)計(jì)方面做了大量的工作。

在FPGA器件資源上，Altera最新的Cyclone和Stratix系列在內(nèi)嵌存儲(chǔ)器和乘累加模塊方面，無論是數(shù)量還是速度都有較大程度的提高。

在DSP的IP核組件方面，Altera能提供包括FIR，NCO，CIC，CORDIC等功能組件。為了方便用戶的系統(tǒng)集成，同時(shí)還提供了用于這些模塊之間互聯(lián)的統(tǒng)一接口：Avalon Streaming（Avalon-ST）接口。另外，為了多通道的復(fù)用和解復(fù)用，Altera還設(shè)計(jì)了Avalon-ST接口的包格式轉(zhuǎn)換器（Packet Format Converter），用于將輸入的單個(gè)或多個(gè)Avalon-ST通道與輸出的單個(gè)或多個(gè)Avalon-ST通道提供時(shí)間和空間接口，用于多通道的復(fù)用與解復(fù)用。

在一些需要靈活性的領(lǐng)域，比如DPD，Altera的Nios II嵌入式處理器正好可以發(fā)揮功用，例如，在DPD的反饋路徑上，它可以幫助用戶靈活增加自己的插值例程。Nios II嵌入式處理器還可幫助系統(tǒng)做一些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、參數(shù)重配以及其它管理工作。

在設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具和流程方面，Altera力推MATLAB/Simulink＋DSP Builder＋Quartus II的一體化設(shè)計(jì)流程。如圖3所示。

同時(shí)Simulink還可以集成ModelSim和FPGA內(nèi)嵌邏輯分析儀SignalTap-II來協(xié)助用戶做功能仿真、調(diào)試。另外，硬件在環(huán)（Hardware In Loop）功能方面可以幫助用戶在實(shí)際硬件上驗(yàn)證設(shè)計(jì)算法，同時(shí)也加速了驗(yàn)證的速度。