多天线多载波的数字上下变频的FPGA实现

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数字上变频/下变频（DUC/DDC）是数字中频设计的重要组成部分，其功能是将基带信号经过内插滤波后变到中频的频率，或者将中频的信号经过抽取滤波后降到基带的频率上。本文的主要目的就是介绍多天线多载波数字上下变频的FPGA实现方法，以及Altera提供的一种数字信号处理的工具，DSP BUILDER。
         
        DUC/DDC的实现架构
        　　以TD-SCDMA的DUC/DDC为例，基带频率1.28MHz, 4天线9载波，60倍上变频，30倍下变频的情况下，DUC的架构如图1所示

       
        　　图1，DUC的架构图。

         

        　 　首先4天线9载波，每个载波分IQ两路，一共4×9×2=72个通道，这72个通道的数据先由duc_input_mux模块复合到一路上，输入到 duc_rrc_filter上，做2倍内插以及根升余弦滤波，这是一个121阶的滤波器；输出结果分成4路，分别送到4个int5_filter（61 阶）模块中，做5倍内插及补偿滤波；这4个滤波器的输出再被分成24路，送进int6_filter（41阶）模块中，做6倍内插及滤波；其结果进入混频 模块mixer，与NCO产生的中频信号混频后作为最终结果输出。

       
        　　图2 ，DDC的架构如图

         

        　 　DDC的架构如图2所示，对DDC而言，入口是4个天线下来的数据，经过混频器区分到不同频点上，再由抽取滤波器dec5_filter（41阶）做5 倍抽取以及滤波；结果复合到3路上，由3个dec3_filter（61阶）做3倍抽取滤波；最后由ddc_rrc_filter（121阶）做两倍抽取 以及滤波。
         
        　我们可以看出，对DUC/DDC而言，主要模块是FIR滤波器、混频器、以及数控振荡器NCO，复用解复用逻辑占用的资源非常小。滤波器占用了大 部分资源，包括查找表、寄存器、RAM、乘法器。因此优化滤波器设计，以节省资源，用尽量小规模的FPGA实现更多通道的数字上下变频，成为主要的实现难 度。
         
        DSP-BUILDER简介
        　　DSP-BUILDER是Altera Corporation的一种设计工具，可以把它看作MATLAB SIMULINK和FPGA实现软件QUARTUS II之间的一个桥梁。简单来说，在SIMULINK环境下，调用DSP-BUILDER提供的库元件，搭建的这么一个数学模型系统，不仅可以在 MATLAB中仿真，还能直接生成一个ALTERA FPGA的工程，综合布局布线后上硬件验证。这里有一点是要强调的，只能调用DSP-BUILDER中的库元件才能生成一个可以综合实现的工程。
         
        　　1、 DSP-BUILDER8.0以后的版本，提供了一个新的ADVANCED BLOCK的特性，用这个新特性产生的FIR滤波器，较之以往的版本，在资源优化方面有了巨大的改进。
         
        　　2、 自动插入流水。只需要设置好相应参数，如时钟频率，目标器件，复用倍数等，它会在使用尽量少的资源并且满足时序的情况下，自动判断是否加入PIPELINE。
         
        　　3、 系统层面的设计。它生成的所有模块，包括FIR滤波器，都有一组系统接口，可以通过不同地址对内部寄存器，如系数等，进行访问。
         
        　　4、 自动实现资源复用。在时钟复用关系确定后，它能自动实现资源复用，使设计者从繁琐的优化工作中解放出来，专注于系统层面的设计。
        　　整个设计的FPGA实现的资源以及功耗
        　 　这个4天线9载波的设计在Altera Corporation 的3SE80F1152I3上实现，工作频率为180倍基带速率时钟，即230MHz。内核静态功耗为734.58mW，内核动态功耗为 2705.63mW，IO功耗为236.82mW，全部功耗加起来为3677.04mW。
        　　3SE80是ALTERA CORPORATION的65nm产品STRATIX III中的一款。这一系列产品在设计过程中考虑了很多功耗优化的因素，因此功耗特性比较好。比如内核电压，它是0.9V/1.1V可选，上述设计用的是 1.1V电压，如果用0.9V的话，功耗还可以再降低30%。但有一点需要客户注意，使用0.9V电压的话，整个设计的时序会降低15%左右。