原创 数字中频处理FPGA实现

4通道数字下变频-> CIC抽取滤波器-> FIR滤波器-> CIC插值滤波器->数字上变频<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

1．数字下变频

NCO采用ALTERA的IP核，NCO的设置如下：

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图 NCO IPcore设置

NCO IPcore在ModelSim中仿真如下：

图 在ModelSim中进行NCO IPcore仿真

2．数字下变频+CIC 64倍抽取模块

通道1 NCO中频设为28.8MHz，通道2 NCO中频设为26.88MHz，NCO输出位宽16bit，通道信号输入ch_in位宽16bit，I&Q信号按如下公式产生：

I = ch_in * cos(wt)

Q = ch_in * sin(wt)

       乘法器位宽为32bit，I&Q信号为16bit，截取乘法器输出的[30:15]。

为仿真方便，输入设为一常量：32767。

主时钟频率为122.88MHz，CIC滤波抽取后数据速率为1.92MHz，抽取倍数为64，级数4，每级延迟1。输入数据位宽16bit，内部位宽为[40 40 40 40 40 40 40 40]，输出位宽为16bit，截取[39:24]。CIC抽取在QUARUTS中的仿真图如下：

图 CIC抽取滤波器QUARTUS仿真图

    CIC抽取滤波器在MATLAB中仿真如下：

图 通道1 CIC抽取滤波器MATLAB仿真图

图 通道2 CIC抽取滤波器MATLAB仿真图

    结论：经数据对比，结果正确。

3.FIR滤波器

主时钟频率122.88MHz，每通道采样频率为1.92MHz，滤波器阶数为16阶，如果采用串行累加结构实现FIR滤波器，则每通道完成一次滤波需要16个时钟，122.88/1.92=64，因此可以4通道分时复用1乘法器。FIR滤波器一般先在MATLAB FDATool中进行设计，然后从MATLAB中导出FIR滤波器的系数，再在FPGA中实现。

在MATLAB FDATool中设置FIR滤波器参数如下图所示：

                      图 在MATLAB中设置FIR滤波器的参数

    4通道FIR滤波器在FPGA中的仿真如下：

                      图 4通道FIR滤波器 FPGA仿真

    4通道FIR滤波器在MATLAB中的仿真如下： 

                 图 通道1 I&Q信号 FIR滤波后输出MATLAB仿真图

4.CIC插值滤波器

CIC插值前数据速率为1.92MHz，插值后速率为122.88MHz，插值倍数为64，级数4，每级延迟1。输入数据位宽16，内部位宽[17 18 19 19 19 24 29 34]，最后输出位宽为16，截取高16位[33:18]。

CIC插值滤波器在QUARTUS中的仿真如下：

               图 CIC插值滤波器QUARTUS仿真图

产生相同的输入数据，在MATLAB中的仿真如下（2路I&Q信号输出都相同）：

                    图 CIC插值滤波器MATLAB计算结果

数据对比：

QUARTUS     MATLAB

0                                                   0

0              0

0              0

0              0

-1             -1

-4             -4

-10            -10

-20            -20

-35             -35

……           ……

结论：结果正确。

5.数字上变频

每路I&Q信号，上变频都要做复数乘法，公式为：

Real = I*cos(wt) + Q*sin(wt)

Imag = Q*cos(wt) - I*sin(wt)

cos(wt)和sin(wt)共用数字下变频时的NCO，I、Q信号输入为16bit，正余弦信号16bit，则每进行一次复数乘法需要4个乘法器。乘法器输出为32bit，进行加减法后位宽取32bit，输出位宽取16bit，截取[30:15]。

数字上变频在QUARTUS中的仿真图如下：

图 数字上变频QUARTUS仿真图