基于CORDIC算法的中頻多路控守系統(tǒng)設(shè)計

龔永龍 楊青華 蔡懷海

摘要：針對無線接收技術(shù)向著大帶寬、高采樣的方向發(fā)展，軍地的頻譜管理設(shè)備已經(jīng)不能滿足日常的訓(xùn)練和執(zhí)法需求，本文提出了一種基于CORDIC算法的中頻多路控守系統(tǒng)設(shè)計方法，直接采集超外差接收機的中頻輸出信號，從而實現(xiàn)多達32路或者64路的窄帶信號提取、存儲、分析、回放等。作為事后分析取證等，彌補當(dāng)前設(shè)備的不足。文中介紹了CORDIC的基本原理，核心實現(xiàn)基于CORDIC算法的nco和子帶變頻器，并在Xilinx 平臺上驗證成功。

關(guān)鍵詞： CORDIC；軟件無線電；NCO；數(shù)字下變頻；信號分析

無線電頻譜是一種自然資源，由于無線電頻譜是有限的，而通信技術(shù)極度依賴頻譜的使用，傳統(tǒng)的短波和超短波頻段已經(jīng)不滿足當(dāng)前通信需求了，未來通信主要依賴超高頻的微波頻段。而無線電接收技術(shù)也向著大帶寬、高靈敏度、高采樣率的方向發(fā)展，更高的速率為信號的實時分析帶來了極大的困難。本文提出了一種基于 CORDIC 算法的窄帶多路控守系統(tǒng)的設(shè)計方法，采用 CORDIC 算法實現(xiàn)多路窄帶通信信號控守，設(shè)計滿足寬帶內(nèi)16路任意頻點的控守。

1 CORDIC算法原理

CORDIC 算法是一種數(shù)值性計算逼近的方法，其基本思想是用一系列與運算相關(guān)的角度不斷偏擺從而逼近所需旋轉(zhuǎn)的角度。假設(shè)初始向量為（X0，Y0）旋轉(zhuǎn)θ角度之后得到向量（X1，Y1）， 此向量有如下關(guān)系：

在中頻多路控守系統(tǒng)中，采用 CORDIC 算法完成中心 NCO、子信道 NCO 的設(shè)計和頻率搬移。已知系統(tǒng)的中心頻率和寬帶范圍內(nèi)各個子信道的中心頻率；假如系統(tǒng)輸入采樣率為fs，中心頻率為 fc，n 個子信道的頻率為別為f1，f2…fn。

假設(shè)中頻信號fc 被 AD 采樣后為 x（n），與初始 NCO混頻相乘，得到基帶的 IQ 信號，其中XI=x（n）* cosθ;XQ=x（n）*sinθ;如果將此時的 IQ 信號再次搬移β1的角度，就可以將子帶頻率f1的頻率搬移到零中頻的位置，計算為：

為節(jié)省資源，將式（3）和式（4）進行化簡組合，每路復(fù)數(shù)運算由4個乘法器變成3個，得到：

2多路控守FPGA實現(xiàn)方案

FPGA 內(nèi)部實現(xiàn)多路窄帶控守出自處理流程框圖如圖1所示。功能單元主要包括寬帶下變頻器、交換矩陣、窄帶下變頻器、存儲矩陣、控制單元等。

寬帶下變頻器功能是將輸入的 ADC 采樣實信號變?yōu)榱阒蓄l IQ 數(shù)據(jù)；

交換矩陣是根據(jù)要求實現(xiàn)的窄帶控守路數(shù)及頻點，計算數(shù)控振蕩器 NCO，并輸出給窄帶下變頻器；

窄帶下變頻器件功能是同時實現(xiàn)64路窄帶 IQ 信號輸出；

存儲矩陣同時將64路窄帶信號存儲并上傳。

2.1寬帶下變頻器設(shè)計

寬帶下變頻器包括 NCO 單元、乘法器、FIR 濾波器等；

ADC 芯片采樣時鐘為204.8 MHz， 輸入頻率范圍為（110～170） MHz，ADC 芯片采用 ADI 公司的 ADC9467芯片，最大位寬16 bit，無雜散動態(tài)優(yōu)于75 dBm；

數(shù)控振蕩器 NCO 生成 sin 與 cos 信號，與 ADC 芯片相乘得到零中頻 IQ 信號；為節(jié)省芯片的乘法器資源，NCO 設(shè)計實現(xiàn)直接使用 ROM 查找表的方式實現(xiàn)；在Matlab中產(chǎn)生采樣率為204.8 MHz， 頻率為64.8 MHz（超外差接收機為2次混頻）的 sin 與 cos 信號，并將數(shù)據(jù)初始化存儲在 FPGA 內(nèi) rom 表即可。

乘法器為 AD 信號與 cos 或 sin 信號相乘，實現(xiàn)混頻的功能，輸出的 I 路和 Q 路信號，信號帶寬為24 bit。

FIR 濾波器設(shè)計使用的濾波器系數(shù)為64階對稱型的的低通濾波器，濾波器Fpass=40 MHz，Apass=0.1 dB ；Fstop=42 MHz，Astop=95 dB；濾波后抽2，將 IQ 數(shù)據(jù)的采樣率降為102.4 MHz，并輸出給子信道下變頻器控制矩陣，F(xiàn)FT 運算結(jié)果滿足優(yōu)于85 dB的無雜散動態(tài)范圍。

2.2窄帶變頻器設(shè)計

窄帶變頻器為窄帶多路控守系統(tǒng)的核心模塊，為實現(xiàn)帶內(nèi)多路任意頻點的控守，每個子帶變頻器都需要1個可配置的子帶 NCO 模塊、復(fù)數(shù)乘法器模塊、濾波器模塊。單路子帶變頻器的實現(xiàn)框圖如下圖所示。

ch_nco模塊是基于 CORDIC 算法的可配置 NCO 模塊，nco值的計算由控制器單元完成。計算公式為：

若子信道的中心頻率f1在中心頻率fc 的上半部分，則β=f1?fc；

若子信道的中心頻率f1在中心頻率fc 的下半部分，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，此時的β=fs ?（f1?fc）；

complex_mult模塊為復(fù)數(shù)乘法器模塊，每1路需要消耗3個乘法器資源。

filter_computer_p模塊為級聯(lián)的濾波器，包含了 CIC 和 FIR 濾波器兩種，根據(jù)輸入的ch_bw信號，可選擇輸出200、100、50、25、15、9、6、1 kHz 等8種帶寬的窄帶信號。

每1路輸出數(shù)據(jù)格式為16 bit 位寬的 I 和16 bit 位寬的 Q，ch_vld標識當(dāng)前時鐘周期數(shù)據(jù)有效；

2.3控制單元設(shè)計

控制單元主要是完成 DSP 命令解析和子帶變頻器運算和控制。系統(tǒng)工作過程中，將 DSP 通過Emif接口往 FPGA 下發(fā)若干個信道號、每 1 個子信道的中心頻率、帶寬參數(shù)。ch_enable信號分別對應(yīng) 16 個子帶變頻器的復(fù)位使能信號；ch_nco為對應(yīng)子帶的nco值；ch_bw為各子帶變頻器輸出帶寬選擇信號。

2.4存儲矩陣設(shè)計

存儲矩陣將64路窄帶 IQ 數(shù)據(jù)存儲并上傳，傳輸數(shù)據(jù)的最大帶寬為64路200 kHz， 采樣率為帶寬的1.28倍；系統(tǒng)工作時鐘為102.4 MHz;

64路 IQ 數(shù)據(jù)進入存儲矩陣后，首先將數(shù)據(jù)根據(jù)ch_vld信號鎖存；

RAM1與 RAM2兩片存儲器將數(shù)據(jù)的進行乒乓存儲，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，存儲器容量為128 kBit， 位寬32 bit， 尋址為0-32767，實現(xiàn)每路512點的存儲需求；

數(shù)據(jù)存儲格式為地址0-地址63為64路的 I1，Q1；地址64-地址127為64路的 I2Q2；依次存儲到 I512Q512；

數(shù)據(jù)讀取上傳格式，先取第1路的512點 IQ，地址為0、64、128…，再取第2路的512個點，地址為1、65、129…，依次取出64路。

存 RAM2數(shù)據(jù)時，RAM1數(shù)據(jù)通過 SRIOx4接口上傳數(shù)據(jù)到 DSP；存 RAM1數(shù)據(jù)時，RAM2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)上傳。

3驗證與實現(xiàn)

多路窄帶控守系統(tǒng)，使用 FPGA+DSP+ADC 的框架實現(xiàn)； FPGA 芯片使用設(shè)計的 Xilinx 公司的 K7系列 XCK7325T;ADC 采集芯片為 ADI 公司的 ADC9467，采樣率高達250 MHz，，DSP 芯片采用 TI 公司的 TMS320C6657。FPGA 與 DSP 之間的通信接口包括 EMIF 和 SRIO x4，處理平臺的對外接口為千兆以太網(wǎng)。平臺組成如圖4所示。

系統(tǒng)上電后，首先由應(yīng)用層軟件的寬帶信號搜索功能，硬件平臺收到指令后，由 FPGA 接收并解析 ADC采樣數(shù)據(jù)，與 NCO（COS，SIN）相乘得到基帶的 IQ 信號；并將 IQ 數(shù)據(jù)進行 FFT 運算，F(xiàn)PGA 并將 FFT 運算后功率譜數(shù)據(jù)上傳；在頻譜顯示界面可自動或者手動分選要控守的信號頻率和分析帶寬，并將相應(yīng)的子帶頻率與分析帶寬下發(fā)給硬件平臺。

在 FPGA啟動多路控守控制模塊與 CORDIC 乘法器復(fù)數(shù)乘法模塊，并將對應(yīng)帶寬的數(shù)據(jù)輸出上傳。上傳后的數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)本地硬盤中，并使用 Adobe Audition軟件驗證播放，反復(fù)多次存儲播放，證明多路控守系統(tǒng)能同時實現(xiàn)64路帶寬200 kHz。

4結(jié)束語

本文研究了一種基于 CORDIC 算法的可配置的多路窄帶控守系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)，通過在操作終端上文件存儲的方式驗證能夠?qū)崿F(xiàn)60 MHz 寬帶內(nèi)最多64路的任意頻點控守，在工作中由寬帶搜索引導(dǎo)多路窄帶控守，可對多路窄帶信號進行存儲、分析；同時所需要的 FPGA內(nèi)部的乘法器和存儲器資源極少。下一步目標優(yōu)化優(yōu)鏈路資源消耗，實現(xiàn)更多通道頻點的控守。

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