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1．引言 數字下變頻(DDC)技術是軟件無線電接收機的核心技術。其基本功能是從輸人的寬帶高速數字信號中提取所需的窄帶信號，將其下變頻為數字基帶信號，并轉換成較低的數據率，以供后續的DSP作進一步的處理。目前許多型號的DDC芯片事實上其功能己遠遠不只是下變頻，還包括了成形濾波器、定時同步內插濾波器、重采樣NCO、坐標變換、數字ACC等功能，其結構如圖1所示。 CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)是一種迭代算法，它提供了計算三角函數和欠量求模的方法。該算法僅利用加法和移位兩種運算通過迭代方式進行矢量旋轉，因此，它非常適合于硬件A-SIC實現。本文所要闡述的就是基于CORDIC算法的數字下變頻器中坐標變換模塊的ASIC實現結構，該模塊的主要功能是實現直角坐標系到極坐標系的變換，從而求得由I路信號和Q路信號構成的向量的幅度值和相位值，將得到的幅度信息返回給前級的數字AGC進行增益控制，還可以實現對FM信號的解調。 2．CORDIC算法與實現 2.1 CORDIC算法原理 CORDIC是一種迭代算法，它可以用來計算sin，cos等三角函數，計算幅值和相位等到所需的精度，CORDIC算法計算幅值和相位的原理如下： 假設直角坐標系內有向量A(Xn，Yn)，向量A順時針旋轉θn后得到向量B(Xn，Yn)，如圖2所示。 向量A和向量B之間存在以下關系，用矩陣表示為 將cosθn提出以后得到 在這里我們取0i=arctan(1/2i)，所有迭代的總和為 ，其中Si={-1，+1}，則tanθi=Si2-i，可得 上式Si中的符號決定了向量的旋轉方向，當時Yi≥0，Si=1，順時針旋轉；當Yi＜0時，Si=-1，逆時針旋轉，式中的cosθi=cos(arctan(1/2i)，隨著迭代次數的增加它收斂于一個常數 ，我們暫不考慮這個常數增益，這樣式(2-3)就變為 設總共旋轉的角度為，初值為0，則 ，給定向量 一組初值如下 從上面的式子可以看出，當向量A旋轉到X軸時，可以得到迭代的結果為 ，即可求得向量A的幅值和相位。由式(2-4)可知每次旋轉的角度的正切值都是2的負冪次，在硬件實現時只需要執行右移和相加運算就可以實現每次迭代，易于硬件的實現。 2.2 用CORDIC算法的流水結構實現坐標變換 CORDIC迭代結構如圖3所示，采用流水結構每次迭代完成一次旋轉，每級迭代都用寄存器寄存，這樣每個時鐘周期都可以計算出一次幅度和相位。迭代的次數越多，精度越高，當然耗費的資源也就越多。 在數字下變頻器輸出I，Q兩路信號后(輸出信號用補碼表示)，用CORDIC實現坐標變換時，為簡化電路結構，只用計算的相角，其他象限的相角，采用處理后再映射的辦法求取，岡此，對剛進入的數據會進行預處理。首先就是求輸人數據的絕對值，并記錄符號位作為處理后象限映射的依據。接下來，會判斷I，Q兩路數據的大小關系，并將較小的值交換到Q路，這樣做的目的是要在同樣的迭代次數下，達到更高的迭代精度。進入CORDIC迭代單元前會對I，Q兩路數據進行位寬拓展，從而保證CORDIC迭代過程中，不會因截斷誤差造成太大的偏差。經過CORDIC迭代后所得的幅度值是有增益的，此時需要對其進行修正，另一方面，相位值需根據先前記錄的I，Q兩路數據的符號位和I，Q兩路數據交換的情況作象限映射，表1列出了相位映射的規則。坐標變換模塊的實現結構如圖4所示。 2.3 使用modeIsim仿真的結果 圖5是當輸入激勵為I路：sin(sin2πf)；Q路：COS(COS2πf)時的modelsim仿真結果，由圖中可以看出坐標變換得出的相位值是一個標準正弦信號，幅度值為恒定值，幅度相位完全正確。 2.4 硬件實現結果 在硬件實現時，用verilog語言對坐標變換模塊進行描述，為滿足DDC的精度要求進行了18次迭代，并用DC基于UMC0.18μm的庫進行了綜合，硬件實現結果如圖6所示。 圖6(a)是DC綜合后的面積報告，圖6(c)是關鍵路徑的時序報告，綜合后的最大路徑延時為9.77ns，完全可以滿足本模塊數字下變頻器100MHz的處理速度要求，綜合出的單元(cell)的總面積僅為0.27。圖6(b)是該設計在FPGA上驗證的結果，該DDC的工作頻率為80MHz，通道2為輸入的基帶信號頻率20kHz，載波頻率5MHz，頻偏200KHz的FM信號，通道1是通過DDC下變頻后交給坐標變化模塊的I，O兩路信號求出的相位信息，即頻率為20kHz的正弦信號，由圖可知該沒計實現了坐標變換功能。 3 結論 使用CORDIC算法，并用流水結構實現幅度相位的求取可以獲得較高的處理速度，增加迭代次數可以獲得更高的處理精度，但會耗費較多的資源，在設計時應根據需要，合理的確定迭代次數。該設計已成功應用于高速數字下變頻芯片中。 |
