基于CORDIC算法的中频多路控守系统设计

无线电频谱是一种自然资源，由于无线电频谱是有限的，而通信技术极度依赖频谱的使用，传统的短波和超短波频段已经不满足当前通信需求了，未来通信主要依赖超高频的微波频段。而无线电接收技术也向着大带宽、高灵敏度、高采样率的方向发展，更高的速率为信号的实时分析带来了极大的困难。本文提出了一种基于CORDIC算法的窄带多路控守系统的设计方法，采用CORDIC算法实现多路窄带通信信号控守，设计满足宽带内16 路任意频点的控守。

1   CORDIC算法原理

2   多路控守FPGA实现方案

FPGA 内部实现多路窄带控守出自处理流程框图如图1 所示。功能单元主要包括宽带下变频器、交换矩阵、窄带下变频器、存储矩阵、控制单元等。

宽带下变频器功能是将输入的ADC 采样实信号变为零中频IQ 数据；

交换矩阵是根据要求实现的窄带控守路数及频点，计算数控振荡器NCO，并输出给窄带下变频器；

窄带下变频器件功能是同时实现64 路窄带IQ 信号输出；

存储矩阵同时将64 路窄带信号存储并上传。

2.1 宽带下变频器设计

宽带下变频器包括NCO 单元、乘法器、FIR 滤波器等；

ADC 芯片采样时钟为204.8 MHz, 输入频率范围为（110 ～ 170）MHz，ADC 芯片采用ADI 公司的ADC9467芯片，最大位宽16 bit，无杂散动态优于75 dBm；

数控振荡器NCO 生成sin 与cos 信号，与ADC 芯片相乘得到零中频IQ 信号；

为节省芯片的乘法器资源，NCO设计实现直接使用ROM 查找表的方式实现；

在Matlab中产生采样率为204.8 MHz, 频率为64.8 MHz ( 超外差接收机为2 次混频) 的sin 与cos 信号，并将数据初始化存储在FPGA 内rom 表即可。

乘法器为AD 信号与cos 或sin 信号相乘，实现混频的功能，输出的I 路和Q 路信号，信号带宽为24 bit。

FIR 滤波器设计使用的滤波器系数为64 阶对称型的的低通滤波器，滤波器Fpass = 40 MHz，Apass = 0.1 dB；Fstop = 42 MHz，Astop = 95 dB；滤波后抽2，将IQ 数据的采样率降为102.4 MHz，并输出给子信道下变频器控制矩阵，FFT运算结果满足优于85 dB的无杂散动态范围。

2.2 窄带变频器设计

窄带变频器为窄带多路控守系统的核心模块，为实现带内多路任意频点的控守，每个子带变频器都需要1个可配置的子带NCO 模块、复数乘法器模块、滤波器模块。单路子带变频器的实现框图如下图所示。

ch_nco 模块是基于CORDIC 算法的可配置NCO 模块，nco 值的计算由控制器单元完成。计算公式为：

complex_mult 模块为复数乘法器模块，每1 路需要消耗3 个乘法器资源。

filter_computer_p 模块为级联的滤波器，包含了CIC 和FIR 滤波器两种，根据输入的ch_bw 信号，可选择输出200、100、50、25、15、9、6、1 kHz 等8 种带宽的窄带信号。

每1 路输出数据格式为16 bit 位宽的I 和16 bit 位宽的Q，ch_vld 标识当前时钟周期数据有效。

2.3 控制单元设计

控制单元主要是完成DSP命令解析和子带变频器运算和控制。系统工作过程中，将DSP 通过Emif 接口往FPGA下发若干个信道号、每1 个子信道的中心频率、带宽参数。ch_enable 信号分别对应16 个子带变频器的复位使能信号；ch_nco 为对应子带的nco 值；ch_bw 为各子带变频器输出带宽选择信号。

2.4 存储矩阵设计

存储矩阵将64 路窄带IQ 数据存储并上传，传输数据的最大带宽为64 路200 kHz, 采样率为带宽的1.28 倍；系统工作时钟为102.4 MHz;

64 路IQ 数据进入存储矩阵后，首先将数据根据ch_vld 信号锁存；

RAM1 与RAM2 两片存储器将数据的进行乒乓存储，保证数据的连续性，存储器容量为128 kBit, 位宽32 bit, 寻址为0-32767，实现每路512 点的存储需求；

数据存储格式为地址0- 地址63 为64 路的I₁，Q₁；地址64- 地址127 为64 路的I₂Q₂；依次存储到I₅₁₂Q₅₁₂；

数据读取上传格式，先取第1 路的512 点IQ，地址为0、64、128…，再取第2 路的512 个点，地址为1、65、129…，依次取出64 路。

存RAM2 数据时，RAM1 数据通过SRIOx4 接口上传数据到DSP；存RAM1 数据时，RAM2 数据数据上传。

图3 控制单元实现框图

3   验证与实现

多路窄带控守系统，使用FPGA+DSP+ADC 的框架实现；FPGA 芯片使用设计的Xilinx 公司的K7 系列XCK7325T;ADC 采集芯片为ADI 公司的ADC9467，采样率高达250 MHz,，DSP 芯片采用TI 公司的TMS320C6657。FPGA 与DSP 之间的通信接口包括EMIF 和SRIO x4，处理平台的对外接口为千兆以太网。平台组成如图4 所示。

图4 硬件验证平台组成

系统上电后，首先由应用层软件的宽带信号搜索功能，硬件平台收到指令后，由FPGA 接收并解析ADC采样数据，与NCO（COS,SIN）相乘得到基带的IQ 信号；并将IQ 数据进行FFT 运算，FPGA 并将FFT 运算后功率谱数据上传；在频谱显示界面可自动或者手动分选要控守的信号频率和分析带宽，并将相应的子带频率与分析带宽下发给硬件平台。

在FPGA 启动多路控守控制模块与CORDIC 乘法器复数乘法模块，并将对应带宽的数据输出上传。上传后的数据保存在系统本地硬盘中，并使用Adobe Audition软件验证播放，反复多次存储播放，证明多路控守系统能同时实现64 路带宽200 kHz。

4   结束语

本文研究了一种基于CORDIC 算法的可配置的多路窄带控守系统的设计实现，通过在操作终端上文件存储的方式验证能够实现60 MHz 宽带内最多64 路的任意频点控守，在工作中由宽带搜索引导多路窄带控守，可对多路窄带信号进行存储、分析；同时所需要的FPGA内部的乘法器和存储器资源极少。下一步目标优化优链路资源消耗，实现更多通道频点的控守。

参考文献：

[1] 张炜,杨虎.基于CORDIC算法的直接数字频率合成器实现方法

[J].重庆邮电学院学报(自然科学版),2006,18(5):597-600.[2]梁杰,孙未.CORDIC算法的优化及硬件实现[J].电子世界,2013(10):1-4.

[3] 黄海.基于CORDIC的离散三角变换快速算法及其实现研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.

[4]陈婧.改进型CORDIC算法的研究与实现[J].现代电子技术,2011(24):49-55.

（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2023年1月期）