一种高性能数字下变频硬件计算结构-论文.pdf

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1、2014牟第7期文章编号：1009—2552(2014)07—0O94—04中图分类号：TN914．3文献标识码：A一种高性能数字下变频硬件计算结构王超，谢憬，封成冬(上海交通大学微电子学院，上海200030)摘要：数字下变频是软件无线电的核心技术，随着通信技术的发展，如今对其处理速度要求越来越高。现提出了一种高性能的数字下变频硬件计算结构，使用CORDIC，流水线划分，重定时等技术来优化数字下变频各个模块的硬件结构。通过和传统设计方案的实验比较，证明了本方案能在将FPGA总体资源使用等效门数减少29．54％的情况下，将最高数据吞吐率提升6．74倍。关键词：数字下变频；结

2、构优化；流水线；重定时Highperformance~gimldownconverterstructureWANGChao，XIEJing，FENGCheng-dong(SchoolofMia吣el‘咖ics，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030，China)Abstract：Digitaldownconverter(DDC)isthecoretechnologyofsoftwareradio．Asthedevelopmentofwirelesscommunication，thereisagrowingdemandinthec

3、alculatespeedofDDC．ThispaperpresentsahighperformanceDDChardwarestructure．CORDIC，pipelining，retimingareusedtooptimizeeachhardwareunitinit．TheexperimentresultsshowthatincomparisonwiththetraditionalDDCstructure，theoptimizedDDCcanreduceFPGAdesignequivalentgatecountby29．54％andincreaset}lemaxim

4、umdatathroughputby6．74times．Keywords：digitaldownconverter；structureoptimization；pipeline；retiming0引言1高性能数字下变频系统设计数字下变频(DDC，DigitalDownConverter)是无文献[2]给出了一种DDC的传统实现方案，其线电接收技术中非常重要的一步，用于将数字化的硬件结构，与基本计算流程如图l所示。中频信号转化到基带，同时进行信息抽取。它可以输入的中频模拟信号经过A／D转换后进入在信号携带信息不损失的前提下降低数据流量，提DDC，首先使用数控振荡器(NCO)

5、来完成正交解高了系统实时处理的能力。DDC是软件无线电的调，将信号的频率从中频搬移到基带，然后进行抽取核心技术之一，被广泛运用于蜂窝通信，及各种军用滤波来降低数据量，包括CIC滤波，半带滤波，FIR和民用的无线系统J。滤波这三部分。随着通信技术的发展，信号处理领域对处理速在上述传统DDC实现方案中，各模块的关键路度和实时性的要求越来越高，这样DDC不仅需要保径都很大，极大限制了处理速度。为了提升其运算证计算精度，也需要更高的数据吞吐率。本文基于效率，本文针对各个模块的特点，分别用多种方法对FPGA硬件开发环境，结合软件无线电设计思想，对其硬件结构进行了优化，包括了CORD

6、IC，流水线，数字下变频的各个模块分别用不同方法进行了硬件收稿日期：2013—10—21结构上的优化，提出了一种高性能的硬件计算结构，作者简介：王超(1989一)，男，硕士研究生，研究方向为大规模集成电路的设计与验证。力争保证处理精度的同时大幅提升计算速度与吞吐率。一94—输入I路输出Q路输出图1数字下变频硬件结构重定时等技术，并将在后续章节中结合系统模块做具体介绍。所以由于关键路径短，该模块运行的频率很高，1．1正交解调正交解调用于将信号从中频搬移到基带，从而可以进行后续的抽取与滤波。假设一个数字窄带信号频率远远高于其带宽，则可以表示为：[n]=a[n]COS{∞。t+

7、n]}，如果乘以一个复信号进行频谱搬移，并在后续步骤中通过低通滤波，则能从中分离出÷口(儿)J，即为需要的基带信号。传统设计方案使用NCO来实现正交解调模块，fcn={三。一，，，、但是其一个乘法的关键路径的延迟很长，且需要额外ROM来保存乘法所需要的系数。所以本文采用CORDIC来实现余弦乘法，避免了大量系数所需要的存储空间。此外也使用CORDIC的流水线结构，将关键路径从一个乘法降低到一个加法。图2是一个l2级流水线CORDIC运算单元。~／3"Xtq'Xv由于数字下变频在每个时钟周期都有数据输入，所以根据CORDIC算法