在現(xiàn)代無線通信、雷達(dá)和軟件定義無線電（SDR）系統(tǒng)中，數(shù)字下變頻（DDC）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理的核心環(huán)節(jié)。其核心任務(wù)是將高頻采樣信號(hào)降頻至基帶，同時(shí)通過抗混疊濾波消除高頻噪聲干擾。FPGA憑借其并行處理能力和可重構(gòu)特性，成為實(shí)現(xiàn)DDC算法的理想硬件平臺(tái)。本文聚焦混頻器設(shè)計(jì)與抗混疊濾波兩大關(guān)鍵模塊，探討FPGA實(shí)現(xiàn)中的優(yōu)化策略。

混頻器設(shè)計(jì)：從理論到硬件實(shí)現(xiàn)

混頻器的核心功能是將輸入信號(hào)與本地振蕩器（NCO）生成的載波信號(hào)相乘，實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。在FPGA中，NCO通常采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，通過相位累加器和正弦查找表（LUT）生成高精度載波。例如，在某雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中，NCO采用32位相位累加器，結(jié)合四分之一周期對(duì)稱存儲(chǔ)技術(shù)，將LUT容量壓縮至傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的1/4，同時(shí)通過相位截?cái)鄡?yōu)化將雜散抑制比提升至-75dBc。

混頻運(yùn)算的硬件實(shí)現(xiàn)需兼顧精度與資源效率。以16位定點(diǎn)數(shù)處理為例，傳統(tǒng)乘法器陣列需消耗大量DSP48E1硬核資源。而通過時(shí)分復(fù)用技術(shù)，單乘法器可分時(shí)處理I/Q兩路信號(hào)，配合流水線寄存器插入，在Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC上實(shí)現(xiàn)200MHz時(shí)鐘頻率下的實(shí)時(shí)混頻，資源占用率降低40%。此外，針對(duì)高頻信號(hào)處理，采用多相濾波結(jié)構(gòu)可將混頻與抗混疊濾波合并，在某8K視頻處理系統(tǒng)中，該技術(shù)使系統(tǒng)延遲從12μs壓縮至3μs。

抗混疊濾波：從算法優(yōu)化到硬件架構(gòu)

抗混疊濾波是DDC的關(guān)鍵防線，其設(shè)計(jì)需滿足嚴(yán)格的通帶平坦度和阻帶衰減要求。在FPGA實(shí)現(xiàn)中，CIC濾波器因其無乘法器特性成為首選降采樣模塊。例如，在某衛(wèi)星通信接收機(jī)中，采用5級(jí)CIC濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)64倍降采樣，通過Noble恒等式將抽取操作前置，使梳狀濾波器階數(shù)從5階降至1階，資源占用減少65%。但CIC濾波器的通帶衰減問題需通過補(bǔ)償濾波器（PFIR）修正，某設(shè)計(jì)采用31階PFIR將通帶波動(dòng)從4.5dB抑制至0.1dB，同時(shí)通過CSD（Canonical Signed Digit）編碼將乘法器數(shù)量減少30%。

對(duì)于高精度需求場(chǎng)景，半帶濾波器（HB）與FIR濾波器的組合方案更具優(yōu)勢(shì)。HB濾波器系數(shù)中50%為零的特性，使其在Xilinx Virtex-7 FPGA上實(shí)現(xiàn)128倍降采樣時(shí)，僅消耗12個(gè)DSP48E1硬核。而最終級(jí)64階FIR濾波器采用轉(zhuǎn)置直接型結(jié)構(gòu)，通過并行乘累加單元和分布式存儲(chǔ)架構(gòu)，在250MHz時(shí)鐘下實(shí)現(xiàn)80dB阻帶衰減，滿足5G NR物理層協(xié)議要求。

系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化：從模塊設(shè)計(jì)到性能驗(yàn)證

在某8K@120fps視頻處理系統(tǒng)中，DDC模塊需處理7680×4320分辨率的12bit原始數(shù)據(jù)，采樣率達(dá)1.5GSPS。通過三級(jí)流水線架構(gòu)：第一級(jí)采用8路并行CIC濾波器實(shí)現(xiàn)16倍降采樣；第二級(jí)HB濾波器進(jìn)一步降采樣2倍；第三級(jí)64階FIR濾波器完成最終整形。該方案在Xilinx RFSoC平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)端到端延遲8.2ms，功耗僅12W，較傳統(tǒng)ASIC方案提升能效比3倍。

性能驗(yàn)證需結(jié)合MATLAB仿真與硬件測(cè)試。以某雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)為例，MATLAB生成的26MHz中頻信號(hào)經(jīng)FPGA處理后，通過ChipScope Pro抓取的I/Q數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果誤差小于0.5LSB，驗(yàn)證了算法正確性。實(shí)際部署中，該系統(tǒng)在-40℃至85℃溫度范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)范圍保持55dB以上，滿足軍用標(biāo)準(zhǔn)要求。

未來展望

隨著5G-A和6G技術(shù)演進(jìn)，DDC算法需支持更高采樣率和更復(fù)雜調(diào)制方式。FPGA與HBM3內(nèi)存的集成將突破帶寬瓶頸，而AI輔助的濾波器設(shè)計(jì)工具可自動(dòng)優(yōu)化系數(shù)，使開發(fā)周期縮短60%。從混頻器到抗混疊濾波，FPGA正持續(xù)推動(dòng)DDC技術(shù)向更高性能、更低功耗的方向發(fā)展，為下一代通信系統(tǒng)奠定硬件基礎(chǔ)。