专利名称：一种基于坐标旋转数值计算算法的数字下变频器的制作方法
技术领域：
本发明属于软件无线电接收机领域，涉及一种用于数字中频接收机中 的数字下变频器的实现结构，具体涉及一种基于坐标旋转数值计算算法
(coordinate rotation digital compute ， CORDIC )的数字下变频器。
背景技术：
当前无线通信系统繁多，由于各种不同通信系统的工作频段、调制方 式、波形结构、通信协议等原理、结构上存在差异，极大限制了不同系统 之间的互通。传统以硬件为主的通信体制己无法解决这一问题，所以软件 无线电技术发展起来。软件无线电的思想主要是强调以开放性的最简硬件 为通用平台，尽可能用可升级、可重配置的应用软件来实现各种无线电功 能。数字下变频是软件无线的核心部分之一，数字下变频器的功能决定了 软件无线电系统的性能。如何设计高精度，高集成度，宽频带，低功耗的 数字下变频器是当前软件无线电研究的热点。
传统数字下变频器分为三个部分数控振荡器，数字混频器，抽取滤 波器。数控振荡器一般采用査表法，原理比较简单，但是存在以下缺点 数控振荡器中存储正弦值消耗较大的静态存取器资源，增大了芯片的面积。 随着精度的要求提高，所需要静态存取器成指数增长，所以只能适应精度 要求低的场合。包含独立的数字混频器，消耗较多的系统资然。此外查表 法下边频器的变频范围受到乘法器、累加器以及静态存取器的读取速率制 约。
CORDIC算法，作为产生离散正弦信号的另一种有效途径，已经越来 越受到青睐。其基本思想是通过一系列逐次递减的、与运算级数相关角度
的往复偏摆以逼近最终需要达到的旋转角度。后来出现了采用CORDIC算 法实现的数字下变频器。该算法仅利用加法和移位两种运算通过迭代方式
进行矢量旋转，不仅可以用来计算正弦、余弦、极坐标和直角坐标变换与
反变换、反正切、矢量求模，而且通过对CORDIC算法的逆运算还可以实 现反正弦和反余弦函数的计算。其使用流水线结构，只要简单的加减和移 位操作就实现了混频功能，省略了计算要求很高的数字混频器。但是其所 能支持的中频范围受到流水线结构和模数转换器速度的制约。Virtually scaling-free adaptive CORDIC rotator,(自适应比例縮小的CORDIC旋转计 算器，Techniques,Maharatna， K.; Troya， A.; Banerjee, S.; Grass, E. ， Computers and Digital, Volume 151, Issue 6,18 Nov.2004 page(s):448-556)禾口 Mixed画scaling-rotation CORDIC (MSR-CORDIC) algorithm and architecture for scaling-free high-performance rotational operations (米用MSR-CORDIC算 法的高效旋转计算器，Zhi-Xiu Lin; An-Yeu Wu， ， ICASSP '03,2003 IEEE International Conference on Volume 2， 6-10 April 2003 ，Page(s):653國656)均提 出了提高CORDIC计算能力的办法，主要思想是减小两级流水线之间的组 合逻辑单元的延时提高流水线单元的时钟频率；或者采用改进的每级旋转 角度可变的CORDIC算法。这些方法对精度和频率的提高有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于坐标旋转数值计算算法的数字下变频 器，该数字下变频器具有宽频带、高精度、高集成度和低功耗的特点。
本发明提供的基于坐标旋转数值计算算法的数字下变频器，其特征在 于它包括依次串接的坐标旋转数值计算器、输出信号配置器和可编程抽 取滤波器；动态参数配置器的输入端接外部控制信号，其输出端分别与上 述各部件的输入端相接，相位控制字累加器的输入端与动态参数配置器的 输出端，其输出端分别与相位控制字配置器及输出信号配置器的输入端相 接，相位控制字配置器的输出端接坐标旋转数值计算器的输入端，坐标旋 转数值计算器的另一个输入端接外部的待变频信号，可编程抽取滤波器的 输出作为整个器件的输出；
动态参数配置器用于接收来自外部动态配置控制器的控制信号，对整
个系统的参数进行系统配置，并分别发送给相位控制字累加器，坐标旋转 数值计算器、输出信号配置器和可编程抽取滤波器；
相位控制字累加器将相位步进控制字进行累加，再将累加值与初始相 位控制字相加，将相加得到的高位控制信号分别输出至相位控制字配置器 和输出信号配置器；
相位控制字配置器将接收的累加信号进行八分圆映射处理，将处理后 的角度信号输出至坐标旋转数值计算器；
坐标旋转数值计算器包括依次串接的串并转换器、第一坐标旋转数值 计算单元和并串转换器，串并转换器的输入端与外部提供的待变频的信号，
并串转换器的输出端与输出信号配置器的输入端相接；并串转换器的另一
个输入端与第二坐标旋转数值计算单元的输出端相接，第二坐标旋转数值 计算单元的三个输入端分别与相位控制字配置器、串并转换器和动态参数
配置器相接；第一坐标旋转数值计算单元的另二个输入端分别与动态参数 配置器和相位控制字配置器的输出端相接；串并转换器将待变频的信号串 行单个数据到并行双数据的格式转换，分别输出至第一坐标旋转数值计算 单元和第二坐标旋转数值计算单元；第一坐标旋转数值计算单元根据相位 配置信号和参数配置信号对来自串并转换器的数据信号进行坐标旋转数值 计算，处理后的信号输出到并串转换器；第二坐标旋转数值计算单元根据 相位配置信号和参数配置信号对来自串并转换器的数据信号进行坐标旋转 数值计算，处理后的信号输出到并串转换器；并串转换器将接收的数据进 行并串转换，输出正交混频信号至输出信号配置器；
输出信号配置器将正交混频信号按照高位控制信号提供的象限信息进 行一些互换或取反的处理，并将处理后的混合频率信号输出至可编程抽取 滤波器;
可编程抽取滤波器根据动态参数配置器提供的配置控制信号对混合 频率信号进行抽取滤波，滤除高频载波后，再降低其采样率后输出。
本发明采用CORDIC算法实现数字下变频器的功能，坐标旋转数值计 算器采用两个坐标旋转数值计算单元，每个坐标旋转数值计算单元只采用
加法和移位运算，没有乘法的混频器，因此很适合在可编程器件中实现。 本数字下变频器采用八分圆映射算法，利用正弦值、余弦值的对称性，把
分成8个区间。本发明的数字下变频器角度分辨率可达到^2^2，与 单个CORDIC处理单元结构相比，在相同相位寻址位数的情况下，处理精 度不变，频率范围可提高2倍。总之，本发明中数字下变频器与传统的查 表法数字下变频器相比，更容易提高精度和集成度；与单个坐标旋转数值 计算单元组成的数字下变频器相比，有更宽的频带范围。
图1为基于坐标旋转数值计算算法的数字下变频器的结构示意图； 图2为坐标旋转数值计算器的结构图3为相位控制字累加器的一种具体实施方式
的结构示意图； 图4为可编程抽取滤波器的一种具体实施方式
的结构示意图； 图5为本发明实例作使用的第一坐标旋转数值计单元(13级)的结构
示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，基于坐标旋转数值计算算法的数字下变频器包括动态参 数配置器l、相位控制字累加器2、相位控制字配置器3、坐标旋转数值计 算器4、输出信号配置器5和可编程抽取滤波器6。
动态参数配置器1用于接收来自外部动态配置控制,器的控制信号，对 整个系统的参数进行系统配置。动态参数配置器1配置的参数包括相位 步进控制字、初始相位控制字、抽取滤波器参数、输出配置信号、角度常 数《 &和常数X。。《到&为固定的常数，其值按照一定公式确定 (《-arctan(2-')， i为流水线级数)。动态参数配置器1将相位步进控制字和 初始相位控制字发送给相位控制字累加器2，将角度常数《 &和常数X。传 送给标旋转数值计算器4，将抽取滤波器参数传送给可编程抽取滤波器6， 将输出配置信号发送给输出信号配置器5。 相位控制字累加器2将相位步进控制字进行累加，再将累加值与初始 相位控制字相加，将相加后的结果分别输出至相位控制字配置器3和输出 信号配置器5。
相位控制字配置器3将接收的累加信号进行八分圆映射处理，将处理 后的角度信号输出至坐标旋转数值计算器4。由于CORDIC算法最多只能 够完成[-W2，W2]内的旋转，而且当角度绝对值越接近;r/2，达到一定精度 所需要的CORDIC模块的流水线级数就越大。为了避免使用太多级数的流 水线结构，同时又能够实现
内的角度正弦值计算，本结构中将
， [;r/4,;r/2]， [;r/2,3W4] ， [3;r/4,;r]， [ r，5;r/4]， [5tt/4,37t/2] ， [3;z72,7;r/4] ， [77t/4,2tt]。因为CORDIC算法只能计 算第一个区间
，其他的区间必须通过三角函数关系转换到
区 间才能求得。
坐标旋转数值计算器4有三个输入信号，分别为来自动态参数配置 器1配置信号、来自外部模数转换器的待变频信号、来自相位控制字配置 器3的角度信号。坐标旋转数值计算器4将对输入的信号进行正交混频处 理，并将混频后的信号输出至输出信号配置器5。
输出信号配置器5的输入信号是来自坐标旋转数值计算器4的正交混 频信号和来自相位控制字累加器2的高位控制信号。输出信号配置器5对 输入信号按照相位控制字累加器2提供的象限信息进行一些互换或取反的 处理，并将处理后的信号输出至可编程抽取滤波器6。
可编程抽取滤波器6有两个输入，分别是来自输出信号配置器5的混 合频率信号和动态参数配置器1的配置控制信号。可编程抽取滤波器6对 输入信号进行抽取滤波，滤除高频载波并完成采样率的变化。其输出信号 即为低采样率的基带I、 Q信号。
下面举例说明上述各部分的具体结构。
如图2所示，坐标旋转数值计算器4包括串并转换器4.K第一坐标旋 转数值计算单元4.2、第二坐标旋转数值计算单元4.3和并串转换器4.4。
串并转换器4.1接收来自外部ADC的待变频的信号，进行串行单个数 据到并行双数据的格式转换，分别输出至第一坐标旋转数值计算单元4.2和
第二坐标旋转数值计算单元4.3。
第一坐标旋转数值计算单元4.2有三个输入信号来自串并转换器4.1 的数据信号、来自相位控制字配置器3的相位配置信号、来自动态参数配 置器1的参数配置信号。来自串并转换器4.1的数据信号在第一坐标旋转数 值计算单元4.2中进行CORDIC计算处理。处理后的信号输出到并串转换 器4.4。
第二坐标旋转数值计算单元4.3的输入信号有三个来自串并转换器 4.1的数据信号、来自相位控制字配置器3的相位配置信号、来自动态参数 配置器1的参数配置信号。来自串并转换器4.1的数据信号在第二坐标旋转 数值计算单元4.3中进行CORDIC计算处理。处理后的信号输出到并串转 换器4.4。第一坐标旋转数值计算单元4.2和第二坐标旋转数值计算单元4.3 每次处理的数据是来自ADC的相邻两个数据。并串转换器4.4将来自第一 坐标旋转数值计算单元4.2和第二坐标旋转数值计算单元4.3的数据进行并 串转换，输出至输出信号配置器5。
第一坐标旋转数值计算单元4.2和第二坐标旋转数值计算单元4.3根据 相位控制字累加器的位数来确定，相位控制字累加器的位数一般取20~32， 此时13级流水线后的输入角度常数接近于0，对精度提高没有贡献了，所 以采用13级流水线结构即可。
第二坐标旋转数值计算单元4.3的构成与第一坐标旋转数值计算单元 构成相同。
下面说明相位控制字累加器2的结构。
如图3所示，相位控制字累加器包括依次串接的第一加法器2.1、寄存 器2.2和第二加法器2.3;第一加法器2.1和第二加法器2.3的输入端均与动 态参数配置器1的输出端相接，第一加法器2.1的另一个输入端与寄存器 2.2的输出端相接；，第二加法器2.3的输出端分别与与相位控制字配置器3 及输出信号配置器5的输入端相接。
第一加法器2.1的相加信号分别是来自由动态参数配置器l的相位步进 字和寄存器2.2所寄存的前一个累加值。第一加法器2.1将相位控制字和来 自寄存器2.2所寄存的前一个累加值相加，得到下一个累加值。第一加法器 2.1输出至寄存器2.2。寄存器2.2寄存累加信号，并输出至第二加法器2.3。 第二加法器2.3的输入信号是来自动态参数配置器1的初始相位信号和来自 寄存器2.2寄存累加信号。第二加法器2.3的输出送入相位控制字配置器3， 在相位控制字配置器3中进行八分圆的映射处理。
如图4所示，可编程抽取滤波器6包括串接的第一级梳状滤波器6.1、 半带滤波器6.2和无限冲击响应滤波器6.3，这三个部件的输入端还分别与 动态参数配置器1的输出端相接，第一级梳状滤波器6.1的另一个输入端与 输出信号配置器5，无限冲击响应滤波器6.3的输出端接基带处理器接口。 第一级梳状滤波器6.1的输入信号来自输出信号配置器5，实现高速率信号 的抽取。梳状滤波器6.1的输出信号输入到半带滤波器6.2，半带滤波器6.2 的抽取倍数为2。半带滤波器6.2抽取处理后的信号输入到无限冲击响应滤 波器6.3中进行最后的2倍抽取，并将输出结果输出到基带处理接口。梳状 滤波器6.1、半带滤波器6.2、无限冲击响应滤波器6.3的所有参数均由动态 参数配置器1在系统启动或复位时进行初始化。
实例
下面以一个数字下变频处理的实例来说明本发明数字下变频器的应用。 设定系统参数要求如下以GSM系统为背景，实现数字下变频，完成信号采样率抽取，将信 号从70MHz标准中频采样速率变换到273KHz的基频信号，中频信号载波 频率为14.4MHz。提取GSM标准有用信号带宽80KHz。按GSM系统要求完成对信号的滤波整形，使其符合GSM基带信号 处理系统的要求。
如图1所示，通过设置动态参数配置器1完成系统得参数设置。需要 设置的参数如下相位控制字累加器2的位宽定为32位。载波初始相位可以设置为 0H;相位步进控制字可根据中频信号载波频率计算得到为34A9B101H。 [2]坐标旋转数值计算器4的X。初始值可以设置为0H。参数P。 《3的
值依次为2000H、 12E4H、 9FBH、 511H、 28BH、 146H、 A3H、 51H、 29H、 14H、 AH、 5H、 3H、 1H。第一坐标旋转数值计算单元4.2采用如图5所示的13级流水线结构， 其中，虚线部分为每一级流水线单元。每一级流水线单元的结构是相似的， 均由二个移位器、三个加减器和一个符号判断器构成。下面以第i级流水线 单元为例说明流水线单元的结构(l<i<13)。移位器4.2丄1和移位器4.2丄2 将上一级的输入信号右移i位，结果分别输出到加减器4.2丄4和加减器 4.2.i.5。符号判断器4.2丄3判断输入角度的符号，根据符号判断的结果控制 加减器4.2丄4、加减器4.2丄5、加减器4.2丄6。加减器4.2丄6有两个输入， 一个来自上一级的角度输出， 一个是来自动态参数配置器1的常数角度信 号。第一级流水线单元的输入分别来自动态参数配置器1、串并转换器4.1 和相位控制字配置器3。最后一级流水线的输出置并串转换器4.4。可编程抽取滤波器6的结构如图4所示。三级抽取滤波器设置参数 设置为第一级梳状滤波器6.1的抽取倍数为64，级数为5;第二级半带滤 波器6.2抽取倍数为2，采样频率为1.09375MHz;第三级无限冲击响应滤 波器6.3完成最后2倍抽取并进行波形整形，级数设为61，通带纹波 0.043dB，阻带纹波-42.35dB。梳状滤波器6.1处理后，信号的速率下降到 1 2M左右。其他参数根据系统要求设定。
相位控制字累加器2的时钟频率为70MHz，为了提高宽位宽加法器的 时钟频率，使用超前进位的加法单元。
相位控制字配置器3实现结构比较简单，根据相位控制字累加器2的 高3位进行判断，对低位角度信号进行取反或者求补。低位角度信号是舍 弃了高三位的输入角度信号。
坐标旋转数值计算器4的时钟频率可以设置为35MHz，这是中频信号 采样率的一半。这是因为采用了双CORDIC计算单元的结构，所以CORDIC 计算单元可以用一半的时钟频率实现计算处理，这在中频信号较高的时候 是非常有利的。
按照上述结构，即可实现数字下变频处理。从数字下变频器的处理能
力上看，其CORDIC计算单元用35MHz时钟频率完成了 70MHz采样信号 的计算处理。这种并行处理机制，提高了可以直接处理的数字中频信号频 率。
权利要求
1、一种基于坐标旋转数值计算算法的数字下变频器，其特征在于它包括依次串接的坐标旋转数值计算器(4)、输出信号配置器(5)和可编程抽取滤波器(6)；动态参数配置器(1)的输入端接外部控制信号，其输出端分别与上述各部件的输入端相接，相位控制字累加器(2)的输入端与动态参数配置器(1)的输出端，其输出端分别与相位控制字配置器(3)及输出信号配置器(5)的输入端相接，相位控制字配置器(3)的输出端接坐标旋转数值计算器(4)的输入端，坐标旋转数值计算器(4)的另一个输入端接外部的待变频信号，可编程抽取滤波器(6)的输出作为整个器件的输出；动态参数配置器(1)用于接收来自外部动态配置控制器的控制信号，对整个系统的参数进行系统配置，并分别发送给相位控制字累加器(2)，坐标旋转数值计算器(4)、输出信号配置器(5)和可编程抽取滤波器(6)；相位控制字累加器(2)将相位步进控制字进行累加，再将累加值与初始相位控制字相加，将相加得到的高位控制信号分别输出至相位控制字配置器(3)和输出信号配置器(5)；相位控制字配置器(3)将接收的累加信号进行八分圆映射处理，将处理后的角度信号输出至坐标旋转数值计算器(4)；坐标旋转数值计算器(4)包括依次串接的串并转换器(4.1)、第一坐标旋转数值计算单元(4.2)和并串转换器(4.4)，串并转换器(4.1)的输入端与外部提供的待变频的信号，并串转换器(4.4)的输出端与输出信号配置器(5)的输入端相接；并串转换器(4.4)的另一个输入端与第二坐标旋转数值计算单元(4.3)的输出端相接，第二坐标旋转数值计算单元(4.3)的三个输入端分别与相位控制字配置器(3)、串并转换器(4.1)和动态参数配置器(1)相接；第一坐标旋转数值计算单元(4.2)的另二个输入端分别与动态参数配置器(1)和相位控制字配置器(3)的输出端相接；串并转换器(4.1)将待变频的信号串行单个数据到并行双数据的格式转换，分别输出至第一坐标旋转数值计算单元(4.2)和第二坐标旋转数值计算单元(4.3)；第一坐标旋转数值计算单元(4.2)根据相位配置信号和参数配置信号对来自串并转换器(4.1)的数据信号进行坐标旋转数值计算，处理后的信号输出到并串转换器(4.4)；第二坐标旋转数值计算单元(4.3)根据相位配置信号和参数配置信号对来自串并转换器(4.1)的数据信号进行坐标旋转数值计算，处理后的信号输出到并串转换器(4.4)；并串转换器(4.4)将接收的数据进行并串转换，输出正交混频信号至输出信号配置器(5)；输出信号配置器(5)将正交混频信号按照高位控制信号提供的象限信息进行一些互换或取反的处理，并将处理后的混合频率信号输出至可编程抽取滤波器(6)；可编程抽取滤波器(6)根据动态参数配置器(1)提供的配置控制信号对混合频率信号进行抽取滤波，滤除高频载波后，再降低其采样率后输出。
2、根据权利要求1所述的数字下变频器，其特征在于相位控制字累加器包括依次串接的第一加法器(2.1)、寄存器(2.2)和第二加法器(2.3); 第一加法器(2.1)和第二加法器(2.3)的输入端均与动态参数配置器(1) 的输出端相接，第一加法器(2.1)的另一个输入端与寄存器(2.2)的输出 端相接；，第二加法器(2.3)的输出端分别与与相位控制字配置器(3)及 输出信号配置器(5)的输入端相接；第一加法器(2.1)将来自于动态参数配置器(1)的相位步进字和寄存 器(2.2)所寄存的前一个累加值，将相位控制字和来自寄存器(2.2)所寄 存的前一个累加值相加，得到下一个累加值，提供给寄存器(2.2)，寄存器 (2.2)寄存累加信号，并输出至第二加法器(2.3);第二加法器(2.3)的输入信号是来自动态参数配置器(1)的初始相位 信号和来自寄存器(2.2)寄存累加信号；第二加法器(2.3)的输出送入相 位控制字配置器(3)，在相位控制字配置器(3)中进行八分圆的映射处理。
3、根据权利要求1或2所述的数字下变频器，其特征在于可编程抽 取滤波器(6)包括串接的第一级梳状滤波器(6.1)、半带滤波器(6.2)和 无限冲击响应滤波器(6.3)，这三个部件的输入端还分别与动态参数配置器(1)的输出端相接，第一级梳状滤波器(6.1)的另一个输入端与输出信号 配置器(5),无限冲击响应滤波器(6.3)的输出端接基带处理器接口。
全文摘要
本发明公开了一种基于坐标旋转数值计算算法的数字下变频器，包括动态参数配置器、相位控制字累加器、相位控制字配置器、坐标旋转数值计算器、输出信号配置器和可编程抽取滤波器。坐标旋转数值计算器采用两个CORDIC处理单元，可以使数字下变频器能处理的频带宽带增加。本数字下变频器采用八分圆映射算法，利用正弦值、余弦值的对称性，把
分成8个区间。本发明数字下变频器与单个CORDIC处理单元数字下变频器相比，在相同相位寻址位数且处理精度不变的情况下，频率范围可提高2倍。总之，本发明中数字下变频器与传统的查表法数字下变频器相比，更容易提高精度和集成度。
文档编号H03D7/00GK101183853SQ20071016872
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者刘政林, 梦 蔡, 邹雪城 申请人:华中科技大学