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想用FPGA和高速ADC做一个‘软件无线电(SDR)接收机’的入门项目,在数字下变频(DDC)和滤波器的FPGA实现上,有哪些必须注意的坑?

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3小时前
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通信工程专业,想动手做一个SDR接收机项目,学习信号处理算法的硬件实现。计划用FPGA+高速ADC采集射频信号(比如FM广播频段),然后在FPGA里做数字下变频、滤波、解调。目前卡在DDC和滤波器的设计上。对于DDC,用DDS生成NCO时,相位累加器的位宽和查找表精度如何选择才能平衡性能和资源?对于后续的抽取滤波器(如CIC、FIR),在FPGA里实现时,如何确定合适的滤波器阶数和系数位宽,才能既满足带外抑制要求,又不会占用太多DSP和逻辑资源?有没有一些经典的设计参数或开源IP可以参考?
电子技术萌新

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这家伙真懒,几个字都不愿写!
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  • FPGA学习笔记

    FPGA学习笔记

    我当初做SDR接收机时,在DDC和滤波器上踩过不少坑。先说NCO,相位累加器位宽决定了频率分辨率,一般取32位或48位,这样频率步进可以非常小。查找表精度(比如正弦波幅度位数)通常取12到16位,再高对性能提升有限但消耗大量BRAM。一个实用技巧是只存1/4周期正弦波,通过象限映射来节省存储。

    滤波器是资源消耗大户。CIC滤波器结构简单,适合高倍率抽取,但通带不平坦,通常后面要跟一个补偿FIR。CIC的阶数和级联数决定了阻带衰减,但也会增加位宽扩展,内部数据位宽要仔细计算防止溢出。FIR滤波器的阶数取决于过渡带和带外抑制要求,可以用MATLAB的fdatool或Python的scipy.signal设计。系数位宽通常取16到18位定点,用对称结构可以节省一半乘法器。

    建议先用MATLAB或Python仿真整个信号链,确定好参数后再写代码。Xilinx和Intel都有免费的DDC IP核(如DDS Compiler、FIR Compiler),可以研究它们的文档和参数配置,这是很好的学习材料。注意仿真时一定要用带量化的定点模型,才能反映真实的硬件性能。

    14分钟前
  • FPGA萌新成长记

    FPGA萌新成长记

    老哥,咱俩情况差不多,我也在搞这个。说点实在的,第一个大坑就是数据位宽爆炸。ADC出来数据可能14位,经过NCO混频、滤波器乘法,中间数据位宽会不断增长,如果不做截位或饱和处理,资源根本扛不住。建议每一步都做定点仿真,确定每个节点该保留多少位。第二个坑是时序。DDC和滤波器链是流水线,但如果你用了高抽取率,数据速率降得很快,前后时钟域处理不好容易丢数。用AXI-Stream接口来传递数据流是个好习惯,很多IP核都支持。关于参数,对于FM广播,中频可以选10.7MHz(标准FM中频)或更低。NCO频率设置成这个中频,就能下变频到基带。CIC滤波器,它的阶数(通常3-5阶)和微分延迟(1或2)影响响应,用MATLAB的cicdecimator函数设计看看。FIR补偿滤波器阶数不用太高,64点或128点可能就够了,重点是把CIC造成的通带凹陷拉平。资源上,Vivado的DDS Compiler和FIR Compiler IP非常好用,先别自己写,用IP核快速搭起来,看报告理解资源消耗,再针对性优化。最后,一定一定先从低采样率、低数据量开始验证功能,比如先用DDS产生一个单音信号,过一遍你的DDC链路,看频谱对不对,再接真实ADC。

    32分钟前
  • Verilog练习生

    Verilog练习生

    DDC这块,相位累加器位宽决定了频率分辨率,一般取32位或以上,这样频率步进可以非常小。查找表精度(比如正弦波幅度位数)影响信噪比,10-12位对于入门项目通常够了,再高资源消耗会剧增。关键坑是相位截断和幅度量化带来的杂散,记得做仿真看频谱。滤波器方面,别一上来就追求高性能,先明确你的需求:FM广播带宽也就200kHz左右。CIC滤波器适合高倍抽取,但通带不平,后面通常要跟一个补偿FIR。FIR的阶数和系数位宽用MATLAB的fdatool或Python的scipy.signal设计,设定好采样率、通带/阻带边界和衰减要求,工具会给出最小阶数。系数位宽一般取16-18位定点,再配合FPGA里的DSP Slice(支持18x25乘法)就挺高效。资源方面,多用系统生成器或Vivado的FIR IP核,它们可以自动优化成多相结构,节省资源。开源可以看HPSDR、OpenCPI的项目,但入门建议先吃透一个简单的单通道DDC链路。

    32分钟前
  • FPGA萌新在路上

    FPGA萌新在路上

    老哥,搞SDR入门项目,DDC和滤波这块确实容易踩坑。我当年也折腾过,说点实在的。

    首先,NCO的相位累加器位宽,你要是做FM广播,88-108MHz,中频可能选几十MHz,频率分辨率要求不用太高。但为了通用性,直接上32位吧,现在FPGA资源都不差,这样频率字设置灵活。查找表精度,如果你ADC是14位,那LUT用16位正弦值基本够了,用Block RAM实现,注意处理好象限映射,可以只存1/4周期来节省资源。

    最大的坑可能是数据位宽的膨胀和截断。DDC混频后数据位宽会变宽(比如ADC 14位,混频后可能到28位),后面滤波器的乘加运算会让位宽进一步增加。你必须仔细规划每个环节的位宽,在适当的地方进行舍入或截断,否则要么溢出,要么浪费资源。建议用定点仿真全程验证。

    滤波器设计,别自己从头写滤波器IP,尤其是CIC。用Vivado或Quartus里的FIR Compiler、CIC Compiler这些IP核,它们已经优化好了,你只需要设置参数。参数怎么定?先在MATLAB里仿真整个链路:确定ADC采样率、中频、信号带宽。然后算需要多少倍的抽取,再根据带外抑制要求设计滤波器。IP核会告诉你需要多少DSP和RAM。

    一个常见的误区是过度设计。FM信号带宽也就200kHz左右,你的滤波器过渡带可以设宽点,这样阶数大幅下降。先让项目跑起来,收到声音,再慢慢优化性能。开源参考可以看看FPGA开源社区(如OpenCores)的SDR相关项目,或者GitHub上一些大学的课程项目。

    1小时前
  • 电子技术探索者

    电子技术探索者

    DDC这块,相位累加器位宽决定了频率分辨率,一般取32位或以上,这样频率步进可以非常小。查找表(LUT)精度影响杂散性能,通常取10-16位。一个经验是,LUT位宽比DAC/后续处理位宽多2-4位就够了,比如你最终要16位数据,LUT用18-20位。资源上,可以用Block RAM存正弦表,或者用CORDIC算法实时计算,后者省RAM但耗逻辑。

    滤波器方面,别一上来就追求高性能。先用MATLAB或Python的fdatool设计原型,确定过渡带、阻带衰减需求。CIC滤波器适合高倍抽取,但通带不平,通常后面要跟一个补偿FIR。FIR的阶数跟过渡带宽度直接相关,过渡带越窄阶数越高。系数位宽影响滤波精度,可以先仿真确定量化后的性能是否达标。FPGA实现时,用对称结构节省乘法器,用流水线提高速度。

    建议先找一些开源的SDR项目看看,比如hackrf、rtl-sdr相关的FPGA代码,理解他们的参数选择。动手时先从低采样率、简单调制(如AM)开始,逐步增加复杂度。

    1小时前
  • 嵌入式学习者

    嵌入式学习者

    我当初做SDR也卡在这里,说点经验。

    DDC的NCO,相位累加器位宽通常设32位,这样频率调谐字(FTW)有足够精度,你算频率时直接用公式:输出频率 = (FTW / 2^32) f_clk。查找表精度我推荐用16位,配合16位ADC比较匹配。但LUT不用存完整2^32地址,太傻。一般取相位累加器的高12-16位去查表,低位数就当相位截断误差,影响不大,实在介意就加个简单抖动。

    滤波器设计上,先明确指标:比如FM广播,带宽200kHz,采样率可能几十MHz,抽取比很大。我建议第一级用CIC,因为能同时抗混叠和降数据率,结构规整。CIC的抽取比可以设大点,比如64,但注意通带衰减,200kHz带宽在高速采样下可能只是低频一小段,衰减不明显,但还是要算一下。

    第二级用FIR补偿滤波器,把CIC压低的通带抬起来。FIR系数用Matlab的fir2或fdesign工具生成,记得量化到16位定点。阶数不用太高,100左右足够,因为CIC已经做了大部分抑制。FPGA实现时,用分布式算法或乘加器(DSP48),看资源情况。

    关键点:仿真时一定要用定点模型,对比浮点,看信噪比损失。资源上,CIC几乎只用寄存器和加法器,FIR吃DSP单元,规划好。

    开源参考:GitHub上搜"SDR FPGA",很多项目用Verilog写DDC和滤波器,比如一些FM接收机项目,可以借鉴结构。还有,Xilinx的LogiCORE IP里有个DDS Compiler和FIR Compiler,文档里给出了很多设计案例,即使不用IP,也能学参数选择。

    最后提醒:时钟域和数据流控制要小心,ADC数据进来是高速时钟,经过抽取后变低速,做好跨时钟域处理(比如用FIFO)。

    2小时前
  • Verilog代码小白

    Verilog代码小白

    先抓痛点:新手最怕资源爆了或者性能不达标,调半天不出结果。

    DDC部分,NCO的相位累加器位宽决定了频率分辨率,公式是 Δf = f_clk / 2^N。比如时钟100MHz,想要1Hz分辨率,N得27位左右,但一般用32位更灵活。查找表(LUT)精度就是正弦波幅值的位宽,常用12-16位。太高吃内存,太低信噪比差。一个平衡做法:相位累加器高位截取(比如取高12-16位)去寻址LUT,能减少LUT深度,同时用相位抖动(加噪声)改善杂散。

    滤波器是重头戏。CIC滤波器结构简单,但通带不平,常用于高倍抽取的第一级。关键参数是阶数和微分延迟。阶数越高,带外抑制越好,但通带衰减也越严重,通常用3-5阶。注意CIC的增益很大,计算时中间数据位宽会膨胀,公式是 B_out = B_in + Nlog2(RM),其中N是阶数,R是抽取比,M是延迟。必须预留足够位宽,否则溢出就废了。

    FIR滤波器用来补偿CIC的通带衰减并进一步抑制带外。系数位宽常用12-18位,用定点。阶数取决于过渡带和抑制要求,可以用fir1工具(如Matlab)估算。FPGA实现时,考虑用对称结构省资源,或者用半带滤波器(抽取2倍时特别高效)。

    建议步骤:先用Matlab或Python仿真整个链路,确定DDC频率、抽取比、滤波器系数。然后写Verilog,重点仿真数据位宽变化,确保不溢出。可以看看开源项目,比如hpsdr、OpenHPSDR,或者Xilinx的DDC IP核文档,里面有很多实用参数。

    避坑:别一上来就追求高精度,先从低分辨率(如12位ADC、14位NCO)做起,资源更可控。滤波器系数可以量化后导入FPGA,用ROM存。注意时序,多级滤波器可能引入较大延迟,影响实时性。

    2小时前
  • Verilog代码练习生

    Verilog代码练习生

    我做过类似的,直接说经验吧。最大的坑不是参数选择,而是数据位宽的全程管理。从ADC采进来的数据,经过DDC混频、滤波、抽取,每一步的增益、动态范围都在变,如果位宽没规划好,要么溢出饱和,要么精度丢光。比如,NCO的DDS输出和ADC数据相乘后,位宽会扩展,你要立即做截位或舍入,而不是等到最后。滤波器系数量化也是个暗坑,别直接用浮点系数,要用定点仿真验证性能损失。对于FM广播这种带宽不大的,CIC+FIR的级联很常用,你可以先用MATLAB把整个链路过一遍,确定每级抽取倍数和滤波器指标,然后再写代码。资源上,FPGA的DSP单元是有限的,如果一个FIR阶数太高,试试多相分解或者用多个小滤波器级联。记住,先让功能跑起来,频谱看起来干净,再考虑优化资源。网上有些大学的课程项目报告(比如UC Berkeley的)会给出具体参数,参考价值很大。

    2小时前
  • 单片机爱好者

    单片机爱好者

    DDC这块,相位累加器位宽决定了频率分辨率,一般取32位或更高,这样频率步进可以非常小。查找表精度(比如正弦波ROM的位宽)影响信号质量,10-12位对于入门项目通常够了,再高资源消耗会猛增但改善有限。关键坑是相位截断和幅度量化噪声,你得做仿真看看频谱纯净度能不能接受。滤波器部分,CIC是首选,因为结构简单适合高速抽取,但它的通带不平坦,通常后面要跟一个补偿FIR。CIC的阶数和级数决定阻带衰减,但也会引入更大的通带衰减,需要权衡。FIR系数位宽一般取16-18位定点,先用MATLAB/fdatool设计,导出系数,再在FPGA里用DSP Slice实现乘累加。资源方面,尽量用系统的FIR Compiler IP,它已经优化好了。开源可以看HPSDR、OpenCPI的项目,但文档可能不多,建议从简单参数开始,调通了再优化。

    2小时前
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