DDC tabanlı kanallaştırıcı tasarımı

Son yıllardaki teknolojik gelişmelerle birlikte RF alıcı tasarımlarında analog bileşenler yerine sayısal elemanların kullanılmasına yönelik çalışmalara ağırlık verilmiştir. Yazılım tanımlı radyo sistemlerini idealde istenen duruma yaklaştırarak işaret işleme işlemlerini mümkün olduğu kadar yazılım ile çözmek hedeflenmektedir. Böylelikle esnek ve tekrar programlanabilir sistemler elde edilecektir. Geniş bantlı alıcılar aynı anda yüzlerce kanal üzerinde işlem yapmak durumunda kalmaktadır. Bu sebeple kanallaştırıcı olarak adlandırılan yapılar, RF giriş işaretini tek kanalın işaretini içeren çoklu çıkışlara ayırmaktadır. Daha önceleri sayısallaştırıcıların hızlarının istenilen seviyelerde olmaması bu yapıların gerçeklenmesini mümkün kılmamaktaydı. Sayısal ön-uç mimarilerinin gelişmesiyle esnek ve yeterli tasarımlar yapılmaya başlandı. Hızlı ve parallel işlem kapasiteleriyle FPGA'ler birçok işaret işleme uygulamasının yanında kanallaştırıcı yapılarında da sıklıkla kullanılmaktadır. Geniş bantlı sinyalleri kanallaştırmak için kullanılan en temel yöntem sayısal aşağı dönüştürme (DDC) işlemidir. DDC işlemi sayesinde örnekleme hızı azaltılarak işaretin sadece küçük bir kısmıyla ilgilenilmesi sağlanmaktadır. DDC işlemi yapılırken işarete aşağı dönüştürme, seyreltme ve filtreleme işlemleri uygulanmaktadır. Bu işlemlerin kullanım şekli ve sırasına göre farklı DDC teknikleri oluşmaktadır. Kanallaştırıcı tasarımında kullanılacak farklı DDC tekniklerinin uygulanacak sisteme göre birbirleri üzerinde avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Yapılan araştırmalarda DDC tabanlı kanallaştırıcı tasarımında genellikle CIC filtre kullanıldığı görülmüştür. Fakat farklı DDC tekniklerinin her birinin diğer tekniklere göre çeşitli avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu sebeple DDC teknikleri detaylı incelenip hangi tekniğin hangi durumlarda daha verimli olabileceği analiz edilmiştir. Kanallaştırıcı tasarımı yapılırken MATLAB Simulink platformu kullanılmıştır. Simulinkte kullanılan elemanlar Xilinx FPGA ailesine uygun olarak seçilmiştir. Ayrıca tasarlanan sistemler Xilinx ISE platformunda sentezlenmiş ve kullanılan kaynak miktarları karşılaştırılmıştır. İlk önce yaygın olarak kullanılan CIC tabanlı kanallaştırıcı tasarlanmıştır. Bu yöntemde giriş işaretine sırasıyla aşağı dönüşüm, alçak geçiren CIC filtre ve seyreltme işlemleri uygulanmaktadır. Diğer yöntem band geçiren filtre tabanlı kanallaştırıcıdır. Bu yöntemde ise giriş sinyaline sırasıyla band geçiren filtre, seyreltme ve aşağı dönüşüm işlemleri uygulanmaktadır. Giriş işareti olarak 21875 MHz ile örneklenmiş FM ve GSM sinyalleri kullanılmıştır. CIC tabanlı kanallaştırıcı için 64 ve 100 kanallı kanallaştırıcılar, band geçiren filtre tabanlı kanallı kanallaştırıcı için 32 ve 64 kanallı kanallaştırıcılar tasarlanmıştır. Benzetim sonuçları incelendiğinde band geçiren filtre tabanlı kanallaştırıcıda kaynak kullanımının kanal sayısı ile arttığı görülmektedir. Kanal sayısı arttıkça kanalların bant genişliği azalmakta, kanalların bant genişliği azaldıkça daha keskin filtre kullanımına ihtiyaç duyulmaktadır. Daha keskin filtre kullanımı da kaynak kullanımını arttırmaktadır. CIC tabanlı kanallaştırıcıda ise seyreltme oranı değiştirilerek kanalların bant genişlikleri istenildiği gibi ayarlanabilmektedir. Ayrıca CIC filtreler bir çeşit hareketli ortalamalar filtresi olduğu için çarpıcı kullanmamaktadırlar. CIC filtreler bu avantajlarından dolayı daha çok kullanılmaktadır. Fakat CIC filtreler düşük seyreltme oranlarında verimli değillerdir. 8 veya daha az kanallı kanallaştırıcılar tasarlanacağı zaman FIR filtre kullanılan DDC-Ağaç kanallaştırıcıların kullanılması önerilmektedir. Bant geçiren filtre kullanılırken filtre katsayılarının miktarı kadar DSP48 kullanılmaktadır. Çok fazlı FIR filtre kullanıldığında ise tüketilen DSP48 sayısı kanal sayısı kadar olmaktadır. Bu sebeple, bant geçiren filtre tabanlı kanallaştırıcıda artan kaynak kullanımını azaltmak için çok fazlı FIR yapısı önerilmektedir.