关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 数字下变频电路的FPGA实现.pdf

数字下变频电路的FPGA实现.pdf

数字下变频电路的FPGA实现.pdf

上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《数字下变频电路的FPGA实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含西安电子科技大学硕士学位论文数字下变频电路的FPGA实现姓名:陈东坡申请学位级别:硕士专业:微电子学与固体电子学指导教师:宣荣喜摘要软件无线电是一种符等。

西安电子科技大学硕士学位论文数字下变频电路的FPGA实现姓名:陈东坡申请学位级别:硕士专业:微电子学与固体电子学指导教师:宣荣喜摘要软件无线电是一种以现代通信理论为基础以数字信号处理为核心以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构目前以通用的可编程逻辑器件或数字信号处理器构建硬件平台是当前移动通信领域的研究热点之一。而数字下变频技术(DigitalDownConverter,DDC)作为软件无线电数字接收机的主要技术瓶颈之一也成为热点研究课题。目前虽然有专门的DDC芯片来实现数字下变频功能但是用专用DDC芯片完成数字下变频功能虽然它有抽取比大、性能稳定的优点但是价格昂贵系统升级及功能扩展的灵活性很差。使用可编程逻辑器件则可提高数字下变频的灵活性。本文就是针对数字下变频技术展开研究通过对数字下变频的DSP相关理论和关键模块的分析和设计采用FPGA设计实现数字下变频功能。本文的主要研究工作包括以下几个方面的内容:.在软件无线电技术基础上比较详细的讨论了数字下变频的基本原理算法和实现方式。.在掌握了FPGA技术的基本理论和设计流程上分析了用FPGA实现数字信号处理算法的可行性和优势为使用FPGA实现DDC电路打下基础。.通过FPGA器件(Altera公司的StratixII系列的EPS)完成DDC系统的各个模块设计实现了从输入的宽带高速数字信号中提取得到所需的窄带信号将其下变频为数字零中频信号并降低数据的速率从而实现DDC电路功能并对其进行仿真与结果分析。本文用FPGA实现了软件无线电中的关键技术一数字下变频(DDC)。通过使用FPGA来实现数字下变频功能可以根据不同的系统要求采用不同的结构来完成相应的功能具有很大的灵活性便于进行系统的功能扩充和升级。该方案具有设计灵活修改方便完全可编程的优点在价格方面也具有很大的优势因此用FPGA来实现数字下变频具有实际意义和研究价值。关键词:软件无线电数字下变频FPGAAbstractSoftwareradioisanewwirelesscommunicationarchitecture也attakestheCommunicationstheoryasthefoundationtakestheDSPtechnologyasthecoretakesmicroelectronictechnologyassupport.AtpresentusingthePLDortheDSPchiptosethardwareplatformisoneofcurrentmobilecommunicationdomainresearchhotspots.BecauseDDCisoneofsoftwareradioreceivesystem’Smajortechniquebottleneckstheresearchforitalsobecomesthehottopic.UsingPLDcanenhanceDDCflexibility.ThisarticleisaimsDDCtechnologytolaunchtheresearchusedtheFPGAdesigntorealizeDDCfunctionthroughDSPtheoriesandessentialmoduleanalysis.Inthepaper,thefollowingsarethemainlycontent:.Baseonsoftwareradiotechnology,elaboratedDDCbasicprinciplealgorithmandrealization..AnalyzedfeasibilityandsuperiorityofusingFPGAtorealizeDSPalgorithmbuildthefoundationofusingFPGAtorealizetheDDCfunction..UsingFPGAdevice(EPS)toaccomplisheachmoduleofDDCsystemrealizedthenarrowbandsignalwhichtheextractionobtainsfromtheinputwidebandhighspeedsignalmakeitdowntothedigitalzerointermediatefrequencysignalandreductionthedataspeedrealizethefunctionofDDCandtakethesimulationandresultanalysis.ThearticledesignisDDCsystemrealizationbasingonFPGA.IthashighversatilityandflexibilitythatusingFPGArealizeDDCcanusesthedifferentstructuretocompletethecorrespondingfunctionaccordingtothedifferentsystemrequestisadvantageouscarriesonsystem’Sfunctionexpansionandthepromotion.thesystemhashighversatilityandflexibility,andreducedthedevelopmenttimeandthedevelopmentcost.SousingFPGAtorealizeDDChasthepracticalsignificanceandtheresearchvalue.Keyword:softwareradioDDCFPGA西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学分和优良的科学道德本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切的法律责任。本人签名:醢!盆丝日期趔:卵西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。日期丝墨兰:翌日期』笋第一章绪论第一章绪论数字下变频技术作为软件无线电数字接收机的主要技术瓶颈之一是当今的热点研究课题。本章中将引出全文重点研究的课题一数字下变频技术。本章分为两节在第一节中将介绍软件无线电中的数字下变频。在第二节将概述全文的内容安排与结构。.软件无线电中的数字下变频本节分为两部分第一部分为软件无线电的概述第二部分为软件无线电中关键技术一数字下变频的概述数字下变频的目的、功能以及电路的实现方式。..软件无线电概述软件无线电作为未来通信乃至未来无线电技术的发展方向其概念一经提出就受到全世界无线电领域的广泛关注。在本小节中将介绍软件无线电概念的由来软件无线电在无线通讯体制中的优势以及软件无线电的基本体系结构。...软件无线电的由来软件无线电的概念是在年月由MILTRE公司的JeoMitolo首次提出来的其中心思想J是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台将各种功能如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。软件无线电的最终目的就是要使通信系统摆脱硬件系统结构的束缚。在系统结构相对通用和稳定的情况下通过软件实现各种功能使得系统的改进和升级非常方便代价又很小且不同的系统之间能够互联和兼容。数字下变频电路的FPGA实现软件无线电的核心是将宽带A/D和D/A变换器尽可能靠近天线即把A/D和D/A从基带移到中频甚至射频把接收到的模拟信号尽早数字化然后用实时高速DSP做A/D后的一系列处理使无线电系统的各种功能通过软件进行定义。...软件无线电的优势软件无线电具有现有无线通信体制所不具备的许多优点有着广泛的应用前景特别是对多频段、多用户、多模兼容或互联系统。这些应用前景不仅包括军用更包括民用领域。软件无线电的优势【l【】主要表现在以下五点:)完全的数字化:力图将基带信号、中频信号甚至射频信号进行数字化这是一种比以往任何一种无线电系统数字化程度都高得多的技术。)完全可编程性:软件无线电通过一种通用的硬件平台将无线电中原来由模拟电路完成的各种功能通过相应的软件来完成包括:宽带的可编程的信道调制方式、可编程的射频和中频频段、可编程的信道解调方式、信源编码、解码方式等等。)系统升级及功能扩展的灵活性:软件无线电系统功能使用软件来实现所以只要改变相应的软件就可完成对设备的升级。)系统便于模块化:利用软件无线电的基本思想对现行的无线电系统进行模块化设计模块的物理及电气接口性能指标符合统一、开放的标准。)成本的节约:由于软件无线电能形成各种调制波形和通信协议故不仅能和新体制的电台通信还能与旧体制的电台兼容。这样既延长了旧体制电台的使用寿命也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。...软件无线电的结构软件无线电的基本思想【是以一个通用、标准、模块化的硬件平台作为依托通过软件编程来实现无线电台的各种功能从基于硬件面向用途的电台设计方法中解放出来。其功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路尤其是减少模拟环节把数字化处理(A/DD/A第一章绪论变换)尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性通过软件的更新来替代硬件配置结构的变换实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构以利于硬件模块的不断升级和扩展。目前软件无线电主要有三中结构f】:射频低通采样数字化结构(图.)射频带通采样数字化结构(图.)宽带中频带通采样数字化结构(图.)。图.射频低通采样数字化射频低通采样数字化其结构最简洁把模拟电路的数量减少到最低程度从天线进来的信号经过滤波放大后就用A/D进行采样数字化。这种结构不仅对A/D转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等提出了非常高的要求同时对后续的DSP的处理速度也要求特别高实现十分困难。图.射频带通采样数字化结构射频带通采样数字化结构与低通采样软件无线电结构的主要不同点是A/D前采用了带宽相对较窄的电调滤波器然后根据所需的处理带宽进行带通采样从而降低了A/D采样的速率要求对后续的DSP的处理速度也可以随之大大降低。但是这种结构对A/D工作带宽的要求仍然较高实现上仍有一定的困难。数字下变频电路的FPGA实现图.宽带中频带通采样数字化结构宽带中频带通采样数字化结构这是目前主要采用的结构。这种结构对器件的要求不是那么苛刻比较容易实现。该结构从中频段对信号采样数字化然后所有的调制解调都是以数字化的方式来实现可以方便地进行升级和更改。从另一方面来看由于数字化从中频段才一开始整个系统的灵活性也就相应地降低了。随着AD和DA技术的进步数字化阶段会进一步向射频段发展从而实现真正的纯数字化的软件无线电平台。..数字下变频概述数字下变频为软件无线电中数字接收机实现中的关键技术在该节中将介绍数字下变频的目的功能以及实现方式。...数字下变频概况下变频的目的是为了降低信号的载波频率或是直接去除载波频率得到基带信号。而对于数字下变频而言往往是通过下变频直接得到所需要的数字基带信号。数字下变频的功能与模拟下变频一样就是完成输入信号与一个本地振荡信号的乘法运算。在模拟下变频器中混频器的非线性和模拟本地振荡器的频率稳定度、边带、相位噪声、温度漂移、转换速率等都是人们最关心和难以彻底解决的问题。这些问题在数字下变频中是不存在的频率步进、频率间隔等也具有理想的性能。数字下变频器的控制和修改较容易等特点也是模拟下变频器无法比拟的。与模拟下变频相比数字下变频的运算速度受DSP处理速度的限制同时其运算速度决定了输入信号数据流第一章绪论可达到的最高速率相应的也限定了A/D转换器的最高采样速率。另外数字下变频的数据精度和运算精度也影响着接收机的性能所以数字下变频器必须优化设计。影响数字下变频器性能的主要因素J有两个:一是表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差二是数字本振相位的分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似取值。用硬件实现数字下变频与抽取而不给通带内增加额外噪声进而不影响整机处理增益的获取理论上不存在问题。由...中的分析可以知道在目前普遍使用的宽带中频带通采样数字化结构中作为信号经ADC后数字处理的第一步处于数字接收机中数据率最高的部分数字下变频是数字接收机中的主要技术瓶颈之一因此数字下变频成为软件无线电数字接收机研究方面的热点。...数字下变频的实现方式目前实现数字下变频的方法主要有三种:软件实现专用硬件芯片FPGA实现。用软件方式实现下变频时由于数字下变频数据流速率始终是输入信号的采样频率而软件无线电ADC的采样频率很高用这种方法实现下变频时对DSP的要求较高至少要比ADC采样速率大一到二个数量级因此仅适用于变频比不大或带宽不大的特殊应用场合不能很好满足软件无线电宽带、开放的要求。数字下变频专门硬件芯片功能较强大的有Intersil公司的单信道DDC产品HSPB和四通道产品HSP应用比较广泛的还有GrayChip公司AnalogDevices公司与StanfordTelecom公司的产品。数字下变频专门硬件芯片功能强大能够比较好的实现所需要的功能但是缺点是成本较高缺乏灵活性如中频跟踪、抽取比大小、子频带带宽等参数无法灵活选择。由于下变频器的工作过程不是非常复杂可以很方便的利用FPGA技术来实现。FPGA的设计和修改非常灵活其灵活性和方便性与软件相差无几。同时FPGA是高速可配置的逻辑电路其物理和逻辑的布局布线是为数字下变频电路的FPGA实现状态机和顺序逻辑快速实现而设计的单片集成度己达百万门以上可用于复杂的数字信号处理如卷积、相关和滤波。应用FPGA实现数字下变频可以根据不同的系统要求采用不同的结构来完成相应的功能具有很大的灵活性便于进行系统的功能扩充和升级。目前在设计软件无线电系统中计算量最大的数字下变频和抽取系统时一般都是用硬件可编程芯片实现。.本文主要内容及结构本课题来自本人所在的实验室的“弹载合成孔径雷达系统研制”项目本人主要负责基于FPGA的数字下变频电路的设计与仿真验证。在本文较详细的研究了软件无线电中的关键技术数字下变频以及通过FPGA来实现数字下变频的具体方法并最终使用FPGA器件EPS成功实现了数字下变频功能并且进行了仿真和结果分析。全文分为五章:第一章绪论简要的介绍了软件无线电的概况和软件无线电关键技术数字下变频的概况第二章软件无线电基本理论主要介绍软件无线电的基本理论以便为后续的研究工作打下基础第三章数字下变频电路算法详细分析了数字下变频中需要用到的DSP算法第四章用FPGA实现DSP算法重点讨论FPGA的特点与设计流程以及使用FPGA实现DSP算法的可行性和优越性第五章用FPGA实现数字下变频详细阐述了通过FPGA器件EPS设计并实现的数字下变频电路并且给出了仿真结果与结果分析第六章总结与展望对论文中涉及的内容进行了总结展望了FPGA实现数字信号处理的前景并且提出了下一步工作的方向。第二章软件无线电基本理论第二章软件无线电基本理论软件无线电是一种以现代通信理论为基础以数字信号处理为核心以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构。本章将重点介绍软件无线电中基本理论主要包括信号采样理论、多速率信号处理以及数字正交变换理论。这些理论在软件无线电的研究与开发中是必不可少的也是非常重要的。.信号采样理论软件无线电的核心思想J就是对由天线感应的射频模拟信号尽可能的直接进行数字化以便将其转变为适合DSP或计算机处理的数据流。因此软件无线电首要的任务就是对工作频带进行采样。采样是将模拟信号进行数字处理的关键一步其实质是对连续的模拟信号进行时域均匀离散化处理即在时间上离散化采样以离散的瞬间值代替原始的连续信号采样间隔或采样频率要满足采样定理。..Nyquist采样定理Nyquist采样定理f】也称Nyquist第一采样定理是针对基带信号而言的又称低通采样定理:设有一个频率带限信号工O)器频带限制在(o厶)内如果以不小于is=厶的采样速率对xO)进行等间隔采样得到时间离散的采样信号xG)=石OB)(其中乃=/is称为采样间隔)则原信号xO)将被所得到的采样值z(”)完全地确定。采样后的信号频谱为原信号频谱移频后的多个谱叠加如果原信号x(f)的频谱如图.(a)所示那么采样后的信号频谱就如.(b)所示。由图.(b)可见Xs(w)中包含有x(w)的频谱成分如图中阴影部分所示只要满足is/或WⅣwⅣ式()则阴影部分不会与其它频率成分相混叠。这时只需要在AD变换前加一个数字下变频电路的FPGA实现带宽为Ws的低通滤波器就能防止采样后的信号频谱混叠。JI‘一\’’j||||一ⅥH、~H(a)()图.基带信号采样前后的信号频谱由上述采样定理可知如果以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样就不会产生混叠所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。Nyquist采样定理的意义在于时间上连续的模拟信号可以用时间上离散的采样值来代替这样就为模拟信号的数字化处理奠定了理论..带通信号采样定理带通信号采样定理【】又称Nyquist第二采样定理、欠采样定理、带通采样定理或中频采样定理。Nyquist第一采样定理只讨论了频谱分布在(o厂Ⅳ)上的基带信号的采样问题如果信号的频率分布在某一有限的频带魄厶)上时那么该如何对这样的带限信号进行采样呢当然根据Nyquist采样定理仍然可以按fs厶的采样速率来进行采样。但是可以想象当厂矿>B=厶一^时也就是当信号的最高频率厂Ⅳ远远大于其信号带宽B时如果仍按Nyquist采样率来采样的话第二章软件无线电基本理论则其采样率会很高以至很难实现而且后处理的速度也满足不了要求。由于带通信号的带宽本身并不一定很宽那么能不能采用比Nyquist采样率更低的速率来采样呢甚至用两倍带宽的采样率来采样呢这就是带通信号采样定理所要解决的问题。.带通信号采样定理【】:设一个频率带限信号xO)其频率限制在魄厶)内如果其采样率满足:’乓:兰丝』丝式()c一一^~\厶厶/。ZzI式中厂二魄一无)。万取整数则用厶进行等间隔采样所得到的信号采样值xO马)能准确地确定原信号xO)。式(.)也可以用带通信号的中心频率兀和频率带宽B表示为:厶=熹式中fo=丑{丛刀取能满足厶B(召为频率宽度)的最大正整数。二显然当fo=厶/、B=厶时取n=式()就是Nyquist采样定理即满足瓜=厶。由式()可见当频带宽度B一定时为了能用最低采样速率即两倍频带宽度速率(fs=B)对带通信号进行采样带通信号的中心频率必须满足:兀=掣B或^厶=(n归也即信号的最高(或最低)频率是带宽的整数倍。谱示意图如图.所示。式()带通信号采样前后的频数字下变频电路的FPGA实现爪爪。一屹一wo一%wLwo%(a)采样前的频谱X。(W)n爪n风OBWsWs(b)采样后的频谱图.带通信号采样前后的频谱值得指出的是上述带通采样定理适用的前提条件是:只允许在其一个频带上存在信号而不允许在不同的频带上同时存在信号否则将会引起混叠。但实际的信号往往会在多个频带上都有信号为解决这一问题一般要在采样之前先将信号通过一个带通滤波器也称抗混叠滤波器。..过采样与欠采样当采样频率人超过信号最高频率的倍(即采样率大于Nyquist采样率称为过采样)时称为“过采样’’。当在接受机中以Nyquist采样率对射频或中频信号采样时带外信号的较大幅度通过采样可以产生频谱的棍叠影响有用信号。为了降低采样信号频谱混叠造成的信号失真在采样之前要将模拟信号通过一个抗混叠滤波器。理想的Nyquist采样要求抗混叠滤波器对于最高频率之上的信号施加无穷大的衰减以避免产生频谱混叠这样的严格要求通常是不现实的。为了缓解Nyquist采样对抗混叠滤波器的要求可以适当提高采样率即使用采样率大于"Nyquist采样率的过采样方法。欠采样与过采样的原理相反一般而言当采样速率低于两倍信号最高频率时称为欠采样。第二章软件无线电基本理论欠采样方案无疑降低了AID转换器的采样频率对ADC器件和抽取滤、数字信号处理器件的要求大为降低。此外欠采样通过精心选择采样频率和Ⅲ频率可以避免带外谐波、杂散混叠等干扰。欠采样还具有类似于变频器的作用一般对信号进行欠采样其频谱将会被折叠到基带(或称第一奈奎斯特区)。虽然频谱的采样折叠与混频不同但结果十分相似只是信号采样的频谱是周期性折叠的。.多速率信号处理根据..中的Nyquist采样定理若信号最高频率为厶只要f=厶即可保证信号频谱不重叠但实际应用时往往选择厂。》f即过采样。在现代通信系统中常采用过采样技术的原因是多方面的。比如模拟前端要适应多信道宽带要求对于某一窄带信道而言宽带ADC必然是一种过采样另外过采样本身具有许多优点比如前面提到的过采样可降低量化噪声还可降低对ADC前的抗混叠滤波器的要求等。但过采样后的数据率对于基带处理来说是很不经济的而且也没必要所以在完成数字下变频的同时还需要降低数据率以满足基带处理要求这即是多采样率信号处理过程要解决的问题。其中最基本的两个过程是:抽取和内插抽取用于降低数据率而内插则用于提高数据率。..整数倍抽取所谓整数倍抽取【】是指把原始采样序列x(n)每隔(D.)个数据取一个以形成一个新序列而(聊)这里D是指一个整数表示抽取。这样的抽取称为整数倍抽取D为抽取因子。抽取前后的序列用数学表达式可表示为:杨(砌=x(删这样的系统可以用图.(a)表示如果用符号表示则如图.(b)所示。图中(c)(d)分别表示抽取前后的数据序列。数字下变频电路的FPGA实现x(甩)XD【肌)抽取器(a)(c)x(刀)XD【mJ山D(b)(d)图.抽取系统框图以上是在时域中讨论整数倍抽取是怎样进行的抽取看似简单只要每隔(D.)个采样点抽取一个。其实问题并不如此简单因为如果x(")序列的采样率为f则其无模糊带宽为Z/。当以D倍抽取率对x(行)进行抽取后得到的抽取序列b(m)的抽样率为Z/D其无模糊带宽为f。/(D)当x(船)含有大于Z/(D)的频率分量时%(m)就必然产生棍叠导致从杨(m)无法恢复x(n)中小于f,/(D)的频率分量信号。所以随意对x(n进行抽取是不行的。只有在抽取之后的抽样率仍然符合抽样定理的要求是才能恢复出原来的信号x(n来否则就必须另外采取措施。通常采取的措施是抗混叠滤波。所谓抗混叠滤波就是在抽取之前对信号进行低通滤波把信号的频带限制在co,/(D)以下其中q=万再进行D倍抽取则抽取后的频谱将不发生混叠。这时的抽取系统框图如图.所示图中HfP为抗混叠滤波器。A\几/而Lm夕日()上D图.完整的具有抗混叠滤波器的D倍抽取器第二章软件无线电基本理论..整数倍内插内插【就是指在两个原始信号抽样点之间插入(一)个零值若设原始抽样序列为x(以)则内插后的序列工(m)为:(m):{x(予)(朋=。』L。)l式。Io其他胛m(a)(b)图.内插过程\“。\\H》个I图.内插的符号表示接下来讨论内插的信号频谱墨(P。)与原始谱x(eJca)之间的关系从中可以很好的理解内插器的作用。内插后的信号频谱为:五(纱)=x()式()由式()可知内插后的信号频谱为原始序列谱经I倍压缩后得到的谱。这时在置(PJ。)中不仅含有x(P归)的基带分量而且还含有其频率大于万/的数字下变频电路的FPGA实现高频成分(称其为x(P问)的高频镜像)为了从一(P归)中恢复原始谱必须对内插后的信号进行低通滤波(滤波器带宽为州)滤波后恢复的信号如图.(c)所示。也就是说原来插入的零值点变为x(n)的准确内插值经过内插大大提高了时域分辨率(通过抽取则提高了频域分辨率)。完整的I倍内插器的结构图如图.所示。(a)原‘Z(e归)籍诸\以八.入\/.一万O万l力力(C)滤一n呵吲l兀|l冗n图内插(I==)前后的频谱图L/弋IAI\F/H.Pej缸、’图.完整的内插器方框图..取样率变换的多级实现。e弘)前面在讨论取样率抽取时是按单级实现来考虑的即D倍抽取或内插一次完成如图.。虽然看起来简单但在实际实现时如果抽取倍数D或内插倍数I很大时所需的低通滤波器h(胛)的阶数将非常高甚至无法实现。图第二章软件无线电基本理论.所示为多级抽取内插实现框图。(a)D=D。D:【...................J...................:......:.|(b)』=。:图.抽取内插器的单级买现盟伍砰吨习塑卜群’(a)q忿=D盟也丹吨囹匦卜群’(b)厶厶=图.抽取内插器的多级实现为了说明这个I'口J题比如在抽取当中若输入采样速率为Z=MHz抽取倍数D为即最终需要得到kHz的采样速率信号带宽为kHz则需要的低通滤波器特性如图.所示要求阻带衰减小于.用窗帘函数法设计这样的滤波器时可以求得需要的滤波器阶数为这样的滤波器实现起来是非常困难的。kHz。舭图.单级实现时的滤波器特性如果用两级抽取实现D=D=(D=D。D)那么可以求得N=N:=。(每级滤波器的频率特性如图.所示。)很明显分级数字下变频电路的FPGA实现抽取后滤波器的阶数大为减少所以采用多级抽取可以大大降低对滤波器的设计要求。图.多级实现时的滤波特性上面分析的是对于抽取的情况同样对于多级实现的内插也可以达到相同的效果。需要注意的是在进行每一级低通滤波器设计时有两点要求:一是每级滤波器的通带宽度不能小于信号宽度。二是过渡带是可变的取决于每一级的抽取倍数即过渡带的截止频率不能大于该级输出取样率的一半。.数字正交变换理论在本节中将对数字正交变换理论做较详细的讨论包括数字正交理论的概念与正交变换的实现方式。..数字正交理论概述自然界的物理可实现信号f(t都是实信号而实信号的频谱具有共轭对称性即满足:x(f)=X(f)式()即表示实信号的正负频率幅度分量是对称的而其相位分量正好相反。故而一个实信号只需其正频部分或负频部分就能完全加以描述不丢失任何信息也不会产生虚假信号。对于一个正频信号z(t)其频谱z(厂)可以表示为:第二章软件无线电基本理论z(s)=X(f)f>x(厂)f=.f<x(s)={of=厂>【f<z(厂)=x(厂)日(厂)于是z(f)=x(f)x(f)串h(t)定义:引酬=丢e盟tz"df称之为x(t)的Hilbert变换。于是得到zt)=石(f)芦x(f)而(f)=x(于)图.Hibert正交变换(于)=电(f)式()由此得出结论:一个实信号x(t)的正频率分量所对应的信号zt)是一个复信号其实部是原信号x(f)而虚部为原信号x(t)的Hilbert变换。把z(f)的实部叫做x(f)的同相分量把z(f)的虚部叫做x(f)的正交分量可以证明zt)数字下变频电路的FPGA实现的买邵x(t)与它的虚邵Hlx(f)j是正父的。对一个实信号进行正交分解的意义在于:一个复信号z(f)极坐标表示为:z(f)=口(于)‘)则z(t)的瞬时包络a(t)为:d于)=聋(力守z(t)的瞬时相位缈(f)为:北)一帮)z(t)的瞬时角频率缈(f)为:雄)=盟一其中日’x()=石d{日x(r))x’(f)=百dx(t)。式()那么非常很明显从解析信号很容易获得信号的三个特征参数即瞬时幅度瞬时相位和瞬时频率而这三个特征参数是信号分析、参数测量或识别解调的基础。..正交变换实现方式图.为用模拟方法实现信号的正交变换的原理图。该方法的主要缺点是需要产生两个正交的本振信号Q【门】和sin(‰f)当这两个本振信号不正交时就会产生虚假信号。所以目前被广泛采用的是数字混频正交变换有关数字混频正交变换的相关理论将在.节与.节中详细讨论。第二章软件无线电基本理论COS.(COot)J、sin(国of)图.模拟方法实现信号的正交变换.小结ZB。(t)ZBQ(z【)本章中讨论了软件无线电的基本理论对信号采样多速率信号处理数字正交变换做了较详细的介绍为接下来研究软件无线电数字接收机中的关键技术数字下变频的研究做好理论基础。在下一章将重点讨论数字下变频电路的关键技术。第三章数字下变频电路算法第三章数字下变频电路结构与关键技术数字下变频的主要功能包括:混频滤波和抽取即通过数字混频器将中频信号和数控振荡器产生的正交本振信号相乘生成I、Q两路混频信号得到零中频信号再通过滤波抽取滤除带外信号提取有用信号降低采样速率以利于后续信号处理。下面将讨论数字下变频的主要电路结构实现算法以及关键技术。.数字下变频的两种主要电路结构理论上数字下变频可以通过单通道实处理(如图.所示)也可以通过正交双通道复处理(如图.所示)。鼍譬互】俎怔野l数字本振lDDC图.单通道实处理数字接收机结构框图i扩盟再醉}h旷虬阿}蜀n‰zr翻。。。csjn(q碑印DDc图.正交双通道复处理数字接收机结构框图Y【行】Q力】数字下变频电路的FPGA实现单通道实处理时输出的基带信号频谱往往会出现混叠而失真而双通道复处理时却不会从而可以完整地保留相关信息也可提高频带的利用率所以正交双通道下变频模式被广泛地应用于雷达、遥测、通信、导航等众多接收系统中。该正交双通道下变频模式基本原理可描述如下:输入的模拟信号(中频或射频信号)经ADC后被数字化数字化后的信号与NCO(NumericallyControlOscillator)产生的数字本振COS(‰疗互口)和sin(CoonT。)进行正交混频以完成频谱搬移功能然后通过滤波抽取得到所需要的数字基带IQ信号。.数字下变频的两种实现算法)基于数字混频正交变换的实现方式:数字混频正交变换就是先对模拟信号x(t)进行A/D采样数字化后形成数字序列x(z)然后与两个正交本振序列COS(国on)和sin(coon)相乘再通过数字低通滤波来实现。由于两个正交本振序列的生成和相乘都是数学运算的结果所以其正交性可以得到保证只要确保运算精度即可。如图.中DDC所示两个正交本振序列由数字频率合成模块产生后面的低通抽取滤波器可以由CIC抽取滤波、HBF抽取滤波和FIR成形滤波模块级联的方式实现。这种实现方式能很好的解决较高的滤波器阶数与信号采样率之间的矛盾。)基于多相滤波的实现方式:与上述方法相比基于多相滤波的数字正交变换不需要本振省去了DDS部分。其基本思想是将A/D转换器的输入信号x(f)=口(f)cos(rfo'ap())按照.Z=fo/(m)B(m=o)采样频率采样其中B为输入信号带宽得到的采样序列为:第三章数字下变频电路算法x(刀)=口(门)c。s石号}力妒(门)叫砂cos万掣州扪叫小唧.cos(掣万")叫咖吣商n(掣刀刁%cos(掣万XBQsin(掣石刁式中确(胛)=口(力)cos伊(刀)xno(z)=口(咒)sin伊(胛)分别为信号的同相分量和正交分量(基带)。则x(n)=xBl(n)cos(m)zn=XB/(n)()”x(n)一种川)sin掣砟川)卜m))”扪.)令墙(玎)=()”x(n)=xBl(n)XB’o(z)=()”x(n)=碗(n)表示两个序列分别是同相分量和正交分量的倍抽取序列两者在时间上相差一个中频采样周期这是由于采用了奇偶抽选所引起的。将两者在时间上对齐的一种简单、有效的方法就是采用两个内插时延滤波器进行校正这两个内插时延滤波器的频率响应需满足:型::可刁钳。IE(矿)I=I以(扩)l=图.基于多相滤波的数字正交变换框图基于以上分析多相滤波的数字正交变换实现如图.所示。这种方法通过数字下变频电路的FPGA实现设定采样频率和奇偶抽取把模拟信号变换为两个正交的零中频数字基带信号省去了NCO。.数字下变频中的关键技术数字下变频器的组成与模拟下变频类似包括数字混频器、数字控制振荡器(NCO)和滤波抽取三部分组成数字混频器很简单用乘法器就可以实现因此实现数字下变频的关键就是NCO的设计与滤波器的设计和选取。..数字控制振荡器数控振荡器(NCO)是产生一个给定频率的信号发生器其信号的数字化波形可以在一个更高时钟频率下进行相位累加而得到。NCO需要满足奈奎斯特定理即待产生的频率低于时钟频率的/。数字控制振荡器(NCO)是决定DDC性能的最主要因素之一。NCO的目标就是产生一个频率可变的正弦波样本如式(.)所示:、s(甩)=coslzt等甩l(n)式()\、Is/式中无D为本地振荡频率工为DDC输入信号的采样频率。NCO产生的本振信号输入到数字混频器(乘法器)与输入信号相乘即完成混频。正弦波样本可以用实时计算的方法产生但这只适用于信号采样频率较低的情况。在软件无线电系统高速采样信号处理中难以实现NCO实时计算。此时采用查表法成为NCO产生正弦波样本的行之有效的方法即事先根据各个NCO正弦波相位计算好相位的正弦值并按相位角度作为地址存储该相位的正弦值数据。数字控制振荡器J由三部分组成:相位累加器、相位加法器及正弦表只读存储器如图.所示。相位累加器的作用就是将数字本振频率偏移之和转换成相位每次来一个时钟脉冲相位就在原来的基础上加一个相位增量相位加法器的功能是设置一定的初始相位以满足某些应用的需要相位的正弦值或余弦值用查正弦表求得相位角度f(~万与其正弦值表存在一一对应关系。第三章数字下变频电路算法太数字本振频率』输入。’图数字混频器的结构框图数字控制本振数据位数与DDC性能之间存在密切的关系NCO的数据位数包括两个方面:一是相位数据的位数二是相位的正弦值数据的位数。相位的正弦值数据的位数取决于相位数据的位数即前者必须能表示当相位变化时其相位所对应的正弦值变化的最小值。数字控制振荡器的正交性受到数字控制振荡器数据的位数的影响。在数字控制本地振荡器中影响NCO的正交性的就是表示相位正弦值的数据精度而NCO产生的正交两路正弦波和余弦波本振信号的相位角度都是由同一个数值表示不管相位角度的分辨率高低相位角度是不会产生任何正交误差的。正交误差产生的原因是表示表示两个正交本振信号数值的二进制位数当位数小到一定程度使得两个正交本振信号数值都用一定的近似值表示这如同由相数字下变频电路的FPGA实现位角度不同(正交误差)引起本振信号近似一样。NCO产生的本振信号输入到数字混频器与输入的信号混频再将混频后的信号输出进行滤波抽取处理。..抽取滤波采样信号经过数字正交变频后关心的频谱成分被搬移到零中频此时需要低通滤波将关心的低通带宽以外的噪声以及不关心的高频成分滤除。由于采用带通采样结构正交变换时的信号采样率人相对于关心信号带宽而言往往很高远远超过了Nyquist采样率。这导致包括低通滤波在内的后续处理可能因为运算量太大而不能有效处理数据。因此设计变频解调器时考虑在保证关心信号不失真的前提下尽可能降低信号采样率减少运算量这就是抽取滤波器的作用。如果采用普通的FIR滤波器来设计抽取器当抽取因子很大时需要的滤波器阶数很大难以实现。而且较大的运算量对实时性要求较高的通信系统而言这样的滤波器也无法满足要求因此当抽取系统的抽取率很高时多级抽取系统比单级实现效率更高采用多级实现时可以显著降低运算量和存储量。可以简化滤波器设计问题即允许每一级归一化的过渡带比较宽可以减小有限字长效应(即舍入噪声和系数灵敏度)。从性能与运算量折衷的角度出发在设计抽取系统时充分利用高效滤波器的特性。CIC滤波器无需乘法运算可以实现高速滤波在滤波的同时还可以完成任意倍数的下抽但是其通带、阻带特性的可控性不强所以CIC滤波器一般用在抽取系统的第一级。半带滤波器虽然需要乘法运算但是其运算量只有普通FIR滤波器的一半但是在完成滤波的同时只能完成倍的下抽因此其往往作为抽取系统的中间级。经过CIC滤波器和半带滤波器后信号采样率往往已经降到比较低的水平在资源允许的前提下最后一级可以采用普通FIR滤波器FIR可以对输入的信号根据需要作波形重整完成比较细致的滤波以获得很好的信到匹配特性。如图.所示为常用的软件无线电接收机基带抽取滤波通道的数学模型。ClCHBFFIR图.基带抽取滤波模型第三章数字下变频电路算法...CIC抽取滤波器所谓积分梳妆滤波器是指该滤波器的冲激响应具有如下形式:m){搋如。扪删式中D为CIC滤波器的阶数(也就是抽取因子)。根据z变换的定义CIC滤波器的Z变换为:D一日(z)=乃(z)彳”n=O式中.zD一Z一=Hi(z)(z)蜀(z)=南%(z)=一z加式()式()母b仁斗..|’j:(刀)q(z)马(z)(a)图.积分梳状滤波器的实现实现框图如图.所示可知CIC滤波器由两部分组成积分器H(z)和梳状滤波器H(z)的级联。这就是该滤波器被称为积分梳状滤波器的原因。之数字下变频电路的FPGA实现所以把日:(z)称为梳状滤波器可以从其幅频特性说明。把z=P如代入可得H(z)的频率响应:其幅频特性为:Ha(ejw=le。jm。玎删IeJa,/eJmD/地伽坨.sin(警)见(扩)l=.sin(警)I式()CIC的幅频特性如图.所示。由图.可知只(PJ。)I的形状如同一把梳子故把马(z)形象的称为梳状滤波器。fIHi(扩)I庐汇江V卜二二oreiDxzc/Dxrc/Dxr/D彩(a)图.CIC滤波器的幅频特性第三章数字下变频电路算法同样可以求得积分器HI(z)的频率相应为:=孚(sin玎所以CIC滤波器的频率总响应为:日(扩)=q(P归)皿()巧sa(爿sa一(爿\/I/式中Sa(x)=sinx为抽样函数Rsa(o)所以cIc滤波器在=o处幅度值为D即:H(e。=D...HBF抽取滤波器半带滤波器特别适合于实现D=吖倍(即的幂次方倍)的抽取或内插而且计算效率高实时性强因此在多速率信号处理中有着极重的地位。半带滤波器是指其频率响应日(P问)满足以下关系的F取滤波器:‘A死一Cs=P=土一兰嗣一翰/|圳瀣一文S一=数字下变频电路的FPGA实现半带滤波器的阻带宽度(万一%)与通带宽度(%)是相等的波纹也相等如图.所示。可以证明半带滤波器具有如下性质:n(e出)=一日(少叫)式()c冗|A/CO图.半带滤波器也就是说半带滤波器的冲激响应Jiz(尼)除了零点不为零外在其余的偶数点全为零所以采用半带滤波器来实现取样率变换时只需一半的计算量特别适合于进行实时处理。下面讨论半带滤波器能否作为D=倍的抽取滤波器。那么进行倍抽取时的理想抽取滤波器应满足:如图.(a)所示。而实际的半带滤波器(如图.(b))在(万/)~彩。区间仍不为零(过渡带)是不满足无混叠抽取条件的这就势必产生混叠如图.(c)。由图可见经过倍抽取后的信号在coc~刀区间(对应于抽取前的信号频率为COr~万/)是混叠的也就是说位于这一频段的信号经倍抽取后是无法恢复的。但是注意到只要半带滤波器满足图.(b)特性抽取后在其通带即~coc仍无混叠或者说采用半带滤波器进行倍抽取后位于通带内~啡的信号仍垲=声Ⅵ岳慵L厂.L”rlpDHH卫他叫其LOJ、【、I删PlI\d日第三章数字下变频电路算法然是可以恢复的(不会破坏通带内信号的频谱结构)。所以就其带通信号而言完全可以采用半带滤波器进行倍抽取。=/万./万彩c兀|A冗兀国()oc%万mAn冗(c)图.半带滤波器用作倍抽取滤波器时混叠的情况...FIR滤波器FIR】(FiniteImpulseResponse有限脉冲响应)滤波器由有限个采样值组成在每个采样时刻完成有限个卷积运算可以将其幅度特性设计成多种多样同时还可保证精确、严格的相位特性。在高阶的滤波器中还可以通过FFT来计算卷积从而极大地提高运算效率。这些优点使得FIR得到了广泛的应用。FIR滤波器只有N个抽头f(n)N也被称为滤波器的阶数则滤波器的输出可以通过卷积的形式给出:数字下变频电路的FPA实现LIy【z】=x门】木厂胛=xkJpk】k=O其中fo】.oj耋NfL】均是滤波器的L阶系数同时也对应于FIR的脉冲响应。对于LTI系统可以更为方便地将式.表示成Z域内的形式:l(z)=F(z)X(z)其中F(z)是FIR的传递系数其Z域内的形式如下:上一lF(z)=厂嘲z以图.给出了L阶LTI型FIR滤波器的图解。可以看出FIR滤波器只在原点处存在极点就使FIR滤波器具有全局稳定性。FIR滤波器是由一个“抽头延迟线”加法器和乘法器的集合构成的每一个乘法器的操作系数就是一个FIR系数。因此也被称之为“抽头延迟线"结构。FIR滤波器的一个重要特性是具有线性相位即系统的相移和频率成比例可达到无失真传输。图.给出了L阶LTI型FIR滤波器的图解。图.直接形式的FIR滤波器直接FIR模型的一个变种称为转置式FIR滤波器可以根据图.的FIR滤波器来构造:互换输入和输出。颠倒信号流的方向。用一个差分放大器代替一个加法器反之亦可。第三章数字下变频电路算法x【n】fL一】fL一】IfL

用户评论(0)

0/200

精彩专题

上传我的资料

每篇奖励 +2积分

资料评价:

/13
仅支持在线阅读

意见
反馈

立即扫码关注

爱问共享资料微信公众号

返回
顶部