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中频数字收发信机的研究与系统实现.pdf

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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《中频数字收发信机的研究与系统实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学博士学位论文中频数字收发信机的研究与系统实现姓名:陈大海申请学位级别:博士专业:信号与信息处理指导教师:汪学刚摘要摘要目前随着技术的高速符等。

电子科技大学博士学位论文中频数字收发信机的研究与系统实现姓名:陈大海申请学位级别:博士专业:信号与信息处理指导教师:汪学刚摘要摘要目前随着技术的高速发展越来越多的无线电收发信机功能适合采用数字技术设计和实现。因为数字技术相比较模拟技术具有很大的优越性主要表现在处理精度高灵活性好设备体积小功耗低抗干扰能力强等方面。理想软件无线电要求A/D和D/A尽量向射频靠拢而将尽可能多的无线电功能用软件加以实现。目前受芯片制造技术的制约软件无线电收发信机的功能还适合在中频上加以实现。研究的重点一方面是针对多种体制信号进行全数字化调制解调高效结构以及实现算法的研究另一个方面就是采用高速A/D、D/A转换器以及高性能大规模可编程器件进行样机的工程研制。这些工作对于将来实现理想软件无线电的功能无疑具有重要的理论和实践意义。本文是围绕着中频数字收发信机的设计这一主题展开的。首先是关于Mbps码率PCM/FM遥测数字接收机设计问题主要包括三个研究点:)提出了一种高效的数字FM解调算法)研究了PCM/FM信号的同步技术包括载波同步和PCM码同步两方面提出了一种载波频偏抑制的新方法:)采用高速ADC专用数字下变频器件(DDc)和FPGA设计和实现了PCM/FM中频数字化接收机对其性能进行了实验测试。针对经典DDC方法难以实现宽带信号的有效接收问题本文的第二个研究内容是关于四种高效的宽带数字下变频实现结构能够解决其技术瓶颈。高速数传收发信机的设计是跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)的关键技术之一。本文的第三个研究内容关于Mbps速率PSK高速数传接收机的设计难题主要研究点包括:)提出了PSK高速数传接收机的实现方案和频域并行处理解调算法进行计算机仿真验证)采用超高速ADC和高性能FPGA设计和实现了PSK高速数传接收机对样机进行了测试。本文的第四个研究内容关于中频数字调制器设计和宽带频率合成技术主要研究点包括三个方面:)基于ICSDAC卡实现了通道多模式中频数字调制器)提出了Mbps速率PSK高速数传中频调制器的实现方案采用高性能FPGA和超高速DAC设计和实现了样机给出了实验结果)采用一种改进的DDSPLL的频率合成技术设计和实现了一种能够同时覆盖S、L和c波段的宽带低相噪频率合成器。本文的主要创新之处:()在PCM/FM中频数字化接收机的研究中提出了一种高效的FM解调算法摘要它采用CORDIC(CoordinateRotationDigitalComputer)算法进行鉴相再对鉴相结果进行一阶差分鉴频。该算法适合于在FPGA中以多级流水线结构实现具有运算量小处理速度快的优点()对PCM/FM中频数字化接收机的同步技术进行了研究包括载波和码同步两方面。提出了一种基于滑窗幅度检波和抵消的载波频偏抑制新方法。该算法具有运算量小对频偏变化适应能力强的优点()采用中频采样ADC专用DDC器件和FPGA实现了PCM/FM中频数字化接收机实验结果表明样机达到了较好的技术指标()研究了四种高效的宽带DDC实现结构:混频器后置结构、最小公倍数结构、一次变频结构和二次变频结构能够有效地降低滤波和混频的乘法速度。()针对Mbps速率PSK高速数传接收机的设计难题提出了其实现方案以及频域并行处理的信号解调算法计算机仿真结果证明了其可行性()采用超高速ADC和高性能FPGA完成PSK高速数传接收机设计实验结果表明样机能够正确地解调PSK信号()提出了Mbps速率PSK高速数传中频调制器的实现方案采用高性能FPGA和超高速DAC完成了样机设计实验结果表明PSK输出信号达到了较好的EVM(ErrorVectorMagnitude)指标()采用一种改进的DDSPLL的频率合成技术成功地设计出一种能够同时覆盖L、S、C频段的宽带低相噪频率合成器达到了较好的技术指标。关键词:数字收发信机PCM/FM数字下变频高速数传频率合成IIABSTRACTABSTRACTAtpresentwiththedevelopmentsoftechniquesmoreandmoretransceiversarefittedtobeimplementedwithdigitaltechniques.Becausedigitaltechniquesaresuperiortotheiranalogcounterpartsinaspectsofhigheraccuracy,higheragility,smallervolumelowerpowerdissipationaswellasbetterantijammingcapacity.TheidealSDRrequiresADCandDACasclosetotheRFfrontendaspossibleandrealizeasmuchaspossibleradiofunctionswithsoftware.NowadaysSDRtransceiversaresuitedtoberealizedatintermediatefrequencyduetotherestrictionsofchipmanufacturingtechniques.Researchesarefocusonalldigitalmodulationdemodulationstructuresandalgorithmsontheonehandand,andontheanotherhandondevelopingprototypewithi曲speedA/DD/Aconvenersandhighperformancelargescaleprogrammablechips.TheseeffortsareofgreatimportancetorealizeidealSDRinthesenseoftheoriesandpractices.ThisthesisdiscussessometopicsofdesigningIFdigitaltransceivers.ThefirsttopicisaboutalldigitalPCM/FMtelemetryreceiverwhosedatarateisMbps.Threeitemsareincluded:)AneweffectivedigitalFMdemodulationalgorithmhasbeenpresented)CarrierandPCMcodesynchronizationtechniqueshavebeenexploredandanewcartierdeviationsuppressionalgorithmhasbeenproposed)AprototypeofPCM/FMdigitalreceiverwhichisdesignedandimplememedwithhighspeedADCdedicatedDDCandFPGAhasbeentestedinthelab.BecausetypicalDDCmethodishardtoreceivewidebandsignalsthesecondtopicofthethesisisabouteffectivewidebandDDCimplementationstructures.FourstructureshavebeenstudiedwhichCanovercomedifficultiesoftypicalDDCmethodeffectively.Designofalldigitalhi曲dataratetransmissiontransceiversisthekeytechniquesoftheTDRSSsystems.ThethirdtopicofthethesisisconcernedwiththeproblemdesigningMbpsPSKreceiver,twomainitemsareincluded:)ImplementationschemeandPSKdemodulationalgorithmshavebeenproposedwhichareperformedinthefrequencydomaininparallelandverifiedbycompmersimulations)AprototypeofPSKreceiverwhichisdesignedandimplementedwitllsuperhi曲speedA/DconverterandIIIABSTRACTighperformanceFPGAhasbeentestedinthelab.即efourthtopicofthethesisisaboutdigitalIFmodulationandfrequencysynthesistechniquesthreeitemsareinvolved:)AfourchannelmultimodedigitalIFmodulatorhasbeenimplementedbasedontheICSADACcard)ImplementationschemeofMbpsPSKwidebanddigitalmodulatorhasbeenporward.AprototypewhichisdesignedwithighperformanceFPGAandsuperhighspeedD/Aconverterhasbeentestedinthelab)AwidebandlowphasenoisefrequencysynthesizerhasbeenimplementedwithanimprovedDDSPLLhybridsynthesistechniqueswhichcallcovertheS,LandCbandsatonetime.Themaincreativepointsinthisthesisareasfollows:)IntheresearchofthePCM/FMIFdigitalreceiver,ahigheffectiveFMdemodulationalgorithmhasbeenpresentedwhichperformsphasediscrimination、^itllCORDICalgorithmandthenfirstorderdifferentialfrequencydiscriminationtothephasediscriminatedresultsandissuitedtoberealizedwithFPGAintheformofmultistagestreamlinedstructure)CarrierandtimingsynchronizationtechniquesofthePCM/FMIFdigitalreceiverhavebeenstudied.AnewcarrierdeviationsuppressionalgorithmhasbeenproposedthatCanperformenvelopedetectionwimaslipwindowandthensubtractdetectedresultsfromthereceivedsignalswhichconsumeslittleamountofcalculationsandisadaptivetocarriervariation.)APCM/FMIFdigitalreceiverhasbeenimplementedwithIFsamplingADCdedicatedDDCandFPGAwhichhasbetterperformancesandisverifiedbyexperimentalresults.)FoureffectivewidebandDDCimplementationstructurehavebeenresearched:mixerpostpositionalstructuretheminimumcommonmultiplesstructureoncefrequencytransferstructureanddoublefrequencytransferstructurewhichCandecreasemultiplicationspeedoffilteringandmixingineffect.)ImplementationschemeanddemodulationalgorithmsofMbpsPSKreceiverhavebeenpresentedwhichareperformedinthefrequencydomaininparallelandverifiedbycomputersimulations.)AnMbpsPSKreceiverhasbeenimplementedwithsuperhighspeedA/Dconverterandhi曲performanceFPGAwhichCandemodulatePSKsignalsTVABSTRACTcorrectly.)DesignschemeofMbpsPSKIFmodulatorhasbeenpresented.Aprototypehasbeenimplementedwithhi曲performanceFPGAandsuperhi曲speedD/Aconverter,whichhasbetterEVMperformancesverifiedbytheexperimentalresults.)AwidebandlowphasenoisefrequencysynthesizerhasbeenimplementedwithallimprovedDDSPLLhybridfrequencysynthesizetechniquewhichhasbeRerperformancesandCancovertheLSCbandsatonetime.Keywords:digitaltransceiver,PCM/FMDigitalDownConversion,higlldataratetransmission,frequencysynthesizeV独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方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作了明确的说明并表示谢意。签名:P滋l墨日期:。岔年月为日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名:邵欠f岛导师签名:日期:劢吩年占月.日第一章绪论.研究背景第一章绪论众所周知数字信号处理技术比较模拟信号处理技术而言具有很大的技术优势主要表现在处理精度高、稳定性好、设备体积小、功耗低等方面。伴随着数字信号处理技术以及大规模芯片制造技术的飞速发展世纪年代后具有高可靠性、灵活性和抗干扰能力强的数字收发信机的研究成为重要的研究课题。世纪年代J.Mitola先生提出了软件无线电的概念【l】【】要求A/D和D/A尽量向射频前端靠拢在通用的、开放式、模块化的硬件平台上通过加载不同的软件来实现不同的无线电功能。自从软件无线电的概念诞生以来国内外大量的研究机构开展了相关的研究工作pJ.【】研究内容主要包括软件无线电体系结构软件无线电重配置以及安全下载数字收发信机智能天线软件工程等方面。国际上成立了专门的软件无线电论坛组织(SDRForum)其主要职责是研究软件无线电相关技术制定一系列的标准等方面。美国将软件无线电技术直接应用于军事目的先后提出了实施了“SpeakeasyI"和“SpeakeasyII"易通话系统的研究和开发旨在解决其三军设备互通、互操作的问题。欧洲和日本的研究重点是将软件无线电技术应用于第三代和第四代移动通信技术。我国也将软件无线电技术列入高科技发展计划。从体系结构来说软件无线电收发信机主要包括种实现结构:射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和中频采样数字化结构。射频低通采样数字化结构简洁把模拟电路的数量降低到最低程度是最接近软件无线电理想的解决方案如图.所示。从接收通道来看从天线进来的射频信号经过滤波放大后直接进行A/D变换和数字信号处理从发射通道来看数字信号直接进行D/A转换后变为模拟信号再经功率放大后通过天线发射出去。因为射频低通采样速率至少是射频带宽的两倍因此这种结构不仅对AiD和D/A转换器的性能提出了很高的要求如转换速率、工作带宽、动态范围等技术指标而且对后续数字信号处理器件的处理速度也提出了非常高的要求。例如工作在MHz~IGHz范围内的软件无线电接收机其采样速率至少为GHz就目前的数字信号处理器件发展水平要做到实时处理很困难。电子科技大学博士论文图射频低通采样数字化结构射频带通采样结构可以较好地解决上述射频低通采样结构对AiD、D/A转换器、以及数字信号处理器件要求过高以至于无法实现的问题是一种折衷的解决方案。它与射频低通采样结构的主要不同点是:处理带宽相对较窄因此对A/D和D/A的指标要求就不高了对后续数字信号处理器件的处理速度要求也可以随之大大降低。但该结构中对A/D和D/A转换器的工作带宽要求仍然是很高的。图射频带通采样数字化结构中频带通采样结构又称为中频数字化结构它采用多次混频或者超外差结构实现数字中频信号与射频模拟信号之间的频谱搬移在中频与射频之间存在着较多的模拟处理环节如图.所示。其主要特点是:在中频上实现调制与解调的数字信号处理能够大大降低了对A/D、D/A转换器以及数字信号处理器件的要求是适合目前技术发展情况的无线电数字收发信机解决方案。图.中频采样数字化结构第一章绪论本文正是基于第三种实现结构围绕着中频数字化收发信机这一命题展开讨论。具体地讲在接收机设计方面对中频模拟输入进行直接中频采样和正交数字下变频而将信号的其它解调功能全部采用DSP信号处理算法加以实现而在发射机设计方面对基带I(ha.phase)、Q(Quadrature)信号进行数字内插和正交上变频输出中频调制信号。数字正交调制解调方式具有很高的处理精度能够有效地克服传统模拟正交调制解调技术中存在的I、Q通道幅度、相位不平衡以及直流偏置DCoffset温度漂移等问题从而达到先进的技术指标。对于上述第三种实现结构目前的发展态势是随着高速ADC、DAC以及FPGA、DSP等大规模可编程器件的飞速发展所处理的信号带宽越来越大速度越来越快中心频率不断地提高同时大量高效的数字信号处理实现算法层出不穷为各种原型样机的设计和实现奠定了理论基础。以上发展情况表明数字收发信机技术正朝着第二种乃至于第一种实现结构快速发展直到实现理想软件无线电的终极目标。以下将分别介绍数字信号处理器件的发展状况以及国内外研究机构在数字中频收发信机设计方面取得的进展情况。.数字化技术发展概况随着微电子工艺技术以及VLSI芯片制造技术的飞速发展高速ADC、DAC以及FPGA、DSP等编程器件的集成度越来越高封装越来越小处理速度越来越快功耗却越来越低。著名的摩尔定律预言:“数字CMOS芯片上可容纳的晶体管数量每隔个月增加一倍其性能也将提高一倍而价格却下降一半”。ITRS(InternationalTechnologyRoadmapSemiconductors)预测到年CMOS芯片的时钟频率将达到GHz而最高的CMOS芯片时钟将达到.GHz而目前通用信号处理操作的功耗已低于.mW/MIPS【l翻.【J。以下就ADC、DAC、专用数字上下变频器以及FPGA和DSP的发展概况进行介绍。..ADC和DAC技术发展概况ADC和DAC是模拟与数字信号之间进行转换的关键器件。对于ADC来说其主要指标包括采样速率和采样位数而对于DAC来说其主要指标包括转换速率和转换位数。对于二者来说速率和分辨率是一对矛盾而无法兼顾而只能专攻其中一个方向。目前由于以下原因使得中频采样ADC取得了较大的进步口】【】:对宽带输入电路进行优化适合于直接中频采样(中频一般高于采样率电子科技大学博士论文使用变压器进行差分耦合以降低输入噪声)集成高性能的采样保持器采用改进的多级flash转换技术包括数字误差校正和热补偿电路表.列出了部分先进ADC器件的技术指标其采样率大于MHz分辨率超过bit。表.列出了部分中频转换DAC器件及其技术指标。表部分先进的ADC芯片器件采样率通道数分辨率输入带宽生产型号(MHz)(bit)(MHz)厂商瓯ASAtmelT$GOBAtmelMAXllMaximADCNationalADCDNationalJTSBAtmelMAXllMaxim峨ADBAtmelM匕ⅨMaxim蹑KQBlAtmelNL埙lAMaximTSAtmelMAXllMaximADADTSlllTelASICADlADADADADAD在本文第八章论述的高速数传接收机设计中就用到了Atmel公司的ATAD超高速A/D变换器内部包括双通道采样ADC单通道最高采样率为GHz最高可实现GHz的采样速率分辨率为bit【。第一章绪论表.部分中频转换DAC芯片器件转换位数转换速率生产型号(bit)(Nmz)厂商ADADHTiADADADADADADSPTSPTSPTSPTTSGAtmel在本文第九章论述的高速数传发射机设计中就用到了Atmel公司的TSG超高速D/A变换器其最高数据转换率为.GHz内部集成:多路复用器数字转换位数为bitt。..软件无线电专用ASIC器件发展概况软件无线电专用ASIC器件包括数字下变频器(DDC)和数字上变频器(DUC)。数字下变频是接收机中A/D采样后的第一个信号模块包括数字NCO正交混频器以及抽取滤波器等。不同的DDC芯片其基本结构大致相同但在具体的输入数据率信号带宽抽取倍数等方面有所区别。与之相反数字上变频是中频发射机的最后一个信号处理模块包括数字内插器NCO和正交调制器。不同的DUC芯片内部结构也大致相同只是在具体的内插倍数输入数据率等指标有所区别。专用DDC和DUC器件极大地方便了数字收发信机的开发目前国外多家IC生产厂商推出了一系列的DDC和DUC芯片。主要包括n公司的GC系列Intersil公司的HSP系列【】以及AD公司的ADDDC和ADXDUC系列等【。表.给出了部分具有代表意义的DDC芯片及其技术指标表给出了部分DUC芯片及其技术指标。电子科技大学博士论文表.部分DDC芯片器件最高数据率最大带宽通道数抽取生产型号(Msps)(MHz)倍数厂商HSPO.l~kIntersilHSPB.l~kIntersilHSP~kIntersilAD~kADAD~kADGC~kTiGClBTi在本文第五章论述的Mbps码速率PCM/FM中频遥测数字接收机的设计中就使用了AD数字下变频器【其输入数据率为Mbps抽取率为倍输出数据率为Mbps信号带宽为MHz。表l部分DUC芯片器件最高工作最高输出内插生产型号频率(MHz)频率(Mnz)通道数倍数厂商HSPl.IntersilGC~kTiAD~ADADlAD在本文第九章论述的多通道、多模式中频调制器设计中就使用了片AD可同时并行输出路MHz中频的调制信号。..高性能FPGA和DSP器件发展状况高速、高性能FPGA和DSP器件近年来的发展是非常迅速的尤其是随着“片上系统(SOC)”时代的到来FPGA和DSP正逐渐取代ASIC器件成为数字收发信机设计的物理平台【Jp。Xilinx公司和Altera公司是目前全球最大的FPGA供应商其产品销量占市场份额的绝大多数‘】【】。Xilinx公司于年推出了先进的VirtexII系列FPGA紧接着于年推出了VirtexIIPro系列FPGA在FPGA内部成功地嵌入了嵌第一章绪论入b“的PowerRISC(ReducedInstructionSetComputer)硬核和.Gbps高速RocketlOTM多吉比特收发器(MGTMulti.GigabitTransceiver)从而将FPGA推向了更广泛的应用领域。年Xilinx公司又推出了性能更为先进的VirtexFPGA提出了平台(Platform)FPGA的概念包括针对不同应用领域的LX/SX/FX三种系列产品。这种情况没有持续多久Xilinx公司最近更是推出了性能卓越的Virtex.系列FPGA。表.是Virtex和Virtex.FPGA的主要性能比较。表.Virtex和Virtex.FPGA的主要性能对比特点/性能Virtex系列Virtex系列工艺技术nm.VVCCnm.VVCCLUT查找表输入LUT输入LUT分布式RAMbit/CLBbit/CLB时钟管理MHzPLL和DCMMHzDCMBlockRA^僵/FIFOMHzKbmBlockMHzKbit/Block.Gbps差分I/OGbps差分I/OSelectlO技术Mbps单端I/OMbps单端I/OChipSync技术ODELAY和IDEALAYⅡ)EA【YDSPBlockM咀zbRlSbRMb坨MHzbitxlbitMACAltera公司的情况与Xilinx公司类似其最新的StratixII系列FPGA拥有最多K的逻辑单元和个硬件乘法器内部时钟频率达到MHz可支持Gbps速率的差分I/O数据传输。从设计手段上来说两家公司均采用了先进的EDA设计软件Xilinx公司的设计软件为ISE.Altera公司的设计软件为QuartusII。两种软件除具备基本FPGA开发功能外还包括了大量的实用工具和IPCore设计资源大大便利了FPGA的开发缩短了设计周期。DSP器件的主要设计厂商有Ti、ADI公司【】【胡。代表了DSP器件技术的整个发展方向。ADI公司的高端产品是TigerSHARC系列其最高工作主频可达MHz峰值运算能力为MIPS。而Ti公司的高端产品是TMSC系列其最高工作主频可达GHz峰值运算速度为MIPS或MFLOPS。在本文第五章论述的Mbps码速率PCM/FM中频遥测数字接收机的设计中就使用了Xilinx公司VirtexIIFPGAXCV和XCV分别用来实现FM解调和PCM码同步功能。而在本文第八章论述的高速数传接收机系统实现中就采用了三片ViaexFPGAXCVLXl用于实现接收机的全数字解调算法。电子科技大学博士论文.国内外数字收发信机发展概况..国外数字收发信机发展概况国外从世纪年代开始就出现了有关数字收发信机方面的报导进入年代以后逐渐出现了基于软件无线电概念的数字收发信机设计【】‘【有许多国外公司推出了系列化模块化的数字收发信机产品。、法国IN.SNEC公司法国IN.SNEC公司是国际上著名的专门从事遥测和无线通信设备研发的公司其产品覆盖很宽的应用范围包括卫星测控产品跟踪接收机及天线控制器高码率遥感接收机高码率遥测接收机以及固态功放等【引。CORTEXHDR是其高码率遥感接收机主要功能包括中频接收机高速解调器码同步器和遥测信号模拟器。图.为皿R遥感接收机的实物照片。图.HDR高码率遥感接收机该产品在信号接收和处理方面的主要特点是:输入中频MHz或MHz:使用DSP技术直接中频数字解调解调信号类型包括:BPSKQPSKOQPSKSQPSKPSK等码速率范围从Mbps,Mbps连续可变具备遥测信号后处理功能基于PentiumPC的软件设计技术。该产品在遥测信号模拟产生方面的主要特点是:输出中频MHz或Ⅻz调制输出样式包括BPSKQPSKOQPSKSQPSKPSK等码速率范围从MbpsMbps连续可变。第一章绪论可见HDR高码率接收机的功能十分强大采用中频调制解调设计方案码速率从MbpsMbps连续可变能够处理多种类型的PSK通信信号。、加拿大ICS公司加拿大InteractiveCircuitSystem(ICS)公司是专业的高密度可编程DSP板极应用系统研发机构和生产厂家。其系列产品包括多种数字信号处理板以及软件无线电信号处理板主要采用TiC系列ADISHARC系列MotorolaPowerPC系列以及XilinxFPGA进行设计和实现|。作者曾使用过ICS.A和ICS.A两个产品。ICS.A是一个通道的中频采样和数字下变频PMC(PCIMezzanineCard)模块【们。A/D变换器为AD单通道最高采样率为MHz数字下变频采用一片GC实现。板上还包括一片Xilinx万门的FPGA用于用户逻辑的定制。图.是ICS.A的实物照片。图.ICSA图.ICS.AICS.A为一个通道的数字上变频DAC卡采用AD数字上变频器单通道的最高工作频率为MHzbit的D/A转换最大信号处理带宽为MHz板上还包括一片Xilinx万门的FPGA用于用户逻辑的定制|。关于ICSA卡的具体设计将在论文第九章中进行讨论。、美国Pentek公司Pentek在数字接收机产品研究方面成果比较显著推出了Model系列产品这其中有基于HSPB、GClB等专用DDC芯片的数字接收机产品同时也有利用自主开发的数字下变频IPCore内核在FPGA中实现的数字接收机产品oModel是Pentek公司第一款完整的PMC数字收发信机包括两个MHz、bff的A/D转换器和两个MHz、bit的D/A转换器支持两个宽带收发通道。采用XilinxVirtexIIProFPGA规模为万门包括个硬件乘法器用于执行DSP功能。板上还包括MB的SDRAM用于高速采样数据电子科技大学博士论文的缓存。图是Model卡的实物照片。Pentek公司目前最顶级的接收机产品为Model它包括两片Atmel公司的ATAS.GHzbit的A/D转换器。板上FPGA为XCVP或XCVPl用于实现DDC功能FFT功能以及解调功能等A/D采样后的高速通过:解复用后与FPGA接口。另外板上包括GB的SDRAM存储器可通过路FPDP(FrontPanelDataPort)高速接口输出数据每路速率高达Msps。图.是Model卡的实物照片。图.Model图Model..国内数字收发信机研究概况国内从年代以后相继出现很多关于数字接收机和数字发射机方面的报导瞄副.【叫J。在数字接收机设计方面电子科技大学电子工程学院于年采用ADI公司的MHzbit模数转换器件AD和Intersil公司的可编程数字下变频器件HSPB设计实现了一套气象雷达中频数字接收机实验系统该接收机系统的设计中应用了镜像频谱搬移技术其最高工作频率为MHz最大带宽为MHz。CETC所微波公司推出了基于FPGA技术的多信道数字接收机系统阳l该系统最多可同时处理个信道的信号每个信道的模拟输入最高频率为MHz最高采样率包括Msps(bit)、Msps(bit)和Msps(bit)幅度不一致性小于O.OldB相位不一致性小于.。中科院声学所十室采用bitKsps模数转换器DSPl和Ti公司的TMSC设计完成了多体制的短波数字接收机系统哺】该系统可完成AM、FM、FSK以及SSB等信号的解调。在发射机设计方面空军工程大学采用Ti公司TMSCAD中频采样ADCGCDDCADDUC以及Altera公司的EPFlKFPGA设计第一章绪论通道的数字收发信机J。西安电子科技大学信息科学研究所采用n公司TMSCDSP和AD数字上变频器设计和实现了多模式信号发生器【】。比较国内外数字收发信机产品可见国外公司的产品具有明显的系列化模块化的特点设计规范成熟具有多种标准的总线接口且多为计算机板卡产品参数设置灵活可靠性高。国内产品虽然取得了大量的成果但功能相对单一灵活性较差在规范化化设计方面与国外水平也存在着较大差距。总之国内产品的软硬件的设计水平距离国外同类产品还有很大的提升空间。.数字收发信机的研究动态和评价指标..数字收发信机的研究动态由于软件无线电结构具有开放性、标准化、模块化的通用平台可形成具有高度灵活性、开放性的新一代无线电系统。因而自从其问世以来在通信系统、电子战系统和雷达系统中引起了广泛的关注逐渐形成了软件化发射机和接收机的设计方法。射频数字接收机的研究。相对于中频接收机而言射频数字接收机具有更高的采样率较少的射频单元所面临的技术问题和中频接收机有所不同而目前ADC器件的模拟带宽已经覆盖到S波段射频采样的数字接收机已初步具备条件。频率源数字化技术主要表现在DDS技术的发展和应用。频率源数字化技术的另一个方面是数字锁相频率合成器目前正逐渐向数字化和全集成化的方向发展。雷达、通信和电子战接收机一体化技术。目前雷达接收机和电子战、通信接收机一体化技术正在引起人们的关注。三种接收机的一体化技术表现在技术上的互相渗透和体制上的互相兼容。早期的雷达接收机一般为窄带接收机而电子战接收机为宽带接收机雷达接收机主要检测回波信号的的各种信息(幅度、频率、相位、极化等)而电子战接收机则主要是快速测向和测频。然而随着电子信息的发展雷达接收机也在向着多频段、宽频带方向发展而电子战接收机则向精确测频及脉内调制特性分析方向发展。在频率合成器方面数字锁相环就首先用在通信接收机中。当前在三种接收机中各种复杂信号的产生都是用数字方法实现的DDS技术))))kk/Lk电子科技大学博士论文同时在通信、雷达和电子战接收机中受到重视。在接收机体制上数字接收机和信道化接收机可适用于三种接收机中随着机载、星载电子信息系统的快速发展小体积、低功耗、高性能的多功能一体化接收机将成为接收机的重点发展方向之一。()微波单片接收机技术。目前机载雷达和星载雷达、电子战、通信综合电子系统对接收系统的尺寸和重量提出了苛刻的要求而微波集成电路(MIc)为其提供了良好的技术支持。MIC包括两类即混合微波集成电路(HMIC)和单片微波集成电路(MMIC)它们是接收机技术的重要发展方向此外采用超导技术的高灵敏度接收机也是一个重要的研究领域这时接收机就是一种高灵敏度探测器具有广阔的应用前景。..数字收发信机的评价指标对数字收发信机进行评价的主要技术指标有:()选择性和信号带宽:选择性表示接收机选择所需要的信号而滤除邻频干扰的能力选择性与接收机内部的频率特性(如中频频率和本振频率)以及接收机高、中频部分的频率特性有关。在保证可以接收到所需信号的条件下带宽越窄或谐振曲线的矩形系数越好则滤波性能越高所受到的林频干扰也就越小即选择性越好。信号带宽也称为接收机的通频带。()动态范围和增益:动态范围表示接收机正常工作时允许输入信号的强度变化范围。最小信号强度通常取最小可分辨信号抽最大信号强度通常取达到饱和或过载的信号S。。。增益表示接收机对回波信号的放大能力它是输出信号与输入信号的功率比即G=S。/S。()灵敏度和噪声系数:接收机的灵敏度表征了接收微弱信号的能力。接收机的灵敏度越高它所能接收到的信号就越弱。通常接收机的灵敏度用能够分辨的最小信号功率S岫来表示。噪声系数定义为接收机输入信噪比和输出信噪比的比值。灵敏度和噪声系数之间的关系为:S。柄=七瓦B。FM其中k为玻尔兹曼常数瓦为室温的热力学温度B。为系统的噪声带宽肘为识别系数罗为噪声系数。()I/Q正交度:包括I/Q通道的幅度不一致性和相位不一致性。幅度不一致性是I/Q通道幅度有效值的比值而相位不一致性是I/Q通道的相位差。第一章绪论()频率源的频率稳定度和频谱纯度:频率源的频率稳定度主要指短期频率稳定度(一般在ms量级)短期频率稳定度常常用单边带相位噪声功率谱密度来表征。频谱纯度主要包括频率源的杂波抑制度和谐波抑制度。()在数字通信系统中调制解调器的设计有两个重要的技术指标:在一定的比特信噪比条件下数据传输比特误码率(即功率利用率)与传输信号的频谱带宽(即频带利用率)。提高频带利用率通常采用多电平或者多相位调制解调方式:提高功率利用率通常采用信道纠错编码方式以降低误码率。.本文的主要工作本文的研究内容具有较强的工程研制背景主要涉及两个研究项目:一是对再入遥测系统中使用的PCM/FM中频数字化接收机的研制该项目对于改进传统装备以及提升实战能力具有重要的意义另一个项目是对作为TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)中关键技术的PSK高速数传收发信机的研制该项目的研究成果具有实际重要的意义。这两个项目的共同技术特点是对中频模拟信号进行直接中频采样(接收)或者直接产生中频模拟信号(发射)将调制与解调的功能全部采用数字技术进行处理。不仅研究了具体的调制解调信号处理算法而且进行了样机的工程研制和实验研究开展了大量的工作。除了上述两个项目的研究内容外论文还对中频数字收发信机的若干关键技术进行了研究包括宽带数字下变频器的高效实现结构多模式中频数字调制器的实现宽带低相噪频率合成器的设计。本文的主要工作内容有:()对PCM/FM中频数字化接收机的FM解调技术进行了研究。提出了一种高效的数字鉴频方法它采用CORDIC算法进行数字鉴相再对鉴相结果进行一阶差分鉴频。该算法适合在FPGA中以多级流水线方式实现具有运算量小处理速度快的优点()对PCM/FM中频数字接收机的载波同步和码同步技术进行了研究。在载波同步方面提出了基于滑窗幅度检波和抵消的载波频偏抑制新方法进行了理论分析和计算机仿真。在码同步技术方面采用开环的定时误差估计和多项式数字内插方法实现另外研究了一种简洁的基于查找表的PCM码同步FPGA实现方法电子科技大学博士论文()采用中频采样ADC、专用DDC器件和FPGA完成了PCM/FM中频数字化接收机的软硬件设计开展了实验研究达到了较好的技术指标()对宽带数字下变频技术进行了研究。提出了四种高效实现结构分别是:混频器后置结构、最小公倍数结构、一次变频结构和二次变频结构。它们能够有效地降低DDC过程中滤波和混频的乘法速度从而克服典型DDC方法接收宽带信号的瓶颈()针对Mbps速率PSK高速数传接收机的设计难题首先研究了其实现方案采用频域并行处理方法和中频数字接收机架构其次对PSK频域并行解调算法进行了分析和计算机仿真验证了其可行性()采用超高速ADC和高性能FPGA设计和实现了PSK高速数传接收机对各关键电路模块进行了功能检测表明样机能够正确地解调PSK信号()对ICS.A多通道DAC卡进行应用程序开发成功地实现了多模式中频调制器可灵活地产生不同码率不同调制方式的中频信号()基于改进的DDSPLL的频率合成技术设计和实现了一种能够同时覆盖L、S和C波段的宽带低相噪频率合成器达到了较好的技术指标()对Mbps速率PSK高速数传中频调制器设计技术进行了研究提出了并行的多相匹配滤波和免混频正交调制的实现方法。采用高性能FPGA和超高速DAC完成了中频调制器的设计实验结果表明调制器的输出具有较好的EvM指标。第二章中频数字化调制与解调基本理论第二章中频数字化调制与解调基本理论本章主要讨论中频数字化调制与解调的基本理论包括:采样定理多速率数字信号处理理论高效数字滤波器以及数字正交调制与解调理论等方面它们是本文的立论基础。.采样定理采样定理使得采样后的信号可以无失真地恢复成原来的信号包括低通(Nyquist)采样定理和带通采样定理。..Nyquist采样定理假设模拟信号为z(f)频谱为X)。采样脉冲序列为Cs(f)为六=/t角频率为q=矾频谱为C占细)。则有:%(f)=(t一胛正)月=Ⅷ周期为C频率(.)Gp):等妻万p一刀q)(.)采样过程为xO)与%(f)相乘的过程采样后的离散时间信号xQ)为:x。C)=x(t)c万(吼毗()由频域卷积定理得到:以细卜享鸭Ⅺ.()=軎X(conoJ,)巾‘一根据()式采样后信号的频谱为原信号频谱的周期延拓。若原信号x(r)的频率成分被限制在(o厶)内则采样前后的信号频谱如图所示。由图可见为防止采样后的信号不发生频谱混叠需要满足功一国何CO疗即:哆国日or‘厶()电子科技大学博士论文这时只需用一个通带不小于缈H的低通滤波器就能滤出原来的信号x(t)。Nyquist采样定理描述如下:对于频带限制在(O厶)内的信号x(f)如果以六f.的采样速率对x(f)进行等间隔采样得到离散时间信号x(n)=x(nr,)则原信号x(f)可被采样值x(投)唯一地确赳。x(co)五(缈)JL皂豸~一HQH一l一HHCOs图.低通采样前后的频谱..带通采样定理Nyquist采样定理只讨论了信号频谱分布在(o厶)上的基带信号采样问题。但如果信号频率分布在某一有限的频带(兀厶)内且厶>>B=厶一无即信号的最高频率远大于其带宽时如果仍按Nyquist速率来采样的话则采样频率会很高

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