基于FPGA的数字上下变频器的研究与实现.pdf
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基于FPGA的数字上下变频器的研究与实现.pdf
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西安电子科技大学硕士学位论文基于FPGA的数字上下变频器的研究与实现姓名:
崔文申请学位级别:
硕士专业:
通信与信息系统指导教师:
杨家玮20060101摘要目前,软件无线电中普遍采用的是中频数字化方案,这就使得数字上下变频成为了其关键技术之一,本文主要研究了基于FPGA的数字上下变频器的设计和实现。
文中首先介绍了数字上下变频的相关基本理论及常用算法,然后采用自项向下的模块化设计方法,将数字上下变频器按功能划分为若干模块,并组成一个模块库,在实际应用中,优化配置各个模块来满足具体系统的性能要求。
在数控振荡器的设计中,给出了基于查找表(LUT)和坐标旋转矢量(CORDIC)算法的设计方案;在数字下变频中,设计实现了积分梳状(CIC)滤波器和半带滤波器r(HBFl相结合的抽取滤波器组,为了补偿CIC滤波器的通带衰减,引入了二阶多项式(ISOP)补偿滤波器。
并研究了采用分布式(DA)算法的FIR信道整形滤波器的实现;在数字上变频中,用整形CIC(SCIC)滤波器实现了多级内插滤波器组。
最后通过对各个功能模块的FPGA仿真,验证了设计的正确性。
关键词:
数字上变频数字下变频FPGA抽取内插AbstractToday,intermediatefrequency(IF)signaldigitalizationbecomestheprevalentchoiceinSoftwareRadio(SWR),thus,DigitalUpConversion(DUC)andDigitalDownConversion(DDC)aleonesofthekeytechniquesofSWRThispaperdealswimthedesignandimplementationofDUCandDDCbyfield-programmablegatearray(FPGA)Firstly,therelatedtheoryandalgorithmofDUCandDDCaleintroducedSecondly,璐ingTopDowndesignmethod,DUCandDDCaledividedtomanyfunctionmodulesandorganizedtothemodulelibraryInpractice,thesefunctionmodulesaleselected,eortfiguredandoptimizedtosatisfythesystemdemandBasedonlook-uptable(LUT)andCoordinateRotationDigitalComputer(CORDIC)algorithm,amethodforimplementinganumericallycontrolledoscillator似co)isdescribedinthepaper;ThedecimatingdigitalfilterofDDCisdesignedasthecascadeofcascadedintegrator-comb(CIC)filtersandHalf-Bandfilters(HBF)TocompensatetheCICSpassbandattenuation,second-orderpolynomials(ISOP)filterisusedThechannelshapefilterisimplementedbyDistributedArithmatic(DA)InDUC,interpolatingdigitalfilterconsistsofasharpenedCIC(sole)filterAtlast,everyfunctionmoduledesignedinthispaperissimulatedbyFPGATheresultsshowthedesigniscorrectKeyword:
DUCDDCFPGAdecimationinterpolation独创性(或创新性)声明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r作及取得的研究成果c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,沦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。
与我一同工作的同忐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。
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旦第一章绪论第一章绪论1I数字上下变频技术简介111数字上下变频技术的应用及发展随着近年来现场可编程门阵列(FPGA)器件和通用数字信号处理器(DSP)在芯片逻辑规模和处理速度等方面性能的迅速提高,用硬件编程或软件编程方式实现无线功能的软件无线电技术在理论和实用化上都趋于成熟和完善。
软件无线电技术只需通过软件上的更新就能够选择不同的业务或调制方式、追加和修改功能,具有传统硬件方式所无法比拟的灵活性、开放性和可扩展性。
因此,软件无线电技术已经被越来越广泛地应用于蜂窝通信及各种军用和民用的无线系统中。
软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能的直接数字化,7将其变换为适合DSP器件或计算机处理的数据流,然后通过软件来完成各种功能Ill。
在现阶段,由于受各种关键器件,特别是受ADcDAc(模数、数模变换器)采样速率、工作带宽和通用DSP器件处理速度的限制,数字中频软件无线电正成为理想软件无线电的一种经济、适用的折中选择。
在目前大多数软件无线电接收机中,一般先经模拟下变频至适当中频,然后在中频用ADC数字化后输出高速数字中频信号,再经数字下变频器(DigitalDownConverter-DDC)的变频、抽取和低通滤波处理之后变为低速的基带信号,最后将基带信号送给通用DSP器件作后续的解调、解码、抗干扰、抗衰落、自适应均衡等处理。
这样大大降低了对ADC和DSP器件性能的要求,便于实现和降低成本。
数字上变频(DigitalUpConverter-DUC)与下变频是相对应的过程,DSP处理后的基带数字信号经过内插、滤波和上变频后,将信号传给DAC来完成后续的模拟处理环节。
数字上下变频器在这里起到ADCDAC和通用DSP器件之间的桥梁作用,如图11所示111。
因此,数字上下变频技术已经成为软件无线电接收机的核心技术之一,通用数字上下变频器也被越来越广泛的应用到各种军、民用无线通信设备以及电子战、雷达和信息化家电等领域。
2基于FPGA的数字上下变频器的研究与实现r-一I?
-一墨DACj篙二二哪l。
ri夏频f,Ds91Qoo图11数字上下变频器在数字中频软件无线电中的地位112数字上下变频产品的现状自从GrayChip公司推出第一个单信道数字下变频专用芯片以来,数字上下变频器件的发展也很迅速。
目前,最著名、产品应用最广泛的公司有美国的Harris(1999更名为Intersil公司)、AD公司和Graychip等公司。
DDC代表产品有Harris公司的HSP50016、HSP50214系列;AD公司的AD6620、AD6624;Graychip公司的GCl01l系列、GCl012系列等。
DUC的产品有Harris公司的HSP50215;Graychip公司的GC4114等。
这些器件都具有较优异的性能参数和较强的功能。
许多型号的DDC芯片(如Intersil公司的HSP50214B)事实上其功能己远远不只是下变频,还包括了成形滤波器、定时同步内插滤波器、重采样NCO、坐标变换、数字AGC等功能,其芯片内部的各个功能模块均是可编程的,将其与通用DSP器件结合,便可构成一个标准的数字化多模式软件无线电接收机硬件平台。
“数字上下变频”在软件无线电中的意义已不再仅仅是简单的上下变频概念了。
113FPGA在数字上下变频领域的应用现场可编程门阵列(FPGA)是在专业ASIC的价格和低可编程性与DSP的完全可编程性和每项功能的高功耗之间的折衷方案121。
FPGA是高速可配置的逻辑电路,其物理和逻辑的布局布线是专门为状态机和顺序逻辑快速实现而设计的,近年来FPGA器件在工艺方面的进步和设计思想上的创新为之带来了前所未有的逻辑规模和强大的处理性能,时钟速度等性能已经有了很大的提高,单片的集成度已经发展到了几百万门以上,可用于复杂的数字信号处理,比如卷积、相关和滤波等。
FPGA的可编程性、灵活性和高集成性,在无线研究领域中已经得到了成功的应用。
在经过FPGA充分验证的基
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