（电路与系统专业论文）中频数字化接收机技术及系统实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 软件无线电的设计思想之一是将a d 转换器尽可能靠近天线，即把a d 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。然而，由于受 器件水平的制约，直接对射频信号采样处理还有一定难度。在保留软件无线 电通用、灵活、开放的特点的前提下，目前普遍采用了中频数字化方案。数 字中频技术是目前软件无线电技术中发展最迅速的一项技术，基于软件无线 电技术的中频数字化接收机已经成为现代雷达、通信、测控系统的重要组成 部分。因此，研究中频数字化接收机技术有重要的意义。 本文首先介绍了中频数字化的相关理论，f p g a 的发展状况和应用前景； 然后针对某种具体的中频数字化接收机，介绍了系统方案的设计，对系统结 构设计、采样率选取、n c o 实现方法、滤波器设计等问题作了详细的分析， 并且进行了计算机仿真；在此基础上，本文介绍了该中频数字化接收机的硬 件实现方法，着重介绍了在f p g a 中实现下变频器和抽取器的方法；最后， 本文给出了测试结果，测试表明，设计的接收机能正常工作，满足系统指标 要求。 关键词：中频数字化，数字接收机，数字下变频，f p g a 第1 i 页 电子科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t o n eo ft h e i m p o r t a n tc o n c e p t i o n s o fs o f t w a r er a d i oi s t om a k ea d c o n v e r t e rc l o s et oa n t e n n a ，w es h o u l dc o n v e r ti f a n a l o gs i g n a le v e nr f a n a l o g s i g n a li n t od i g i t a ls i g n a l h o w e v e r ，l i m i t e db yt h ec u r r e n tt e c h n i cl e v e lo ft h e c h i p ，i t i sd i f f i c u l t t or e a l i z er f s i g n a ld i g i t a l i z a t i o n t h u s ，i f s i g n a l d i g i t a l i z a t i o nb e c o m e st h ep r e v a l e n tc h o i c e t o d a y ，t h e t e c h n o l o g yo fi fs i g n a l d i g i t l i z a t i o ni so n eo ft e c h n o l o g i e sb ei ng r e a tp r o g r e s so fs o f t w a r er a d i o 。i f d i g i t l i z e d r e c e i v e rh a sb e c o m e so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r t s o fr a d a r s y s t e m t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c hi n t oa n dd e v e l o pi f d i g i t l i z e d r e c e j v e r i nt h i s p a p e r ，t h ep r i n c i p l eo fi fd i g i t l i z a t i o na n dt h ef o r e g r o u n do ff p g a t h e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e da t t h ef i r s t t h e nw ed i s c u s st h em e h o dt om a k ea p r o j e c ti no r d e rt od e s i g nak i n do fi fd i g i t l i z e dr e c e i v e r s e v e r a li s s u e ss u c h a ss y s t e ms t r u c t u r e ，s a m p l er a t e ，t h em e t h o dt od e v e l o pn c o ，f i l t e rd e s i g n i n ga n d s y s t e ms y n c h r o n i z a t i o na r ed i s c u s s e d a f t e rt h a tw ed i s c u s st h em e h o dt ot u r n t h ep r o j e c ti n t or e a l i t y ，t h em e h t o dt od e v e l o pd o w nc o n v e r t e ra n dd e c i m a t o ri n f p g aa r e m a i n l y d i s c u s s e d a t l a s t ，s e v e r a l t e s t sa r ed o n et oe v a l u a t et h e d e v e l o p e ds y s t e m t h er e s u l t so ft h et e s t s i n d i c a t et h a tt h es y s t e mc o u l dw o r k w e l la n dt h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t sc o u l db ea c h i e v e d k e y w o r d s ： i f d i g i t l i z a t i o n，d i g i t l i z e dr e c e i v e r ，d i g i t a l d o w n c o n e r t e r ，f p g a 第1 i l 页 电子科技大学硕士学位论文 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；! 窆堕日期：2o o 平年年月；p 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：墅堕导师签名： 日期：_ z 。o 午年历月；。 电子科技大学硕士学位论文 1 1 软件无线电概述 第一章序言 1 9 9 2 年，美国m i t r e 公司的j o em i t o l a 在美国国家远程会议上首次 提出了软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 技术的概念，它把硬件系统作为无线 电通信的基本平台，在此平台上把尽可能多的功能通过运行各种不同的软 件来完成，从而使无线电系统的研制从长期依赖于固定线路特性的方式中 解脱出来，使对无线电系统新产品的开发更多地转移到相应软件的开发与 设计上来。 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。 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d s p 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。 软件无线电的优势主要表现在阻下几个方面： ( 1 ) 系统结构通用，功能实现灵活。不同的系统可由相对一致的 硬件利用不同的软件来实现，系统功能的改进和升级也很方便。 ( 2 ) 提供不同系统间互操作可能性。只要在硬件平台上加载相应 的软件并配备相应的射频部分，就能顺利实现互通。 ( 3 ) 复用的优势。系统结构的一致性使得能够很好地体现模块化 设计思想，而且这些模块具有很大的通用性，能很容易地在不同系统和系 统升级时重复使用。技术更新时，只需要更换个别模块，可大大降低系统 的研制成本。 ( 4 ) 在软件无线电中，软件的生存期决定了系统的生存期。一般 地，软件开发的周期短于硬件，而且开发费用低，这样就能更快地跟踪市 场变换，满足新的使用要求，降低更新换代的成本。 第1 页 电子科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 由于系统功能主要由软件实现，可方便地采用各种新的信号 处理手段提高抗干扰性能，其它诸如系统频带监控、可编程信号波形、在 线改变信号调制方式等功能的实现也成为可能。 正因为如此，软件无线电技术被广泛的用在通信、遥测、雷达等系统 中。 1 2 数字中频技术 软件无线电是一种基于高速、高精度a d c 器件、高速d s p 芯片，以 软件为核心的崭新的体系结构。其基本思想就是将宽带a d 尽可能地靠近 射频天线以便将接收到的模拟信号尽可能早地数字化，尽量通过软件来实 现电台的各种功能。然而，由于受器件水平的制约，直接对射频采样处理 还有一定难度。在保留软件无线电通用、灵活、开放的特点的前提下，目 前普遍采用了中频数字化方案。数字中频技术的优点主要体现在以下几个 方面： 1 ) 线性动态范围宽 在许多模拟接收机中采用了自动增益控制( a g c ) ，时间灵敏度控 制( s t c ) 来增大接收机的线性动态范围，其线性动态范围一般低于4 0 d b ， 但这对于现代高性能接收机系统而言是不够的。数字中频接收机则采用高 速高精度a d c ，并配合先进的中频算法获得很高的灵敏度及高达6 0 d b 以 上的线性动态范围。随着a d c 技术的发展，其线性动态范围还可大大提 高。 2 1 低漂移、低失真 我们知道，在模拟接收机中，本振频率漂移、相位噪声、混频产生 的虚假信号、放大时产生的谐波以及互调、机内噪声等是长期困扰设计者 的难题。尽管设计人员想方设法，但结果并不能令人满意。而数字化技术 有效地解决了这些问题。在数字化之后，本振、混频、放大、滤波都是数 字线性运算，不会产生谐波、互调等虚假信号。 3 ) i ，q 通道的正交性和幅度一致性好 传统的i q 正交化是通过模拟移相器移相9 0 度实现的，由于受模 拟电路性能的限制，其i q 并不能达到较好的正交性，同时还存在i q 幅 第2 页 电子科技大学硕士学位论文 度的不一致性，而且i q 的调校十分困难。i q 正交性和幅度一致性不佳， 镜频抑制比低。对于气象雷达而言，残留镜频分量的存在直接表现为频谱 重心的偏移，速度估计偏小，对于精度要求较高的谱宽估计更产生严重影 响：而对于动，目标雷达会严重影响系统的s c v 等指标。采用数字中频，由 于其i q 是由i f 采样值通过运算产生，使输出的i q 信号具有很好的相位 正交性和幅度一致性。 1 3 中频数字化接收机 接收机系统常常采用正交双通道的零中频处理技术。模拟正交双通道 接收机的结构如图1 1 所示，接收信号经射频前端放大后与本振混频产生 中频信号，中频信号分别与两路正交的模拟的本振信号鉴相，经过低通滤 波后得到i ，q 两路正交零中频信号，送到数字处理机进行数字处理。由 于本振信号的产生、鉴相、滤波和放大采用模拟器件，要得到幅相一致性 较好的i ，q 信号比较困难。 中频数字化接收机采用中频采样，它的结构如图1 2 。与模拟接收机 相比，中频数字化接收机有以下的优点： 本振信号由n c o ( 数字控制振荡器) 产生，使用数字混频器进 行正交解调，因此i ，q 通道的幅相一致性较好。 模拟接收机的动态范围受模拟器件的限制，中频数字化接收机 的动态范围取决a d c 的动态范围，要获得较大的动态范围相对 容易。 中频数字化接收机中的混频器、低通滤波器均由数字电路构成， 在现在的技术背景下，往往采用a s i c ，f p g a 或d s p 实现。由于 这些器件都具有可配置或可编程的特点，因此可以很方便地更 改混频器和低通滤波器的参数，构成新的系统，具有很大的灵 活性。 第3 页 电子科技大学硕士学位论文 信 曼赫粼 目低翼滤波目蚓视频放大隧 号 处 骥绷低通滤波嘲视频放大黼 理 鞣 度氍 机 相! 。= 蘸! 。 | | 姻等黼麟精 图卜1 模拟正交双通道接收机结构 鍪囊i i l 廖妫嬲湖篓通滤波酬j ，di i 射频前端h 攀h 中频放大r _ i 蚓 a l l c i 鎏 。m 。m =a 工 嚣 h - t e l 本振1 鞠罄鬻 鞫低通滤波j d 鹾 扣l 图i 一2 中频数字化接收机结构 因此，研究和设计中频数字化接收机具有熏要的意义。 1 4 作者完成的工作 作者完成的课题是设计和实现某中频数字化接收机。在课题中，主要 完成了如下的工作： 1 学习和掌握数字化接收机的原理和相关理论，了解国内外软件无 线电技术和接收机的发展情况；广泛了解d s p ，a s i c 和f p g a 的工 作原理、性能，各自在数字信号处理中的应用的特点。为完成课 题打下良好的基础。 第4 页 电子科技大学硕士学位论文 2 根据某中频数字化接收机的指标要求，经过分析和比较，提出了 一种采用了高效多相抽取滤波器的接收机系统方案，确定了系统 结构和实现方法，并且通过计算机仿真验证了方案的可行性。 3 ，系统主要由a i d 电路板和数字下变频电路板组成。作者完成了 d d c 电路板的软，硬件设计。在f p g a 上实现了数字下变频、滤 波和抽取的功能。 4 对系统进行了调试和测试，测试结果表明该中频数字化接收机能 够满足系统指标要求。 第5 页 电子科技大学硕士学位论文 第二章中频数字化接收的相关理论 本章主要介绍中频数字化接收的相关理论：采样定理、数字下变频、 抽取和实现抽取器的高效结构。 2 1 采样定理 2 1 1 采样3 采样是把连续时间信号转换成离散时间信号，主要有三种：理想采样、 自然采样和一阶保持采样。 ( 1 ) 理想采样 理想采样指采样脉冲序列是理想冲激脉冲序列的采样过程，采样模型 如图2 1 所示。 图2 1 理想采样模型 设模拟信号为x ( ) ，其频谱为x ( c o ) 。 期为i ，频率为六= i l l ，频谱为c e ( c o ) 。 理想冲激脉冲序列为。( ，其周 则有： c 8 ( f ) = 占o - n t , ) c a ( ) = 等6 ( c o - n o ) 。) 1 开。 采样后得到离散时间信号x s ( n ) 为： 第6 页 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 由频域卷积定理得到： x 。( n ) = x ( t ) c d ( f ) ( 2 3 ) 引国) = 去瞰咖吲硼 = 軎工( 国- - n o ) ；) 4 s 一。( 2 - 4 ) ( 2 ) 目然采样 自然采样指采样脉冲序列是具有一定形状( 比如矩形) 、宽度为r 和 周期为瓦的周期脉冲串。，( ) 的采样过程。其中自然采样脉冲序列为： c p ( f ) = p ( t - n t ，) 将。，( ) 展开为傅氏级数： ( f ) = 巳p 。 则 c 。= i 1 1 2p ( 咖讲 x s ( f ) = x ( t ) c 。p ”“ x 。( ) = 巳x ( o j n 0 3 。) ( 2 6 ) 同理想采样相比，自然采样的每一项频谱分量的强度按c n 变化。 ( 3 ) 一阶保持采样 第7 页 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 电子科技大学硕士学位论文 一阶保持采样可看成是理想采样后经过一个冲激响应为矩形的滤波器 ( ) 后形成的，它的模型如图2 2 所示，其中冲激响应矗( f ) 是单位高度、持 续时间为7 t 的脉冲，即： 则 雄，= 佬i 曩 日( 甜) = 卜s i n 石( w 万r 2 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 。专羔抛，筹 可见，一阶保持采样后的频谱具有一个随频率变化的加权项专箸 发生了畸变，即频谱失真，又称为孔径失真。这种失真可用一个频率响应 为h ，) = ( c o r l 2 ) l s i n ( o u r 2 ) 的滤波器来均衡。 h ( t ) 图2 - 2 一阶保持采样模型 第8 页 a i 柏 以 皿 脚 。 一 o ， 謦塾 “ ，一只 l ，1 卜 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 采样定理3 3 2 1 2 1 n y q u i s t 采样定理 据式( 2 - 4 ) 可知，采样后数字信号的频谱为原信号频谱的周期延拓。 如果原信号x ( 。) 为频率分布限制在( 0 ， ) 内的信号，其频谱如图2 3 ( a ) 所示，则采样后数字信号的频谱变成为图2 - 3 ( b ) 所示。( 图中国* 2 2 n f h ) 图2 - 3 采样前后的信号频谱 根据图2 - 3 ( b ) 可知，为了防止采样后的信号出现混叠而不能正确恢 复，需满足： ，2 0 h 或f s 2 f ( 2 - 1 4 ) 这时只需用一个通带截至频率c 大于出一，并且小于m s 一国”的低通滤 波器，就能滤出原来的信号。n y q u i s t 采样定理可陈述如下： n y q u i s t 采样定理：设有一个频率带限信号x ，其频带限制在【u ，”) 内，如果以不小于js 。纠”的采样速率对。进行等间隔采样，得到时间离 散的采样信号x ( ”) 2z ( ”t ) ( 其中瓦2 1 工称之为采样间隔) ，则原信号。( f ) 将被所得到的采样值x t 州唯一地确定。 2 1 2 2 带通采样定理 n y q u i s t 采样定理只讨论了其频谱分布在【u ，一j 上的信号采样问题。 如果对频率分布在频带u t ，一j 的带通信号进行采样，虽然同样可以根据 n y q u i s t 采样定理按，s 纠一的采样速率来进行采样，但这样高的采样率会 很不经济，而且对后端处理会带来很大压力。由于带通信号的带宽并不一 定很宽，所以自然会想到能不能采用比n y q u i s t 采样率更低的速率来采样， 而依然能正确地恢复原始信号x w ? 这就是带通采样定理需要解决的问 题。带通采样定理陈述如下： 第9 页 电子科技大学硕士学位论文 带通采样定理：设一个频率带限信号。( ) ，其频带限制在( ，厶) 内 如果其采样速率正满足： 工= 鼍等 ( 2 15 ) 式中， n 取能满足正2 ( 厶一兀) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，) ，则用正进 行等间隔采样所得到的信号采样值x ( n l ) 能准确地确定原信号x q ) 。 式( 2 - 15 ) 中用带通信号的中心频率厶和频带宽度b 也可表示为： 工2 ( 2 4 n f + 0 1 ) ( 2 - 1 6 ) 式中，兀= 华，”取能满足工2 b ( b 为频带宽度) 的最大正整数。 显然，当兀2 厶2 、b2 厶时，取”= 0 ，式( 2 - 3 5 ) 就是n y q u is t 采样定 理，即满足：正2 2 。由式( 2 - 1 6 ) 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( 正22 b ) 对带通信号进行采样，带 通信号的中心频率必须满足： 兀= 半日或兀+ 厶- ( 2 州) b( 2 _ 从而可以得到厶2 0 + 1 ) b ，也就是说当信号最高频率是带宽的整数倍 的时候，可以采用工= 2 b 的采样频率来对信号进行采样，并能采用低通滤 波器或带通滤波器无失真地恢复原始信号。如果假设输入带通信号的频谱 如图2 4 ( a ) ，其最高频率满足带宽整数倍的关系，则经采样率为正= 2 b 的 采样后可得到如图2 - 4 ( b ) 所示的信号频谱图。 第1 0 页 电子科技大学硕士学位论文 图2 4 带通采样前后的信号频谱 值得指出的是，上述带通采样定理适用的前提条件是：只允许在其中 的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在，否则将会引 起频谱混叠。 2 2 数字下变频 数字下变频的目的是为了去除载波得到基带信号，下变频器主要由数 字控制振荡器( n c o ) 、混频器、低通滤波器组成。实现方法上，有单通道 混频和正交双通道混频两种方式。这两种方式的结构如图2 5 和图2 6 所 示。 图2 7 和图2 8 分别示意了采用单通道和正交双通道混频方式混频后， 信号频谱的变化。从图中我们可以看到，采用单通道结构处理时，混频后 的基带信号会发生混叠，而采用正交双通道结构则不会。因此，单通道混 频方式在某些系统中适用( 比如频谱是对称的) ，在某些系统中不适用。 此外，采用何种混频方式还与基带处理的要求有关。因此，数字下变频采 用单通道或是正交通道混频方式需要根据系统的要求来考虑。 x 图2 - 5 单通道数字下变频结构 第1 1 页 n 、 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 6 正交通道数字下变频结构 k ( 酬 魄。l4 一磊 ( a ) 磊 单遁道桓式 e = = = = = = = ： 图2 7 单通道混频模式下的信号频谱的变化 取道道模式 c = = = = = = = 图2 - 8 双通道混频模式下的信号频谱的变化 本文主要讨论正交通道混频结构的数字下变频器。 第1 2 页 电子科技大学硕士学位论文 设输入信号为： 采样后得到 f ( t ) = 爿c o s 2 万五f + 妒0 ) ( 2 1 8 ) 厂( ”) - a c o s c o c n + c o ( n ) ，其中f o c = 2 z f o f 。( 4 2 ) 本地振荡器产生的信号为：c o s o ) 。h 和s i n c o c n ，则 m ( n ) = 会 c 。s 2 c on + 驴( 疗) 卜c 。s 【p ( n ) 】) ， ( 2 1 9 ) y o ( n ) ：会陋 2 c on + 妒( ) 卜s i n 妒( ) 】 ， ( 2 2 0 ) 通过低通滤波器后可以得到： i ( 加i ac 。s ) 】，q ( 加一罢s i n e ( 硼 ( 2 - 2 1 ) 2 3 抽取_ 3 1 中频数字化要求a d c 对模拟中频信号采样，采样率往往比较高。高 采样率的信号增加了基带信号处理的难度。我们可以在完成数字下变频后， 降低数字基带信号的采样率，将高速的信号变为数据率较低的信号，以便 于完成基带信号处理。这种降低采样率的办法叫做抽取。 上扪秽佃 x ( ”。) l x ( n ) 图2 - 91 3 倍采样率降低器 第1 3 页 电子科技大学硕士学位论文 先讨论如图2 - 9 所示的d 倍采样率降低器，对x ( ) 每隔d 个采样取1 个，其余m 一1 个采样去掉，得到的序列的采样率为工= d ，且。( ”) 可表 示为： x ( ”) = x + ( 月。) l 。= x ( n d ) ( 2 2 2 ) 采样率降低等同于对数字信号x ( ”) 重新采样，将原来的奈奎斯特间隔 ( 一2 ，2 ) 变换到( - l 2 ，工2 ) ，则： x ( ，) 2 五1 缶d - i x 驴一毗) ( 2 2 3 ) 即x ( f ) 为爿( i ，) 在，s 整数倍处的周期重叠。 若( ，) 的频谱己被限制在( - l 2 ，正2 ) ，则采样率降低不会引起混叠 发生，但这个条件很难满足，例如x ) 一般是过采样得到的，。) 的量 化噪声频谱分布在卜，s 化，s 心j ，a d c 前的抗混叠模拟滤波器一般有较宽 的过渡带使l ，s 心，s “) 的频谱不可能为零。因此为了避免采样率降低后的 周期性频谱可能引起的混叠，在抽取前x j 必须经过一个低通滤波器，该 低通滤波器被称之为抽取滤波器。抽取滤波器与采样率降低器合称抽取器， 如图2 1 0 所示。抽取前后的频谱图分别可以用2 1 l ( a ) 和( b ) 来表示。 图2 1 0 抽取器的结构 第1 4 页 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 1 抽取前后频谱示意图 2 4 实现抽取器的高效结构n 1 整数倍抽取器的框图如图2 1 2 所示。抽取器的输入输出关系为 以及 n - 1 v ( n 。正) = h ( r t o x ( n 。- ，一o t , 】 r = o y ( n 2 t ) = v ( n 2 d t o ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 式中滤波器 p t 0 的长度为n ，即0 r n 。 直接实现时表示为图2 1 3 所示的结构。信号。( n 正) ，虹( m 一1 ) 一1 ， 虹 。一2 ) 正】，姐( m 一+ 1 ) 正 分别与 ( o 正) ， ( 1 瓦) ， ( 2 互) ， 【( 一1 ) 正 相乘然后相加得到v ( n ，正) ，最后将”( h 7 i ) 每隔d 1 个取一个。计算出来的 v ( n - 五) 中，每d 个数只有1 个是有效的，其它的d 一1 个都被舍弃了，因此 用这种结构来完成抽取是低效的。同时，由于滤波器在高采样率一端实现， 因此实现起来会比较困难。 图2 - 1 2 整数倍抽取器的框图 第1 5 页 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 3 整数倍抽取器的直接实现结构 为了能高效的实现抽取器，同时使滤波的工作在低采样率一端完成。 人们采用了多相结构，具体分析如下： 设f i r 滤波器的冲激响应为h ( n ) ，其z 变换为： 日( z ) = 矗( h ) = 1 对其求和式展开后可重写为： ( 2 - 2 6 ) 日( z ) = + 厅( 一d ) z 。+ 矗卜( d 一1 ) 】z d 一+ + 向( 0 ) z 。+ + 【( d + 1 ) 】z 一。+ 1 1 + = z h ( n d + 七) 可o d - im = z “ h ( n d + k ) ( z 。) ”】 女= o 令e a z ) = ( n ) 口”= h ( n d + k ) 彳” p l = - - 式( 2 - 2 7 ) 可写为： 日( z ) = z 一e a z 。) 第1 6 页 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 电子科技大学硕士学位论文 式( 2 - 2 8 ) 目p 为数字滤波器h ( z ) 的多相表达式。滤波器h ( z ) 被分解为d 个滤波器b ( ：) 的组合。 将滤波器的多相结构应用在图2 1 2 所示抽取器的滤波器中，可以得到 图2 1 4 所示的结构。从图2 1 4 可以看到，采用这种结构，抽取仍然在滤 波之后进行，滤波仍然在高采样率一端。如果再利用等效变换( 见附录一) ， 将e a z 。) 与也剑交换位置，则可得到抽取器多相形式的高效结构，该结构如 图2 15 所示。这样，对滤波器的各个分相支路来说，滤波计算在抽取之后 进行，原来在一个采样周期内必须完成的计算工作量，可以允许在d 个采 样周期内完成，且每组滤波器的阶数是低通滤波器阶数的1 d ，实现起来要 容易得多。在具体实现图2 1 5 所示的结构时，可以采用图2 1 6 所示的换 相形式。 x 电匠土眵正 图2 1 4 抽取器的多相结构 第1 7 页 电子科技大学硕士学位论文 图2 15 抽取器多相形式的高效结构 “碍皋，啬乙正， 斗匪剜 i 叫墨垫! h 图2 1 6 抽取器多相结构的换相形式 第1 8 页 电子科技大学硕士学位论文 第三章f p g a 及其在数字信号处理中的应用 如今，现场可编程门阵列( f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 正处 于革命性的阶段。随着工艺和技术的不断发展，f p g a 被人们大量地用于 实现数字信号处理，如f f t 、f i r 滤波器等。 3 1f p g a 概述川_ 1 8 3 现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 是现场可编 程逻辑( f i e l d p r o g r a m m a b l el o g i c ，f p l ) 器件中的一员。用户可以通过编程 的方式来改变f p g a 内部的数字电路以满足不同的工作需要。 f p g a 一般由三种可编程电路和存储器r a m 组成。这三种可编程电路 是：可编程逻辑块( c l b ，c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输入输出模块( i o b ， i ob l o c k ) 矛l l 互连资源( i r ，i n t e r c o n n e c tr e s o u r c e ) 。 以x i l i n x 的s p a r t a n i i e 系列的f p g a 为例，其结构如图3 1 所示。 图3 1f p g a 的结构 第1 9 页 电子科技大学硕士学位论文 可编程逻辑块( c l b ) 是实现逻辑功能的基本单元，主要由逻辑函数发 生器、触发器、数据选择器等电路组成，它们通常规则地排成一个阵列， 散布于整个芯片。函数发生器为查找表结构，其工作原理类似于r o m ，可 以完成输入一输出的函数逻辑，也可以被配置成存储器。 输入输出模块( i o b ) 提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接。主 要由输入触发器、输入缓冲器和输出触发锁存器、输出缓冲器组成。 可编程连线资源( i r ) 可以将f p g a 内部的c l b 和c l b ，c l b 和i o b 连接起来，构成各种具有复杂功能的系统。 存储器r a m 可以被配置成多种形式的存储器如r a m ，r o m ，f i f o 等。 此外，为了增强f p g a 的功能，f p g a 厂商往往会在f p g a 中加入其 它的单元和电路。如s p a r t a n l i e 系列f p g a 被加入了延时锁相环( d e l a yl o c k l o o p ，d l l ) ，可以被用来完成锁相、倍频等功能。有的系列f p g a 还被嵌 入了硬件乘法器，d s p 处理器( x i l i n x 公司采用的是i b mp o w e rp c 处理 器) ，来完成高速的数字信号处理。 3 2f p g a 在数字信号处理中的应用训 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术在通信、图像处理、雷达等领域有 着广泛的应用。d s p 算法的硬件实现有着众多的选择。一般来讲，有3 种 途径：用于通用目的的可编程数字信号处理器( p r o g r a m m a b l ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ，p d s p ) ；用于特定目的的a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) 芯片；可以由用户编程的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 芯 片。目前，f p g a 因为具有其它二者所不具备的优点，被人们越来越多的 使用在数字信号处理领域。 3 2 1 与a s ic 芯片比较 a s i c 芯片为实现专用功能对硬件优化，采用了最经济的硅结构来实现 每个特定功能，因此具有稳定，高性能，大规模生产时成本低的优点。适 合用在产量巨大的情况下。 第2 0 页 电子科技大学硕士学位论文 然而，a s i c 只能进行一次编程，不能重复使用。与a s i c 芯片相比， f p g a 非常灵活，不仅可以重复使用，在产品制成后还可以更改设计。设 计人员可以很方便地对产品进行升级。因此在系统研发阶段和市场投入时 间紧急，程序需要不断地升级和更改的情况下，采用f p g a 往往是较为正 确的选择。 索尼公司顾问t s u g i om a k i m o t o 在x i l i n x 公司主办的可编程世界会议 的主题演讲上提到：“消费电子正快速从模拟向数字转移，而产品生命周 期也越来越短。这样的市场使f p g a 不可或缺。” 3 2 2 与p d s p 芯片比较 通用的p d s p 芯片是实现d s p 算法最常见的硬件，设计方法成熟，各个 p d s p 芯片厂商也为其提供了相应的设计软件。p d s p 芯片作信号处理具有 以下的优点： 高速。 无缝的外存储器接口。 丰富的外设支持。 与p d s p 相比，f p g a 芯片的劣势在于存储器有限，尽管当前的f p g a 芯片有片内r a m ，如新的x i n l i n xv i r t e x i i 系列有百万位r a m ，与d s p 外部的大容量s d r a m 相比，仍有很大的差距。 f p g a 也有它的优势： 较高的稳定性和极高的速度 由于f p g a 的资源由大量逻辑电路组成，因此具有硬件电路稳定的特 点。其工作方式又区别于p d s p 、c u p 的指令排队工作方式，具有极高的 运算速度。它彻底解决了p d s p 系统中的慢速以及由程序计数器跑飞等因 素引起的不稳定等问题。 超大容量的资源，便于实现片上系统 目前，x i l i n x 公司已经推出千万门量级的f p g a ，这种芯片可以做到 中频接收解调、调制、测距、测速、遥控、遥测、数传等功能的单片集成， 第2 l 页 电子科技大学硕士学位论文 实现真正意义e 的片上系统( s o c ) 。设备体积可以最大限度地减小，可 靠性得到最大限度的提高。 今后，p d s p 将会主宰需要复杂算法的领域，而f p g a 将会更多的用 于前端( 如f i r 滤波，f f t ，c o r d i c 算法) 。 3 3 f p 6 的最新发展动态“6 1 近来，通过人们不断地努力，f p q a 技术取得了高速的发展。以x i l i n x 公司的f p g a 产品为例来介绍f p g a 的新发展： f p g a 的成本越来越低 x i l i n x 公司推出9 0 纳米新系列s p a r t a n 解决方案一s d a r 【a n 3 平台。 采用9 0 纳米工艺的s p a r t a n 3 大幅降低了成本，该系列产品提供5 万至5 0 0 万的系统逻辑门，从35 0 美元起价，可满足顾客对低成本解决方案的需求。 片内存储空间增大，支持更多类型端口和高速数据传输 x i l i n x 公司推出的高端产品v i r t e x l ip r o 最多可提供1 0 m b 容量的片 内r a m 。支持l v - t t l 、l v c m o s 、s s t l 、h s t l 、g t l 、0 t l + 、 l v d s 、l v p e c l 等多中类型接口。多达2 4 个全双工串行收发器：v i r t e x i i p r o 提供6 2 2 m b p s 至3 12 5o b p s 全双工串行收发器，v i r t e x i ip r o x 提供 2 ，4 8 8 m b p s 至1 03 1 2 5g b p s 全双工串行收笈器，可满足高速数据传输的需 求。 强大的数字信号处理能力 x i l i n x 公司的v i r t e x i ip r o ，v i r t e x l ip r ox 系列产品集成了最多达4 个 4 0 0 m h z ，6 0 0 + d m i p s 嵌入式i b mp o w e r p c4 0 5 处理器和最多达5 5 6 个18 1 8 硬件乘法器。这使得f p g a 的信号处理能力在某些方面超过了p d s p 。 表3 1 列出了x i l i n x 公司提供的v i r t e x l lp r o 系列f p g a 在数字信号处理 的某些方面与主流p d s p 的比较。 表3 ，- 1v i r t e x 工i ! o r o 系列f p g a 在数字信号处理方面与主流p d s p 的比较 处理对象业界当前最快p 3 s p v i r t e x l ip r o 系列 f p g a 8 x 8 乘一累加( m a c ) 4 8b i l l l or lm a c s1q r i l l i o f tm a c s s f c l k = 6 0 0g h zf c l k = 3 0 0m e z f i r 滤波器 g 3m s p s3 0 0m s p s 第2 2 页 2 5 6 抽头，线性相位f c l k = 6 0 0m h zf c l k = 3 0 0m i i z 1 6 位数据和滤波器 系数 复数f f t 1 0u sl k t s 1 0 2 4 点，1 6 位数据f c l k = 6 0 0m h zf c l k = 1 5 0m h z 随着f p g a 技术的高速发展，f p g a 在数字信号处理方面的优势越来 明显，它的应用前景将会非常广阔。 3 4 本章小节 本章对f p g a 的结构，特点作了介绍。在实现数字信号处理的能力方 面，通过与p d s p 、a s i c 芯片比较，得出f p g a 在数字信号处理领域会有 很大的应用前景这一结论。 第2 3 页 电子科技大学硕士学位论文 第四章中频数字化接收机方案设计及仿真 前文介绍了中频数字化接收机的相关理论，四、五、六章将结合实际 介绍中频数字化接收机的实现方法。本章着重介绍中频数字化接收机的方 案设计以及仿真。 现在需要实现一种中频数字化接收机，要求的技术指标如下： 输入信号：线性调频信号( l f m ) 中频：3 0 m h z 带宽：5 m h z 时宽：2 0ns 输出数据率：6 ，6 7 m s p s i q 通道相位正交性误差0 2 。 i q 通道幅度一致性误差0 1 d b 以下将从系统结构设计，采样率选择，n c o 实现方法选择，滤波器设 计四个方面来介绍系统方案的设计。 4 1 系统结构 第2 4 页 电子科技大学硕士学位论文 图4 1 中频数字化接收机的基本结构 中频数字化接收机由a d 转换器( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r ，a d c ) 、数 字下变频器( d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r ，d d c ) 两部分组成，如图4 1 所示。其 中a d c 负责对模拟中频信号进行采样，得到数字化的中频信号；d d c 将 数字化的中频信号变至基带，得到正交的i 、q 数据，以便进行基带信号 处理。d d c 由数字控制振荡器( n c o ) 、混频器、低通滤波器和抽取器组成。 设输入信号为： f ( t ) = a c o s 2 z r f o r + 庐( r ) 】 ( 4 1 ) 采样后得到 f ( n ) = a c o s c o o n + 妒( n ) 】，其中吐= 2 万五工 ( 4 - 2 ) n c o 产生的信号为：c o s f o 。n 和s i n a ) o n ，则混频后得到： y 。( 炉会 c o s 2 峨n 吲”) 】+ c o s ) 】 ， ( 4 - 3 ) 蜘( 加会2 咄州n ) 卜s 洫) 】 ， ( 4 _ 4 ) 通过低通滤波器可以得到 第2 5 页 电子科技大学硕士学位论文 i ( n ) = 詈c 。s p ( n ) 】，q ( n ) = 一詈s 访【妒( n ) 】 ( 4 5 ) 然后通过抽取器来降低信号数据的速率，以降低后端处理要求。 我们在2 4 节中已经讨论过采用多相处理结构可以实现高效的抽取和 滤波，如果将多相结构应用到中频数字化接收机中来完成其中的抽取和滤 波，可以得到改进的结构如图4 - 2 。 图4 2 采用了多相处理结构的中频数字化接收机结构 4 2 采样率的确定 采样率的选择主要从三个方面考虑： 采样率必须是数据输出速率6 6 7 m s p s 的整数倍； 采样率要满足采样定理，以该采样率对信号采样，得到的数字信 号经过必要的处理后，能够正确地从中提取有用的信息而不会发 生混叠； 在满足以上两个条件的基础上，采样率尽可能与中频满足一定的 比例关系，这样便于n c o 的实现，这将在4 3 节详细的讨论。 从这三个方面综合考虑，我们确定采样率为4 0 m s p s 。一方面4 0 m s p s 是6 6 7 m s p s 的6 倍，这就确定了抽取率为6 ；另一方面采样率为4 0 m s p s ， 第2 6 页 电子科技大学硕士学位论文 那么n c o 的归一化频率为昙万( 原因请见下文分析) ，比较容易实现；同时， 采用合适