[硕士论文精品]毫米波通信系统中基于fpga的数字上变频方法研究

摘要本论文介绍了毫米波通信系统中常用的上变频方案和调制方式，比较了它们的性能和特点，最终在发射系统中选择了DQPSK调制方式。提出了一种利用数字上变频技术进行基带信号的数字域上变频调制的方法。系统设计采用了现场可编程逻辑器件FPGA和通用正交上变频器AD9857相结合的方案。本设计硬件平台以AD公司的AD9857为核心，在数字域完成了基带数字信号内插滤波、J下交调制、DA变换等功能；选用ALTERA公司的CYCLONE系列EPIC6Q240C8完成了基带数字信号的处理，并实现了对AD9857的控制。软件部分，应用QUARTUSII和硬件描述语言VHDL在FPGA中完成了基带数字信号处理模块串并转换模块、差分编码模块和与AD9857的通信模块串口通信模块、并口通信模块的设计，并进行了仿真，仿真结果达到了设计要求。整个系统实现了在70MHZ中频载波上的DQPSK调制。系统具有结构简单，控制灵活，频率分辨率高，频率变化速率高等优点。关键宇调制DQPSK数字上变频直接数字频率合成AD9857FPGAABSTRK、TILISTHESISINTRODUCESSOMEMODULATIOLLMANNERSANDUPCONVERSIONSCHEMES，COMPARINGTHEIRPERFORMANCEANDCHARACTERISTICSFINALLYTHEPAPERSELECTSDQPSKMODULATIONBASEDONTHEANALYSISOFDIGITALUPCONVERSIONTHEORY，ASCHEMETOREALIZEBASEBANDDIGITALSIGNALMODULATIONANDUPCONVERSIONISPUTFORWARDTHESYSTEMISDESIGNEDWITHFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAYFPGAANDQUADRATUREDIGITALUPCONVERTERAD9857T1LEHARDWARESYSTEMISMAINLYCOMPOSEDOFAD9857FROMADCOMPANYANDEPIC6Q240C8FROMALTERACOMPANYNLEPROCESSINGOFDIGITALINTERPOLATION，DIGITALFILTERANDQUADRATUREDIGITALMIXAREALLFINISHEDBYAD9857THISSCHEMEUSESFPGATOPROCESSBASEBANDDIGITALSIGNALANDCONTROLSAD9857INREALTIMEBASEBANDDIGITALSIGNALPROCESSINGINCLUDESSERIALPARALLELCONVERSIONANDDIFFERENTIALCODINGCONTROLPROCESSINGINCLUDESSERIALINTERFACECOMMUNICATIONANDPARALLELINTERFACECOMMUNICATIONBETWEENFPGAANDAD9857111ESOFTWARESIMULUTIONISCARDEDOUTWITHQUATUS1ISOFTWAREANDHARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGEVHDLTHEWHOLESYSTEMREALIZESDQPSKUPCONVERSIONWITH70MHZCARRIERFREQUENCYANDSATISFIESTHEREQUIREMENTSTHESYSTEMISOFSIMPLESTRUCTURE，FLEXIBLECONTROL，HIGHFREQUENCYRESOLUTIONANDFASTFREQUENCYSWITCHINGSPEEDKEYWORDSMODULATIONDQPSKDIGITALUPCONVERSIONDDSAD9857FPGA长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的硕士学位论文，毫米波通信系统中基于FPGA的数字上变频方法研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名壹玉盔圣竺持_三月鱼同长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名量垫竺12年J月鱼日指导新签名E越6三墨噼月上日11毫米波技术介绍第一章绪论毫米波是指波长为1CMLMM，频率为30GHZ300GHZ的电磁波，该频段称为极高频频段“1。从通信领域的应用来看2I毫米波波长极短。此特性带来的优点是非常有利于射频设备的小微型化和获得较强的方向性。在军事通信中，通信天线方向性很强对提高通信系统的抗干扰、抗截获能力是十分有效的。同时波长短在应用中也会带来负面效应，为保证系统的性能，设备加工精度要求极高，元器件的寄生参数要减小到最低程度，这就造成了毫米波元器件和设备的价格昂贵；而小尺寸也限制了元器件的功率容量。2毫米波具有穿越电离层的透射特性。包括毫米波在内的微波具有穿越电离层的透射特性。在微波和光波频段，对流层、同温层的影响也是不容忽视的。虽然大气和降雨等对毫米波传播影响很大，但毫米波仍具有不同程度的穿透能力，特别是在某些“大气窗口”，对毫米波的传播十分有利。3毫米波频带宽。按30GHZ300GHZ这一范围计算，整个毫米波带宽高270GHZ。考虑到大气的影响，通常选用大气吸收峰以外的“窗口”，即使这样，常用的毫米波频谱资源仍是十分丰富的，可以满足信息时代人们对数据、宽带图像业务等大容量信息传输与处理的需求。4毫米波传播受大气和降雨等影响。毫米波传播通过大气层时引起衰减主要是水蒸气和氧的吸收所致，雨、雪和冰雹引起的衰减更为严重。此外，它们还会改变电磁波的极化，增加系统的噪声温度。特别是降雨的影响，严重地制约了毫米波在通信中的应用，这是十分值得注意的，需要采取有效的抗雨衰技术。毫米波的大气传输特性，决定了各频段的用途。毫米波频段有四个低损耗大气“窗口”，它们的中心频率在35，94，140和220GHZ附近，其可用带宽分别为16，23，26和70GHZ，一般系统都工作于这些“窗口”频率。任何一个毫米波“窗口”的可用带宽几乎都可以把包括微波频段在内的所有低频段容纳在内。这些宽带特性，在雷达中可用窄脉冲和宽带调频技术获得目标的细部特征。在通信系统中能传送更多的信息，大大拓宽已十分拥挤的通信频谱，为更多的用户提供互不干扰的通道。宽带特性也能为各种系统提供高质量的电磁兼容特性。同样，对应的中心频率为22，60，120和183GHZ这些大气高衰减区频段成为保密通信的首选工作频率。12毫米波的发展现状和研究目的频率低端无线频谱已十分拥挤，通信业务量迅速增加，通信已进入高频段、大容量、远距离、高可靠的直接传递阶段310毫米波频段相对空闲，同时由于其独到之处，使得它在通信领域罩找到了自己的位置。毫米波波长短，因而其设备体积小、重量轻、机动性好，这些特点正是精确制导武器和各种飞行器所必备的。毫米波系统除军事应用外，在射电天文、民用通信、遥感技术、车船防撞、频谱学以及生物效应的应用方面也大有作为。近些年来，国外微波毫米波的研制技术已经达到相当高的水平，国内也广泛开展了毫米波频段的研究，并取得了很大的进步。毫米波元件和电路都十分丰富，使得毫米波发展和应用的I；景更广阔。在同本、西欧和美国的毫米波通信技术，都已从试验阶段进入到中小功率的应用阶段。美国自1976年首先在陆军中试用了全双工台，现已扩展到海军、空军和其它特种部队，作为快速保密的通信工具。毫米波通信在铁路交通管理和电话网的延伸中都得到应用。同本已经开通了约700条短距离的无线链路。5060GHZ范围的商用本地小区制无线通信网络的研究工作正在进行中。在导弹的未制导系统中，由于毫米波制导兼有微波制导和红外制导的优点，加之毫米波制导系统受导弹飞行中形成的等离子体的影响较小，国外许多导弹的未制导采用了毫米波制导系统。毫米波电子对抗由于毫米波雷达和制导系统的发展，相应的电子对抗手段也发展起来了。据报道美国的电子对抗设备中侦察部分1LOGHZ以下已实用化，正在向300GHZ发展。毫米波通信系统中地球上的点对点毫米波通信基本上只用于对保密要求较高的接力通信中。而在卫星通信中则由于毫米波段频率资源丰富而得到了迅速发展。我国毫米波研究工作起步相对晚些。由于材料、工艺的发展为毫米波元器件的发展创造了条件。在毫米波系统中应用的半导体器件有混频器、低噪声放大器、倍频器、功率放大器及振荡器，这些器件都已有批量生产的商品可供选择。毫米波集成电路和毫米波固体器件的研制成功并批量生产，大大推动了毫米波应用技术的发展。军用毫米波通信是战场环境下很有发展前途的通信手段，它具有波束窄、数据率高、电波隐蔽、保密和抗干扰性能好、开设迅速、使用方便灵活以及全天候工作的特点。军用毫米波通信主要应用有保密通信，快速应急通信，对潜通信，卫星通信，星际通信等。2本设计中毫米波应用于地面通信系统。毫米波地面通信系统是典型的视距通信“1。作为地面通信系统应用时，其中一种传统的广为应用的基本方式是点对点交互通信。由于大气吸收及降雨衰减影响严重，单跳距离较短，当用于远程接力中继通信时，将需要比低频段的微波系统更多的中继站，在系统成本和可用度等方面将遇到更为严重的挑战，故而地面应用时，作为中、短程通信更为可取又因为毫米波具有丰富的频带资源，可提供大、中通信容量。毫米波本身就具有隐蔽性和抗干扰性，同时由于毫米波在大气中的衰减和使用小口径天线就可获得极窄的波束和很小的旁瓣，所以对毫米波通信的截获和干扰变的非常困难。下面主要介绍毫米波点对点通信的发展现状。MAC0M低窃听概率电台是美军研制的造价低、结构紧凑、集成毫米波前端的电台。根据目L；的发展情况可以看出毫米波通信今后的发展方向是1低成本、小体积、轻重量、高可靠性的毫米波单片集成电路将成为发展的主流，并且将使军用和民用的毫米波通信得到更广泛的应用。2为了增加传输距离，必须提高信号源的输出功率，为此对信号源应采用功率合成技术。3前端元件由分立元件向集成化发展，因此自口端将需要进一步的集成化。4为了增加传输容量，充分利用毫米波宽带的特点，多进制通信体制研究将成为系统应用工作的研究方向。5伴随着社会信息化的进程，在宽带多媒体通信、宽带无线接入的个人通信领域中，毫米波通信成为或将成为不可缺少的重要支柱。毫米波将向更高频段、更宽射频带宽发展。13毫米波通信系统的基本组成图11给出了典型的毫米波通信系统的基本组成510在其通信设备中，发射机是将基带信号转换成可在信道上传输的射频RF信号。在无线通信中，天线是不可缺少的，它用于将发射机沿某种传输线送来的射频信号以电磁波的形式向空间辐射；在接收端，天线的作用是收集发射端发来的电磁波并通过传输线送入接收机。接收机的作用是进行与发射机相反的处理。接收机收到的电磁波的传播途径中所经过的空间区域称为信道。通常，通信是双向的，而天线是收发共用的，因此，一部通信设备装备有收、发信机及相应的终端。收、发信机通过双工器与天线连接。幽11典型的毫米波通信系统的基本组成14本论文主要工作毫米波频率很高，在30GHZ300GHZ范围。由于基带的频谱全部都延伸到很低的频率范围，为了利用毫米波的辐射来传输，就要通过调制和上变频技术将基带信号的频谱的位置搬移，移到毫米波的射频范围。本论文完成了毫米波通信系统中的发射端的上变频调制方案设计。系统发射端结构框图如图12所示。4图12系统发射端上变频结构框幽本论文在研究了毫米波通信系统的基础上，提出了一种利用数字上变频技术进行基带信号的数字域调制和频率变换的方法。系统采用了现场可编程逻辑器件FPGA和通用正交上变频器件设计了发射端上变频和调制电路，完成了在70MHZ中频的DQPSK调制。本设计硬件平台以AD公司的直接数字频率合成芯片AD9857为核心，在数字域完成内插、滤波和J下交混频选用ALTERA公司的CYCLONE系列EPLC6Q240C8完成了基带数字信号处理和对AD9857的控制。软件设计部分，应用QUARTUSII软件和硬件描述语言VHDL在FPGA中完成了基带数字信号处理模块串并转换模块、差分编码模块和对AD9857控制模块串口通信模块、并口通信模块的设计，并进行了仿真，结果满足设计要求。第二章数字通信系统调制技术的研究21发射系统上变频方案的选择发射系统是毫米波通信系统中的重要组成部分1。其作用是将己调波经过某些处理如变频、放大等之后，输送给天馈系统，发向通信对方或转发中继站。1发射系统基本功能”，1在给定的毫米波射频上，产生足够大的射频信号功率，以满足通信对方或转发中继站接收机对信噪比的要求。2发射功率控制应能调节输出功率，在正常情况下保持功率电平的高稳定度。2发射系统有三种基本体制1直接调制式基带信号直接对毫米波射频进行调制，然后将已调波信号放大到足够的功率电平。2变频式基带信号对中频载波进行调制，然后通过频率变换将其变换为毫米波已调信号，最后经毫米波功率放大器放大到足够的功率电平。由于是从较低的载波中频变换到较高的载波毫米波频率，这一频率变换设备称作上变频器，上变频器中可用一次或多次变频方案。3倍频式基带信号对较低频载波进行某种调制，然后通过倍频将其变换为毫米波已调信号。根据以上所述，发射系统的基本组成如图21所示。在完整的意义上，它应包括调制器、上变频器对于变频式、倍频器对于倍频式、频率源和功率放大器。A直接式6B变频式C倍频式幽21发射系统的基本组成本设计中毫米波通信系统采用图21中的变频式体制。首先对70MHZ中频载波进行调制，然后将70MHZ己调波信号通过两次上变频转换得到34GHZ毫米波以调信号。22毫米波通信系统中数字调制方式的选择一个通信系统的质量，在很大程度上依赖于所采用的调制方式。从信息论的观点看，调制必须使信号特性与信道特性相匹配，因此，调制方式的选择是由系统的信道特性决定的，不同类型的信道特性要用不同类型的调制方式。221数字调制方式的比较数字通信系统中主要有三种基本的调制方式即伸1，ASK振幅键控、FSK频移键控和PSK相移键控。当前，数字通信的发展非常迅速，为了提高数据传输的效率和可靠性，近年来还根据不同的用途和要求，提出了许多调制方式，如OFDM和TCM。尽管这些调制方式有多种形式，但仍可以把它们看作是基本调制方式的改进、变形或分支。表2一L是目前常用调制解调方式性能的简单比较。表21数字调制解调性能分析在抗高斯噪声方面”1，PSK性能最好，DPSK次之，其次是FSK，而ASK性能最差。PSK性能优于DPSK系统，但可能会出现相位模糊现象，故实用上大多采用DPSK。从系统的频带利用率来看，PSK和ASK比FSK占据更窄的信道带宽，即PSK和ASK更有效，所以从抗噪声性能和提高信道带宽利用率角度来看，PSK是所有二进制键控方式中最优的一种。为了提高频谱利用率，越来越多地使用多电平基带信号及其相应的多相相移键控MPSK。在选择适合毫米波通信信道的调制方式时，要注意以下几点“”1要特别注意它与系统之问在信噪比方面的匹配度，要尽量使用在相同信噪比的条件下，具有较低误比特率的调制方式即抗干扰能力较强，同时要兼顾其对频带的要求。2要考虑其在非线性信道上性能的恶化量，要尽量使用恒包络调制方式。3要分析其抗衰落性能，并考虑能采取适当的措施予以补偿。目前的研究结果表明，线性调制技术，如BPSK、QPSK、DPSK和QAM都可以用于像毫米波信道这样的宽带无线信道。参考现有的毫米波通信系统，我们根据数字通信系统的容量等级来选择。对于小容量系统，以选择4PSK4DPSK为主，也可选择2PSK2DPSK或2FSK；对于中容量系统，以选择4PSK4DPSK为主，也可选择8PSK或2PSK2DPSK；对于大容量系统，以选择16Q埘为主，也可选择8PSK。今后将逐步采用频谱利用率更高的调制方式，如64QAM、256QAM等。在调制方式的实现方面，2PSK2DPSK设备简单、抗干扰能力强，8对衰落信道和非线性信道的适应能力强，但频谱利用率不高。2FSK设备简单，对衰落信道和非线性信道的适应能力强，但其频谱利用率和抗干扰能力都比2PSK2DPSK差。4PSK4DPSK的频谱利用率是2PSK2DPSK的两倍，抗干扰能力与后者一样，设备复杂程度只有少许增加，对衰落信道的适应能力适中，对信道的线性指标要求也不太高。8PSK与4PSK4DPSK相比，具有更高的频谱利用率，但设备复杂程度有所增加，对信道的衰落和失真特性也比后者敏感，需要采取一定措施来改善性能。通过前面的分析比较，本设计最终选用了DQPSK调制方式，它的频谱利用率要高于2PSK等方式，而抗噪声性能高于8PSK、16QAM等，且工程实现简单，成本较低。目前中小容量的微波通信中，都以4DPSK调制为主。4DPSK只是在4PSK调制器串并转换后接了一个差分编码器，其它并没有改变。222DOPSK调制原理四相绝对相移键控QPSK利用载波的四种不同相位来表征4种不同的数字信号“。因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，每两个比特编为一组，然后用四种不同的载波相位去表征它们。四相相对相移键控DQPSK是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。相对相移本质上就是由绝对码转换而来的差分码的数字信号序列的绝对相移。1多相制的表达式及相位配置设载波为COSSET，相对于参考相位的相移为丸，则M相制调制波形可表示为“钉。，G，一N巧COSGKF九COSECCO哦西一珂一SINMJSIN吮GO一甩2，1式中，GF是高度为1，宽度为的门函数。丸B岛概率为只概率为只巳概率为只922由于一般都是在02万范围内等间隔划分相位的，因此相邻相位的差值为口堡23，竹令A月COS丸BNSIN9，ICOST；JCOS岛LCOSTG。,SINE,SIN良SIN以概率为只概率为只概率为匕概率为只概率为只概率为只且0最只1这样式21变为EF口。GO一打巧C。SQ，一莓以GG一以S；N致，2，COS哎，一Q，SIN刚24252627第一项称为同相分量，第二项称为正交分量。可见，多相制信号可等效为两个正交载波进行多电平双边带调制所得信号之和。根据以上的分析，我们知道相邻两个相移信号其矢量偏移为2ZM。但是，用矢量表示各相移信号时，其相位偏移有两种形式。如图22所示，它就是相位配置的两种形式。图中注明了各相位状态所代表的女比特码元，虚线为基准位参考相位。对绝对相移而言，参考相位为载波的初相；对差分相移而言，参考相位为前一已调制码元的末相当载波频率是码元速率的整数倍时，可以认为是初相。各相位值都是对参考相位而言的，正为超前，负为滞后。两种相位配置形式都采用等间隔的相位差来区分相位状态，即删进制的相位间隔为2Z所。这样造成的平均差错概率将最小。1010一三相霉相O龃|R娑帼0100石2体系万4体系图22相位配置父母图102四相制信号产生方法四相铜JQPSK信号的产生方法有正交调制法、相位选择法和插入脉冲法。后两种方法的载波采用方波。1正交调制法QPSKJ下交调制器方框图如图23N示。输入的串行二进制码经串并变换，分为两路速率减半的序列，再经过极性变换产生双极性二电平信号，F和QF。然后分别对同相载波COSA，,T和正交载波SINA,T进行调制，相加后即得到了QPSK信号。图23QPSK正交调制原理框图在直接调相的基础上加码变换器，就可形成4DPSK信号。串并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的二进制序列。在差分编码器当中对其进行四进制差分编码，编码后的数据通过成型滤波器进行滚降，滚降后的I、Q两路基带信号分别对问相载波及正交载波进行调制。2相位选择法QPSK也可以用相位选择法产生，用数字信号去选择所需相位的载波，从而实现相移键控，其原理图如图24所示。载波发生器产生4种相位的载波，输入的数字信息经串并变换成为双比特码，经逻辑选择电路，每次选择其中一种相位的载波作为输出，然后经过带通滤波器滤除高频分量。这是一种全数字化的方法，适合于载频频率较高的场合。图24相位选择法产生QPSK信号若逻辑选相电路还能完成码变换功能，就可以形成4DPSK信号。3脉冲插入法图25是脉冲插入法的框图，它可实现7“2体系相移。主振频率为4倍载波的定时信号，经两级二分频输出。输入信息经串并变换逻辑控制电路，产生石2推动脉冲和7T“推动脉冲。在X2推动脉冲作用下第一级二分频电路相当于分频链输出提IJ7“2相位，在71“推动下第二级二分频多分频一次，相当于提前石相位。因此可以用控制两种推动脉冲的办法得到不同相位的载波。显然，分频链输出也是矩形脉冲，需经带通滤波才能得到以J下弦波作为载波的QPSK信号。用这种方法也可实现4DPSK调制。图25脉冲插入法原理方框图13第三章数字上变频技术随着数字技术的发展，短波通信的实现已经由模拟电路向数字电路转变，进而向软件无线电方向发展。数字上变频技术是以现代通信中的软件无线电理论为基础“”，具有分辨率高，频率容易改变，相位线性变化，易于数字控制等优点。因此数字上变频技术正得到越来越广泛的应用。数字上变频技术所依据的基本技术主要包括多速率信号处技术、高效数字滤波技术，以及数字域J下交混频技术等“”。其原理框图如图3I所示。图31数字上变频系统的结构框图31多速率信号处理技术H采样率转换是对采样后的数字信号X珂直接进行采样率转换，以得到新的采样数据。采样率转换通常分为抽取和内插。抽取是降低采样率以去掉多余数据的过程，而内插则是提高采样率以增加数据的过程。抽取和内插是多速率信号处理理论中最基本的技术。数字上变频器的输入基带数字信号通过内插器及其低通滤波器实现抽样率的增加“，实现信号速率与后续数字处理信号如载频信号速率一致。通常的低通滤波器设计往往要求通带要平、过渡带要窄、阻带衰减要大。但是抽样率变换的滤波器，其要求不完全是这样。根据内插原理及其对信号频谱影响的分析可以知道，设计内插低通滤波器时需要考虑的是如何完整保留基带频谱同时更好的抑制高频镜像分量。1内插原理14整数倍内插是在己知的相邻两个采样点之间插入I1个采样值的点。由于这I一1个采样值并非已知的值，所以关键问题是如何求出这I1个采样值。从理论上讲，可以对已知的采样序列Z正进行DA转换，得到原来的模拟信号ZF，然后再对X，进行较高采样率的采样得到Y玎疋，这里正幔，式中I为大于1的整数，称为内插因子171。整数倍内插是先在已知采样序列X啊正的相邻两个样点之间等间隔插入I一1个0值点，然后进行低通滤波，即可求得I倍内插的结果。这种内插方案如图32所示，图中1个，L表示在J啊正相邻样点之间补I1个0，称为零值内插器。零值内插后，得到V瓦。VL经过办兀低通滤波器变成YO疋。X一正，V如正及YO五如图33所示。I鳘132零内插方案的系统框图11一一，1一一吗卜卜图33内插过程的序列2整数倍内插的频域解释上述的零值内插方案中，设Z啊五为模拟信号XF的采样序列，并假定X，其傅罩叶变换XOQ如图34所示。L并1一QTO，幽34XONL的示意图按照内插的概念，YO正应为以采样间隔正对XO的采样序列，且满足正互I。于是XO正、Y0疋及其傅里叶变换0，M、】，G一如图35所示。XGN和YP，M均为周期函数，若二者都用模拟频率Q表示，则XG，”XGN，周期为Q。2AIT。；VEJ啦YGM，周期为Q。22，RT2M。L。16川皿F【1JL。艮矿L|。卅QL，Q_LY一”IF一图35石Q7I，V慢正，Y如正幕IXE问，矿一。，】，EM，13内插过程的序列和相应的频谱变化下面分析图32中V0疋的频谱，最后讨论为了得到满足插值要求的Y0疋，对矗五的技术要求。，O疋，；“Z争霎善2。，2，。，IO其它。7V啦正的傅里叶变换矿E。啦为，一T卜峨1矿扩V他互一嘞V吃互垆也。O也“磊工争巧户埘叫主柏咿硒一哪X一Q32上式表明YKM和【E衄的频谱相同。如图35所示，实质上，V加正的信息与XN正完全相同，所以二者应该具有相同的频谱。在图35中，Q俯L27RR,，Q镏22石瓦27RL亿，M加L。YK啦J与L，K。啦J相比较，YKM多出了从Q。一Q。之间的部分，通常将这部分频谱称为镜像频谱。要想从YEJN惰到如图35所示的YK一，只要滤除这些镜像频谱即可实现。所以滤波器胛，T，的理想频率响应的幅频特性如图36所示。实际工作中Q。2Q。，所以日P，4有一定的过渡带，可用线性相位FIR滤波器实现。1日妒“】厂厂一幽36低通滤波器的理想幅频特性内插后的信号频谱是原始序列频谱经I被压缩后得到的，内插不会发生信号频谱混叠现象。内插不仅提高了时域分辨率，而且还提高了输出信号的频率。内插器实际起到了上变频的作用，输出数据率提高了I1倍，频谱结构并没有改变。内插滤波器的基本原理是在被处理信号的采样结果中内插零，作为处理数据进行滤波，这使得其在通信、信号处理等领域中有着广泛的应用。在全数字载波机中，为了使要发送的信号在时域的分辨率达到DAC的转换速率，必须对基带成形后的数掘进行内插。32高效数字滤波器技术数据率变换能否成功的关键在于如何设计抽取或内插后的数字滤波器“”，该滤波器性能的好坏直接影响到取样率变换的效果。半带滤波器HB和级联积分梳状滤波器CIC具有特别重要的作用，两者独特的性质可以使滤波过程中的运算量成倍地减少。1HB半带滤波器半带滤波器可实现2”倍数字内插算法。设一种FIR的冲激响应矗B为实数且为偶对称结构，其频率响应HEJ。是以2万为周期的实函数，且是缈的偶函数。如果其通带宽度等于阻带宽度，通带波动等于阻带波动，这样的FIR滤波器就称为半带滤波器HALFBAND“”。半带滤波器其频率响日K，应满足以下关系。2嚣一C6。6。63334式中，M。为通带上限频率，够为阻带下限频率，正为通带误差容限，讳为阻带误差容限。半带滤波器的阻带宽度仿一缈。、通带宽度啤是相等的，且通带阻带纹波相等。半带滤波器的冲激响应厅B除了零点不为零外，在其余偶数点全为0，所以采用半带滤波器实现内插后的低通滤波时，只需要不到一半的计算量，特别适合于实时信号处理。设计2“倍数字内插滤波器时，采用N组半带滤波器级联的方式实现。这样可以得到两方面的益处一是滤波器的滤波系数长度得到了减小，使内插过程对处理器字长的要求有较大程度下降。另一方面是每一级滤波器在滤波过程中都有一半的系数为0，从而使N组级联方式下2”倍内插滤波器的运算量以指数方式下降。从半带滤波器的频率响应中可以得到以下关系式日FP归LL日FEJL”州L35、，、，日P朋O536荆器栉0玎241937LI20。|2图37半带滤波器第一级滤波器后的各组滤波器输入数据流速率不断上升，最终达到所要求的F，所以，是不断变化的。2CIC滤波器内插CIC滤波器由P级级联梳状滤波器、M倍上采样及P级级联积分滤波器依次级联而成”1。在硬件实现时不需要存储滤波器系数，也不需要乘法器，其结构简单，运算高效，适用于高速应用场合。其中级联P阶梳状滤波器和级联P阶积分滤波器的传递函数分别为以G1_ZIP38吼专。，这两者之RJ数据有一个内插或抽取的过程。从内插后高采样率的一边看过去，由多抽样率信号处理理论可得两者级联后传递函数和频率响应分别为阱苷310C,CEH搿EX巾竿CIC滤波器是具有线性相位特点的低通滤波器，并且在某些镜像频率点上幅度响应为0，起到了对内插后的镜像的自然抑制作用。一阶CIC滤波器的旁瓣衰减只有13DB左右，不能满足通信要求。一般都采用4级CIC滤波器级联。33数字域正交混频技术传统的混频方式大多是采用模拟信号和本振信号混频形成中频已调信号。模拟域正交混频方法需要用移相器产生相互正交的本振信号，而移相器的精度很难做的很高，这样两个本振信号的相位差就不是准确的90。，混频后便会产生多余的混频分量，形成虚假相位信号，这是J下交混频产生相位不平衡现象的根本原因。同样，若输入信号的幅度有稍许偏差，还会使混频输出的两路信号幅度也不一致。这两者产生的误差对后续处理都会带来不利影响。解决的办法之一就是采用数字域正交混频。数字域证交混频与模拟域混频相比，数字域币交混频的两个本振序列的相位证交性只受数字域表示数据的字长位数限制“”，正交性可以完全得到保证。模拟域的两路基带分量相位不平衡的现象，在数字域中基本不存在。数字混频过程就是输入数据与本振的相乘运算，在数字域实现时精度非常高。而且数字域混频线性度好，输出没有模拟混频中因为混频器的非线性而产生的谐波分量。因而，数字域正交混频形成中频信号的应用越来越广。实现数字域币交混频的关键是产生正交的余弦信号。在数字上变频技术的发展中数字频率合成方法DDS是近年来迅速发展的一种新的频率合成方法。1DDS技术频率合成是指由一个或多个频率稳定度和精确度都很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精度的大量离散频率的过程。DDS是一种全数字化的频率合成技术，由相位累加器、波形ROM、DA转换器和低通滤波器构成。DDS技术“”是以参考信号源的固定时钟作为取样信号对所求频率信号进行相位取样的，因此合成信号的稳定度由参考源的稳定度决定，可以输出一个高稳定度的信号。DDS的频率牵引范围很宽。1，理论上是没有限制的，这一点是PLL频率合成器无法办到的。由于DDS是一个全数字结构的开环系统，没有反馈环节，所以频率合成的转换时间极短，特别适合高要求高速转换频率的场合。另外DDS的频率步进可以做到很小。DDS的全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，使它具备多种数字调制能力，如相位调制、频率调制、幅度调制以及IQ正交调制等，完全可以采用数字调制方式代替模拟调制方式。目前，DDS的工作频率越来越高，已经达到几百兆甚至IGHZ以上，用它直接输出几十兆的射频信号已经成为现实。212DDS基本原理DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。DDS的结构有很多种，其基本的电路原理如图38所示。幽38DDS原理图相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲疋，加法器将频率控制字K与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器ROM的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值二进制编码经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送至UDA转换器，DA转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。利用DDS技术实现QPSK调制原理如图39所示。对接收的数据每2BIT一组进行差分编码，根据DDS的相位字，对应的信息码在同步脉冲作用下，根据差分编码的数据查找相应的相位字并填入相位寄存器中。数据比特D1得到相应相位数数据比特D3D2得到相心相位数数据比特D5D4得到相心相位数数据比特D7D6得到相心相位数相位字输11相位字输M相位7输JI；相位7输小I玺139DDS实现QPSK调制的原理标志位加I返回标占位加1返刷标忐位加1返H标，占位加1返H3DDS优点DDS输出频率相对带宽较宽，频率转换时间短，频率分辨率极高，相位变化连续，证交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能125】O由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。第四章数字上变频方案设计数字上变频器主要是对输入的数字信号进行各种调制和频率变换，即在数字域内实现调制和混频。在比较了各种芯片的杂散性能和频率分辨率，工作频率等性能参数的基础上，本设计选用了通用正交数字上变频器AD9857。数字J下交上变频器AD9857是美国AD公司新近推出的一种功能强大的高性能通用正交数字上变频器，内部集成半带滤波器、CIC滤波器、反SINC滤波器、高速的数模转换器，其核心是一个相位连续的直接数字频率合成器DDS。AD9857的主要技术特征包括最高为200MHZ的内部时钟速度，并且集成了带锁定指示器的420倍的时钟倍频，可以提供高精度的系统时钟14B的数据通道；80DB窄带无杂散信号动态范围；4种可编程、引脚可选的信号模式；单引脚节电功能；具有FSK调制功能；反SINC功能，在DAC变换之L；I恢复出理想的信号包络；32B的DDS；8B的输出增益控制；IOMHZ串口，2线或3线SPI兼容；3V电源工作。为了减小干扰，AD9857的输出频率要小于系统时钟的40，AD9857的最高工作频率可高达200MHZ，输出的最高频率为80MHZ”，满足本设计70MHZ中频载波输出的设计要求。另外AD9857集成了14位高性能的DAC，AD公司称之为完整的“DDS”方案“1，这样可以提高数字通信系统的集成度和稳定度。基带数字信号处理和系统控制器采用EPLC6Q240C8，它是ALTERA公司低价位CYCLONE系列FPGA的一种“”。多功能的IO结构支持差分和单端输入，IO输出可以根据需要调整驱动能力，并具有压摆率控制、三态缓冲、总线状态保持等功能；整个器件的IO引脚分为四个区，每一个区可以独立采用不同的输入电压，并可提供不同电压等级的IO输出。41数字上变频电路整体设计方案本设计采用基于DDS技术的正交上变频器AD9857与FPGA相结合的方案。，整个系统框图如图41所示，构建了完全可编程控制的硬件平台。因为AD9857采用了直接数字频率合成技术DDS产生正交调制所需的正弦和余弦两路数字载波，其频率可由相应控制字控制，IQ两路数据分别与这两路数字载波相乘，然后再相加或相减，便得到调制后的数字中频信号，从而消除了由模拟调制所引起的相位、增益的失衡和交调失真。DDS技术大大简化了系统结构，降低了成本，提高了系统的性能和24可靠性。PDCLKF14线井UPG个TRNARIAD9857ASDIORSCIK幽41上变频系统框图这种结构的上变频电路中基带数字信号处理和系统控制都由FPGA来完成，AD9857在数字域完成内插滤波和上变频混频。AD9857的使用把NOC从FPGA中解放出来，由DDS芯片AD9857来实现，使FPGA集中完成基带数字信号的处理和运算，便于对高速数字信号调制，又可充分利用DDS的高速度和高精度的特点，很方便的实现基带信号在几百兆赫兹载波上的一次性直接调制。直接数字频率合成技术DDS随着专用芯片的大量出现而得到广泛的应用。现代数字通信所用的信号调制，也由于DDS技术的出现而变得简单了。系统工作流程图如图42所示。系统上电后，首先初始化FPGA，然后产生一个最少持续5个时钟周期的高电平的RESET信号完成对AD9857的复位，初始化AD9857的内部寄存器。初始化完成后，通过SDIO串口开始对AD9857内部寄存器参数进行设置。AD9857内部寄存器参数设置完成后，启动FPGA基带数字信号处理模块开始对待传输的基带数字信号进行处理。同时，AD9857将同步时钟PDCLK送给FPGA作为数据输入时钟。FPGA完成基带数字信号处理后，将AD9857的TXENABLE引脚置为高电平，并且以PDCLK为时钟向AD9857送数据。处理后的基带数字信号在AD9857中完成内插滤波、正交调制和DA变换。AD9857输出的差分电流经过变压器和模拟滤波器产生所需的中频信号“”。系统设计要求如下1系统采用DQPSK调相体制。2中频载波采用70MHZ。3信号带宽IOMHZ。图42上变频系统工作流程图26否否42AD9857工作模式的选择AD9857有三种工作模式正交调制模式，单频输出模式，内插模式。本设计使AD9857工作在正交调制模式完成DQPSK调制和混频。工作在正交调制模式时，AD9857接收的是14位并行数据，位IQ数据交替输入，再分成两路，经过CIC滤波器，可编程内插器后送入正交调制器。交替输入的IO信号分成两路一直保持到到达F交调制器之IIIF。DDS核心产生正交本振信号目OSINCOS信号到正交调制器，分别与IO信号相乘后相加或相减，产生正交调制信号。最后通过14位DAC变为正交调制的模拟信号输出。AD9857工作在J下交调制模式下的内部结构如图43所示，其数字部分主要分为数字处理单元和逻辑控制单元。数字处理单元主要可分为输入数据组合、CIC和反CIC滤波器、固定插值滤波器、正交调制器、DDS核、反SINC滤波器、输出幅度控制器、数模转换器及参考时钟倍频器等几个部分。图43正交模式原理图输入数据转换将串行输入的基带数字信号转换成14位并行数据。当工作在正交模式时，基带信号的IQ分量是交替输入的，所以必须保证IQ分量与输入时钟PCLK的同步，使其能转换成两路并行的IQ数据流送往下一级电路。固定插值滤波器固定插值滤波器由两个半带滤波器实现，它用来将输入数据过采样4倍，另外它具有低通特性。两个半带滤波器的插入损耗约为0OLDB，无相位失真。CIC与反CIC滤波器CIC内插级联积分梳状滤波器为一个可编程过采样滤波器2倍至64倍，由于也具有低通特性，所以在其前端有一个反CIC滤波器来对此加以补偿。固定插值滤波器和CIC滤波器联合使用可以提供8倍至U256倍的内插，它们是实现任意基带符号速率的关键。反级联积分滤波器主要用于预先补偿由于级联积分梳状滤波器CIC所带来的幅度衰减，它是一个数字FIR滤波器，其幅频响应和级联CIC滤波器的幅频响应相反，从而保证通过反级联积分滤波器和级联CIC滤波器后的I或Q数字流在基带NYQUST带宽内的幅度平坦度在005DB之内。讵交调制器用以将基带数字信号的频谱调制到所需的载波上上变频，直接数字合成DDS产生J下交调制所需的IF弦和余弦两路数字载波，其频率可由相应控制字控制，IQ两路数据分别与这两路数字载波相乘，然后再相加或相减，便得到调制后的数字中频信号。由于采用数字式调制，从而消除了由模拟调制所引起的相位、增益的失衡和交调失真。DDS核用于产生SINCOS载波参考信号，它是生成中频载波的关键。载波厂珊，与频率控制字FTWORD和系统时钟SYSCLK的关系如下厶FTWORDSYSCLK2”41其中FTWORD是从ON2”一1的十进制数。反SINE滤波器由于14BITDAC的零阶保持效应，其输出信号的频谱会被SINE包络所加权，反SINC滤波器对输入数据进行预处理，以抵消SINC包络造成的失真。输出幅度乘法器用于对最终输出信号幅度的调整，其值由相应可编程寄存器决定，范围是ONL9921875。缺省值为BSH，约为2，用于补偿正交调制器的3DB损失。14BITDAC用于将数字信号转换成模拟信号。AD9857中的DAC的输入为采样的载波数据流。数模转换过程会在I盯SYSCLK。LNL，2，3处产生干扰信号，须外接一个LC低通滤波器加以消除。AD9857可提供两路互补的电流输出，输出电流的满额，。值范围为520MA，其值可通过电阻R。，来设置，关系为R。3993，。参考时钟倍频器AD9857内部集成了PLL，可对输入的参考时钟REFCLK，进行4倍至20倍倍频生成所需要的系统时钟。这样，外接一个低频振荡器，经内部倍频，可获得最高200MHZ的系统时钟。AD9857的内部时钟即系统时钟SYSCLK是由参考时钟倍频得到，可以通过对相应的寄存器设置来控制。SYSCLK提供了其内部的所有时序，CIC输出的I0数据的采样率与DDS数字载波的采样率相同，都为SYSCLK，所以调制后的信号实际上是一组采样率为SYSCLK的数据流。43软件设计及仿真结果中频调制部分主要包括以下几个单元串并转换，差分编码，内插滤波，中频调制及DA输出。在本设计中，除数字信号的编码处理在FPGA中完成，上变频的所有功能均采用通用正交上变频器AD9857来实现。经由FPGA处理完成的基带信号数据通过14位的并行数掘通道输入到AD9857。I和Q数据经过内插滤波器可把数据流速率升至最终输出的数据流速率，然后加到数字正交调制器完成J下交调制。431数字基带信号处理模块设计1AD9857的复位程序AD9857的复位引脚RESET为高电平时AD9857复位，高电平需要保持5个AD9857的参考时钟REFCLK的时间。复位完成后，置RESET引脚为低电平，使AD9857正常工作“”。功能产生持续5个时钟周期的高电平信号送到AD9857的RESETLIBRARYIEEEUSEIEEESTDLOGIC1164A11ENTITYRESETISPORTSCLKINSTDLOGIC；一系统时钟RESETOUTSTDLOGIC一AD9857复位信号ENDRESETARCHITECTUREBEHAVEOFRESETISSIGNALCOUNTERINTEGERO计数信号SIGNALARESETSTDLOGIC1BEGINPROCESSSCLKBEGINIFSCLKEVENTANDSCL妊1THENIFCOUNTERCOUNTERCLOCKPDCLK，QDATAPOUTENDBEHAVELSLDTL“TLQM棚1晰B撇1端”生P啪5麓M栅瞳卯锝M氧扯E耐”809弋一1800竺20P曼苎脾删P鼍蛳P鼍一曼觋鼍竺已竺凰2奠拍IHNLL广广十1广广R圈HTL嘣瑚珊I哪11101I啪【X脚01OIL1011L删L幽41314位并口通信仿真图第五章硬件电路设计51系统时钟电路设计为了实现极低噪声，首先注意晶振的选取，因为根据资料分析，输出信号的相位噪声取决于时钟信号的相位噪声，并将以20LOG正。厶的规律变化，这意味着在输出信号频率不变的情况下，IOMHZ时钟信号所产生的相位噪声将LBL00MHZ时钟信号恶化20DB。所以必须选取相位噪声指标极低的高频率晶振作为芯片的工作时钟。对于AD9857，用户应该根据输入数据的采样