基于FPGA的數(shù)字上變頻器設(shè)計(jì)_圖文_第1頁(yè)
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1、分類(lèi)號(hào)作者姓名:指導(dǎo)教師:申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:學(xué)科專業(yè)名稱:論文提交日期:學(xué)位授予日期:評(píng)閱人:密級(jí)學(xué)位論文基于的數(shù)字上變頻器設(shè)計(jì)劉天旭肖軍副教授東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院碩士學(xué)科類(lèi)別:工學(xué)信號(hào)與信息處理年月論文答辯日期:年月答辯委員會(huì)主席:張石張石房立金東北大學(xué)年月, 、:,聲、獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外,不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果,也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說(shuō)明并表示誠(chéng)摯的謝意。學(xué)位敝作者簽名:旁簽字期:妒牟綢如四學(xué)位論文版權(quán)使用授

2、權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定:即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán),允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、交流。(如作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流,請(qǐng)?jiān)谙路胶灻悍駝t視為不同意)學(xué)位論文作者叫和鈉簽名:柏簽字日期:凇伽口目簽字日期卅紀(jì)枷加,東北大學(xué)碩士論文摘要基于的數(shù)字上變頻器設(shè)計(jì)摘要軟件無(wú)線電思想的出現(xiàn)帶來(lái)了發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)方式的革新。隨著近年來(lái)軟件無(wú)線電理論和應(yīng)用趨于成熟與完善,軟件無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種軍用和民用的無(wú)線通信系統(tǒng)中。作為軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)的核心技術(shù)之一,數(shù)

3、字上變頻技術(shù)也得到了越來(lái)越普遍的應(yīng)用。本文研究基于的數(shù)字上變頻器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先介紹了中頻數(shù)字化技術(shù)的理論基礎(chǔ)和理想軟件無(wú)線電臺(tái)的組成,經(jīng)分析指出目前要實(shí)現(xiàn)理想的軟件無(wú)線電臺(tái),高速數(shù)字信號(hào)處理器()和高速寬帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器()是瓶頸。作為過(guò)渡階段的軟件無(wú)線電臺(tái),可以用數(shù)字上變頻器()來(lái)完成中頻部分的處理任務(wù)。然后,通過(guò)研究目前國(guó)外主流數(shù)字上變頻產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)細(xì)節(jié),并根據(jù)器件的特性,在傳統(tǒng)數(shù)字上變頻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用非傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)其中內(nèi)插濾波器模塊,在設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí),采用了濾波器的多相結(jié)構(gòu)和分布式算法,并對(duì)基本的分布式算法進(jìn)行了改進(jìn),提高了數(shù)字上變頻器的處理速度。最后采用公司的以為核心的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

4、板作為硬件實(shí)現(xiàn),完成的內(nèi)容包括:()數(shù)字上變頻技術(shù)基本理論和相關(guān)算法的研究及改進(jìn):()系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)及相應(yīng)軟件編寫(xiě);()各個(gè)功能模塊軟件仿真及實(shí)現(xiàn);()數(shù)字上變頻器的整體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)和性能優(yōu)化。對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)字上變頻器的基本功能測(cè)試表明:所設(shè)計(jì)的數(shù)字上變頻器實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞:軟件無(wú)線電;數(shù)字上變頻;數(shù)字正交調(diào)制;數(shù)控振蕩器;內(nèi)插濾波器東北大學(xué)碩士論文(),西(),垂,()(),(),(),西()(),研,:();();();():;東北大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄目錄獨(dú)創(chuàng)性聲明摘要第章緒論軟件無(wú)線電概述軟件無(wú)線電的發(fā)展概況。軟件無(wú)線電基本結(jié)構(gòu)數(shù)字上變頻器簡(jiǎn)述本文研究的內(nèi)容及意義第章數(shù)字上變

5、頻的理論基礎(chǔ)低通采樣定理多速率信號(hào)處理理論整數(shù)倍內(nèi)插取樣率變換性質(zhì)取樣率變換的多級(jí)實(shí)現(xiàn)多相濾波結(jié)構(gòu)分布式算法正交調(diào)制理論數(shù)字上變頻理論本章小節(jié)第章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)仿真平臺(tái),簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介東北大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板簡(jiǎn)介本章小結(jié)第章數(shù)控振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)數(shù)控振蕩器的工作原理查表型數(shù)控振蕩器查表型數(shù)控振蕩器的原理查表型數(shù)控振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)型數(shù)控振蕩器坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)型數(shù)控振蕩器的原理坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)型數(shù)控振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)數(shù)控振蕩器的選取本章小結(jié)。第章多級(jí)內(nèi)插濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)多級(jí)內(nèi)插濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)濾波器濾波器的原理。濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)半帶濾波器半帶濾波器的原理半帶濾波器的設(shè)計(jì)與

6、實(shí)現(xiàn)積分梳狀濾波器積分梳狀濾波器的原理積分梳狀濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)內(nèi)插二階多項(xiàng)式補(bǔ)償濾波器內(nèi)插二階多項(xiàng)式補(bǔ)償濾波器的原理內(nèi)插二階多項(xiàng)式補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本章小結(jié)第章數(shù)字上變頻器的實(shí)現(xiàn)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄數(shù)字上變頻器的性能優(yōu)化。數(shù)字上變頻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本章小結(jié)第章結(jié)論與展望參考文獻(xiàn)致謝 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論第章緒論數(shù)字上變頻器是目前能實(shí)現(xiàn)的軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)的核心組成單元,在目前工藝和技術(shù)條件下要實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī),必須使用數(shù)字上變頻技術(shù)。本章首先介紹了軟件無(wú)線電的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了目前實(shí)現(xiàn)理想軟件無(wú)線電存在的問(wèn)題,闡述了利用數(shù)字上變頻技術(shù)的必要性,并根據(jù)相關(guān)理論給出了數(shù)字上變頻器的

7、基本結(jié)構(gòu)。軟件無(wú)線電概述無(wú)線通信在現(xiàn)代通信中占據(jù)著極其重要的地位,被廣泛的應(yīng)用于商業(yè)、氣象、軍事、民用等領(lǐng)域。在軍事通信領(lǐng)域,由于無(wú)線通信具方設(shè)備簡(jiǎn)單、便于攜帶、易于操作、架設(shè)方便等特點(diǎn),已經(jīng)成為不可或缺的重要通信手段。然而,由于各種軍用電臺(tái)存在著工作的頻段不同,調(diào)制方式的不同,波形結(jié)構(gòu)不同等等的差異極大地限制了不同電臺(tái)之間的互連互通。在民用通信中也存在著互通性差的問(wèn)題。比如,各個(gè)國(guó)家采用的不同通信體制,而這些通信體制又存在著互不兼容的問(wèn)題,給出國(guó)旅行的用戶帶來(lái)了極大的不便。而且,傳統(tǒng)的無(wú)線通信硬件設(shè)備功能單一,如果需要改變或者添加功能,就需要更換硬件設(shè)備,不但增加成本,而且耗費(fèi)時(shí)洲。為了解決

8、上述的互通性問(wèn)題,各國(guó)進(jìn)行了積極的探索,努力使不同設(shè)備既能滿足互通的要求,又能滿足抗干擾、保密件好的要求;既能位通信設(shè)備跟上無(wú)線電飛速發(fā)展的步伐,又能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。軟件無(wú)線電思想應(yīng)運(yùn)而生。在年,美國(guó)公司的在美國(guó)國(guó)家遠(yuǎn)程會(huì)議上首次提出了軟件無(wú)線電()技術(shù)的概念。它的中心思想是:構(gòu)造一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái),將各種功能,如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類(lèi)型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)完成,并使寬帶和轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線,以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線通信系統(tǒng)??梢哉f(shuō)這種電臺(tái)是可用軟件控制和再定義的電臺(tái)。選用不同軟件模塊就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能而且軟件可以升級(jí)更新,

9、其硬件也可以象計(jì)算機(jī)一樣不斷地升級(jí)換代。由于軟件工線電的各種功能使用軟件實(shí)現(xiàn)的,如果要實(shí)現(xiàn)新的業(yè)務(wù)或調(diào)制方式只要增加一個(gè)新的軟件模塊即可。同時(shí),由于它能形成各種調(diào)制波形和通信協(xié)議,故還可以與舊體制的各種電臺(tái)通信,大大延長(zhǎng)了電臺(tái)的使用周期,也節(jié)約了開(kāi)支。有些人也把軟件無(wú)線電稱為“超級(jí)計(jì)算機(jī)”。理想軟件無(wú)線電東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論的組成結(jié)構(gòu)如圖所示。圖軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)框圖軟件無(wú)線電的主要特點(diǎn)可以歸納如下:()具有很強(qiáng)的靈活性:軟件無(wú)線電可以通過(guò)增加軟件規(guī)模,很容易增加新的功能??梢耘c其他任何電臺(tái)進(jìn)行通信,并可以作為其他電臺(tái)的射頻中繼??梢酝ㄟ^(guò)無(wú)線電加載來(lái)改變軟件模塊或更新軟件。為了減少開(kāi)支,可

10、以根據(jù)所需功能的強(qiáng)弱,取舍選用的軟件模塊。()具有很強(qiáng)的開(kāi)放性:軟件無(wú)線電由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化,模塊化的結(jié)構(gòu),其硬件可以通過(guò)隨著器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴(kuò)展,軟件也可以隨著需要而不斷升級(jí)。軟件無(wú)線電不僅能和新體制電臺(tái)通信,還能與舊體制電臺(tái)兼容。這樣,既延長(zhǎng)了舊體制電臺(tái)的使用壽命,也保證了軟件無(wú)線電本身有很長(zhǎng)的生命周期【】。軟件無(wú)線電這一新概念一經(jīng)提出,就得到了全世界無(wú)線電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。由于軟件無(wú)線電具有的靈活性,開(kāi)放性等特點(diǎn),使其不僅在軍,民無(wú)線通信中獲得了應(yīng)用,而且將在其他領(lǐng)域例如電子戰(zhàn),雷達(dá),信息化家電等領(lǐng)域得到推廣,這將極大促進(jìn)軟件無(wú)線電技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)(集成電路)的迅速發(fā)展。軟件無(wú)線電的

11、發(fā)展概況軟件無(wú)線電作為未來(lái)通信乃至未來(lái)無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展方向,世界各國(guó)都在進(jìn)行深入的研究,美國(guó)尤為突出。美國(guó)軍方制定了具體的發(fā)展計(jì)劃,來(lái)研制三軍通用軟件無(wú)線電臺(tái),即基于數(shù)字信號(hào)處理器、軟件可編程、模塊化、多頻段、多模式,并具有波形重新配置能力的電臺(tái):(易話通)。此系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)技術(shù)允許的條件下,采用可行的方法對(duì)理想的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,實(shí)現(xiàn)了多頻段多模式無(wú)線電()電臺(tái)。它的工作頻段為,能同時(shí)處理種不同的調(diào)整方式(、和),能夠兼容美軍種以上電臺(tái)。此系統(tǒng)大部分功能由軟件實(shí)現(xiàn),具有可編程性,取得了很好的效果。美國(guó)除了成功研制出易通話多功能多頻段電臺(tái)外,美國(guó)麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目從通用計(jì)

12、算機(jī)實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的角度出發(fā),引入了更多的軟件成分,提出并試圖實(shí)現(xiàn)“虛擬”無(wú)線電。等公司對(duì)軟件無(wú)線電的基站進(jìn)行了深入東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論的研究,同時(shí)美國(guó)公司已研制出可靈活配置的基站。軟件無(wú)線電在民用、商業(yè)等方面的應(yīng)用也取得了很大的發(fā)展。例如已研制成功的地震遙測(cè)系統(tǒng),采用的調(diào)制方式,信道帶寬為(數(shù)據(jù)速率達(dá)),頻帶利用率為()利用此系統(tǒng)的靈活性,能使其中任何一臺(tái)無(wú)線電設(shè)備既可以成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備又可以成為射頻中繼器。在移動(dòng)通信方面,無(wú)論是第二代還是第三代移動(dòng)通信,都有多種接口標(biāo)準(zhǔn),給全球通信造成了一定的苦難。如果采用軟件無(wú)線電技術(shù)的基站和手機(jī),通過(guò)選擇不同的軟件模塊,就可以工作于不同的模式【】。

13、除此之外,軟件無(wú)線電出現(xiàn)了一些新的發(fā)展趨勢(shì),主要表現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)分層化、軟件模塊化、結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)分析化、面向?qū)ο蠡⒂?jì)算機(jī)化,網(wǎng)絡(luò)化和安全化等方面。軟件無(wú)線電基本結(jié)構(gòu)軟件無(wú)線電的結(jié)構(gòu)基本上可以分為種:射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和中頻數(shù)字化軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)。射頻低通采樣數(shù)字化的軟件無(wú)線電,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,把模擬電路的數(shù)量減少到最低程度,如圖所示。圖射頻低通采樣數(shù)字化的理想軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)從天線進(jìn)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大后就由進(jìn)行數(shù)字化,這種將誒夠不僅對(duì)轉(zhuǎn)換器的性能如轉(zhuǎn)換速率、工作帶寬、動(dòng)態(tài)范圍等提出了非常高的要求,同時(shí)對(duì)后續(xù)或(專用集成電路)的處理速度要求也特別的高,因?yàn)樯漕l低通采樣所需的采樣

14、速率至少是射頻工作帶寬的兩倍。例如,工作在的軟件無(wú)線電接收機(jī),其采樣速率至少需要,這樣高的采樣率,能發(fā)達(dá)到暫且不說(shuō),后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理器也是難以滿足要求的。射頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)可以較好地解決上訴低通采樣結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)換器、高速等要求過(guò)高,以致無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。這種射頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)與低通采樣的結(jié)構(gòu)主要不同點(diǎn)在于:前采用了帶寬相對(duì)較窄的電調(diào)濾波器,然后根據(jù)所需的處理帶寬經(jīng)行帶通采樣。這樣對(duì)采樣速率的要求就不高了,對(duì)后續(xù)的東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論處理速度的要求也可以大大降低。但是,這種射頻帶通結(jié)構(gòu)對(duì)的工作帶寬的要求仍然還是比較高的。射頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)如圖所示。不。圖射頻帶通采

15、樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)中頻數(shù)字化軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)采用的的是多次混頻體制或叫超外差體制,如圖所圖中頻數(shù)字化軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(以發(fā)射機(jī)為例)是原始的語(yǔ)音、圖像等信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換,再經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器處理變換為數(shù)字基帶信號(hào),數(shù)字基帶信號(hào)由數(shù)字上變頻器()完成數(shù)字上變頻,變?yōu)閿?shù)字中頻信號(hào),由轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后,再經(jīng)模擬上變頻變?yōu)樯漕l信后,然后經(jīng)過(guò)射頻前端處理,由天線發(fā)射出去。接收機(jī)的處理過(guò)程與發(fā)射機(jī)的過(guò)程相反,但是結(jié)構(gòu)相似。顯而易見(jiàn),這種結(jié)構(gòu)是上述三種結(jié)構(gòu)中最容易實(shí)現(xiàn)的,對(duì)器件性能要求最低,也是目前技術(shù)和工藝條件下普遍采用的結(jié)構(gòu)。但是它離理想軟件無(wú)線電的要求最遠(yuǎn),可擴(kuò)展性、靈活性也是最差的的無(wú)線電結(jié)構(gòu)【。

16、數(shù)字上變頻器簡(jiǎn)述理想的軟件無(wú)線電系統(tǒng)把數(shù)字化處理(、)盡量靠近天線,讓所有的信號(hào)處理均在數(shù)字域中完成。由于軟件無(wú)線電的天線所覆蓋頻段范圍較寬,一般在之間,根據(jù)低通采樣和帶通信號(hào)采樣理論,對(duì)的轉(zhuǎn)換速度、工作帶寬、動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)提出了極高的要求,并且對(duì)后端處理器東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論的處理速度要求也非常高。如此高速的采樣和處理速度對(duì)于現(xiàn)階段的技術(shù)水平而言,實(shí)現(xiàn)起來(lái)有相當(dāng)大的難度。數(shù)字中頻軟件無(wú)線電正成為理想軟件無(wú)線電的一種經(jīng)濟(jì)、適用的折中的選擇。在目前大多數(shù)軟件無(wú)線電接發(fā)射機(jī)中,一般先將基帶信號(hào)由通用的器件進(jìn)行編碼、抗干擾、抗衰落、自適應(yīng)均衡等處理,這時(shí)器件處理的是低速率的信號(hào),對(duì)其性能要求

17、低,容易實(shí)現(xiàn),然后將處理過(guò)的信號(hào)送入數(shù)字上器()經(jīng)過(guò)內(nèi)插、濾波和上變頻到中頻后,將信號(hào)傳給來(lái)完成后續(xù)的處理。數(shù)字下變頻器在這里起到前端和后端器件之間的橋梁作用。因此,數(shù)字上變頻技術(shù)成為軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)的核心技術(shù)之一,通用數(shù)字上變頻器也被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到各種軍民用無(wú)線通信設(shè)備以及電子戰(zhàn)、雷達(dá)和信息化家電等領(lǐng)塒。目前,實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻器的方式主要有種:專用數(shù)字上變頻器芯片、使用實(shí)現(xiàn),使用實(shí)現(xiàn)。()專用數(shù)字上變頻芯片市場(chǎng)上的數(shù)字上變頻的品種很多,比較有代表性的是公司四路發(fā)射芯片和由公司生產(chǎn)的數(shù)字上變頻器。和的主要區(qū)別在于前者可以進(jìn)行四路數(shù)據(jù)的調(diào)制,后者只能進(jìn)行單路數(shù)據(jù)的調(diào)制,其他特性基本相同。這些芯

18、片不只是上變頻,還包括了成形濾波器、定時(shí)同步內(nèi)插濾波器、重采樣、坐標(biāo)變換、數(shù)字等功能,其芯片內(nèi)部的各個(gè)功能模塊均是可編程的,將其與通用器件結(jié)合,便可構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化多模式軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)硬件平臺(tái),“數(shù)字上變頻”在軟件無(wú)線電中的意義已不再僅僅是簡(jiǎn)單的上變頻概念】。()實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻芯片獨(dú)特的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和高速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理復(fù)雜算法的優(yōu)點(diǎn),使得自年問(wèn)世以來(lái)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,目前已經(jīng)發(fā)展到集多片于一體的高性能系列和目前速度最快的第六代芯片】【,系列。使用方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻相對(duì)專用芯片來(lái)說(shuō),具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。下變頻算法的一般理論包括帶通采樣、正交數(shù)字混頻、高效數(shù)字濾波和多抽樣率信

19、號(hào)處理理論等,其中高效數(shù)字濾波包括積分梳狀()濾波、半帶()濾波、低通濾波均是數(shù)字上變頻中運(yùn)算量最大的部分。目前使用方式實(shí)現(xiàn)上變頻主要有兩種方案:多片并行處理和在現(xiàn)有技術(shù)水平上探索高效算法降低處理復(fù)雜度。就公司的系列的而一言,速度雖然可達(dá),但對(duì)于一個(gè)經(jīng)過(guò)中頻采樣后的信號(hào)來(lái)說(shuō),對(duì)其做一個(gè)高階運(yùn)算,拋開(kāi)額外的開(kāi)銷(xiāo),運(yùn)算量在以上,用單”完成如此商速的實(shí)時(shí)運(yùn)算是不可能的。解決的方法可以采用多片并行處理,但是由于價(jià)格等因素的制約,目前采用這種方法實(shí)現(xiàn)上變頻并不常見(jiàn)。因此,東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論就在軟件無(wú)線電中的應(yīng)用而一言,目前其主要體現(xiàn)在數(shù)字上變頻的前端對(duì)速率相對(duì)較低的基帶信號(hào)進(jìn)行各種處理。()實(shí)

20、現(xiàn)數(shù)字上變頻具有性能好,可重復(fù)編程,靈活性高,開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn),在近年不斷更新?lián)Q代,具有較高的性價(jià)比。的和的系列產(chǎn)品代表了先進(jìn)的技術(shù)和發(fā)展方向。系列產(chǎn)品內(nèi)部包含多達(dá)萬(wàn)個(gè)的邏輯單元,等效系統(tǒng)門(mén)數(shù)超過(guò)萬(wàn)門(mén),工作頻率高達(dá),功耗比以往產(chǎn)品降低。在處理方面,內(nèi)嵌模塊,最高工作頻率,系列可以提供多達(dá)個(gè),總的處理能力達(dá)到,片內(nèi)容量達(dá),完全可以完成多通道高性能數(shù)字上變頻的設(shè)計(jì)。可以根據(jù)不同的系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)充和升級(jí),隨著性能的增強(qiáng),規(guī)模的增大,成本的降低,利用實(shí)現(xiàn)高速專用數(shù)字上變頻器逐漸成為軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)中常用的手段【】。本文研究的內(nèi)容及意義軟件無(wú)線電數(shù)字上變頻器通過(guò)提高由處理過(guò)的基帶信號(hào)的數(shù)據(jù)流的速率,把

21、中頻速率的數(shù)據(jù)送入轉(zhuǎn)換器處理,既降低了其前段的性能要求,又使轉(zhuǎn)換器處理的是較射頻低很多的中頻信號(hào)。因此,其性能的優(yōu)劣將整個(gè)軟件無(wú)線電系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。工藝發(fā)展迅速,處理能力大大增強(qiáng),具有吞吐量高、開(kāi)發(fā)周期短、可實(shí)現(xiàn)在線重構(gòu)等諸多優(yōu)勢(shì)?;谝陨显?,本課題主要通過(guò)對(duì)軟件無(wú)線電理論、數(shù)字信號(hào)處理理論的研究,分析數(shù)字上變頻器結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法,重點(diǎn)研究如何用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻器。本文的主要內(nèi)容一共包括章:第章為緒論,介紹軟件無(wú)線電和數(shù)字上變頻器的背景;第章為數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ),介紹了其相關(guān)理論和算法;第章主要介紹了數(shù)字上變頻系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案和本課題所使用的仿真環(huán)境和開(kāi)發(fā)平臺(tái);第、章為數(shù)字上變頻

22、器的主要功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);第章為數(shù)字上變頻器的整體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);第章為結(jié)論與展望。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ)第章數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ)通過(guò)第一章對(duì)軟件無(wú)線電和數(shù)字上變頻的理論的介紹,可以看出,在現(xiàn)階段,數(shù)字上變頻器是軟件無(wú)線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,而信號(hào)采樣理論、多速率信號(hào)處理理論、高效數(shù)字濾波器理論是實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻器的理論基礎(chǔ)。本章將重點(diǎn)介紹上述理論和相關(guān)算法。低通采樣定理采樣定理的大概意思是:如果對(duì)某一時(shí)間連續(xù)信號(hào)(模擬信號(hào))進(jìn)行采樣,當(dāng)采樣率達(dá)到一定數(shù)值時(shí),可以根據(jù)這些采樣值就能準(zhǔn)確地確定原信號(hào)。嚴(yán)密一點(diǎn)說(shuō),采樣定理可表達(dá)如下【】:采樣定理:設(shè)有一個(gè)頻率帶限信號(hào)(),其頻

23、帶限制在(,丘)內(nèi),如果以不小于丘的采樣速率對(duì)()進(jìn)行等間隔采樣,得到時(shí)間離散的采樣信號(hào)(”)(刀互)(其中形稱為采樣間隔),則原信號(hào)()將被所得到的采樣值石(刀)完成地確定。下面從數(shù)學(xué)上來(lái)進(jìn)一步證明采樣定理。設(shè)單位沖激函數(shù)(),用其構(gòu)成周期沖激函數(shù)占():()萬(wàn)(,)()如圖()所示。所以對(duì)()用采樣頻率進(jìn)行抽樣后得到抽樣信號(hào)為:()占()()()如圖()所示一”。(),膏()卜?、幽信號(hào)采樣()東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ)五()的傅里葉變換以(緲)可表示為:以(國(guó))軎(緲一刀)(),式中,了萬(wàn)上由此可見(jiàn),采樣信號(hào)之頻譜為原始信號(hào)之頻移后的多個(gè)疊加。如果原始信號(hào)工()的頻譜如

24、圖()所示,則采樣信號(hào)的頻譜如圖()所示。由圖()見(jiàn),五(國(guó))中包括有(緲)的頻譜部分,如圖中陰影部分所示。而且只要滿足:,瓤丘()則陰影部分不會(huì)與其他頻率部分相混疊。孑(國(guó))弋只()廖笏()圖采樣前后的信號(hào)頻譜(采樣前,采樣后)(,)從第一章中得知軟件無(wú)線電覆蓋頻段范圍一般在之間,根據(jù)采樣定理,若系統(tǒng)需要覆蓋整個(gè)頻段范圍,暫時(shí)忽略前置濾波器矩形系數(shù)等影響,要能恢復(fù)原始信號(hào),其采樣率也至少在以上。而在實(shí)際應(yīng)用中,采樣頻率一般是丘的到倍,如此高速的采樣對(duì)于當(dāng)前的轉(zhuǎn)換速度來(lái)說(shuō)是不可能實(shí)現(xiàn)的。多速率信號(hào)處理理論一般情況下,軟件無(wú)線電系統(tǒng)需要發(fā)射或者接受的無(wú)線電通信信號(hào)帶寬為幾千赫茲到幾百千赫茲,實(shí)際

25、對(duì)單信號(hào)采樣時(shí)所需的采樣速率是不高的。因此,在發(fā)射端,為了滿足把基帶信號(hào)調(diào)制到所需的中頻甚至射頻頻段上,需要提高基帶信號(hào)的采樣率,需要對(duì)其進(jìn)行升速處理:由于本文研究的是上變頻,因此內(nèi)插處理是研究的重點(diǎn)。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ)整數(shù)倍內(nèi)插整數(shù)倍內(nèi)插就是指在兩個(gè)原始采樣點(diǎn)之間等間距地插入(,一)個(gè)零值,如果原始采樣序列為(胛),則內(nèi)插后的序列()為:():丁(予),(。,)。,【,其他內(nèi)插過(guò)程如圖()、()、()所示,內(nèi)插器的符號(hào)表示如圖()所示。()【)圖整數(shù)倍內(nèi)插上面是從時(shí)域角度分析了整數(shù)倍內(nèi)插的原理,下面再?gòu)念l域角度,分析一下內(nèi)插后的信號(hào)頻譜一(扣)與原始譜(歸)之間的關(guān)

26、系。由于而(研)除了為,的整數(shù)倍處為(予)外,其余都為零,所以:由于而(研)除了為,的整數(shù)倍處為予外,其余都為零所以:可得內(nèi)捅后的信號(hào)頻譜為:五()?。ǎǎ┛ǎ?,弘)(紗。)()()東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ)由式()可見(jiàn),內(nèi)插后得信號(hào)頻譜為原始序列譜經(jīng)過(guò),倍壓縮后得到的譜。圖給出了內(nèi)插前后的頻譜結(jié)構(gòu)?!保ㄇ甲V入八入入。一萬(wàn)一牙?。阂唬?。,:一()濾波,給繆刀刃一;一萬(wàn)一萬(wàn)萬(wàn)彳牙牙置。蘆()濾波后繪劊叭船圖內(nèi)捅前后的信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)圖()¥(籠()其中,圖()為未經(jīng)過(guò)內(nèi)插處理的信號(hào)原始頻譜,()為內(nèi)抽未經(jīng)過(guò)濾波的頻譜圖,這時(shí)在五(紗)中不僅含有(川)基帶分量(圖中陰影部分)

27、,而且還含有其頻率大于的高頻成分(稱為(倒)的高頻鏡像),為了能從(擴(kuò))恢復(fù)原始譜,則必須對(duì)內(nèi)插后的信號(hào)經(jīng)行低通濾波(濾波帶寬為形),濾波后的頻譜結(jié)構(gòu)如圖()所示,這時(shí)的內(nèi)插序列()將如圖()所示。也就是說(shuō)原來(lái)插入的零值點(diǎn)變?yōu)椋ǎ┑臏?zhǔn)確內(nèi)插之,經(jīng)過(guò)內(nèi)插后,大大提高了時(shí)域分辨率。值得指出的是,利用內(nèi)插不僅可以提高時(shí)域分辨率,而且也可以用來(lái)提高輸出信號(hào)的頻率,這就為后續(xù)的信號(hào)調(diào)制做了準(zhǔn)備。從上述分析得出了一個(gè)完整的,倍內(nèi)插器的結(jié)構(gòu),如圖所示。圖中,日,為帶寬小于的低通濾波器。圖完整的內(nèi)插器結(jié)構(gòu)圖東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ)取樣率變換性質(zhì)令、丁椅遄赳卣虧況圖州形八、朋吐明塏省出愀件罕

28、熨挾任腴尺睨明州佃削,義換性質(zhì)),這些性質(zhì)在軟件無(wú)線電的應(yīng)用研究中具有重要的作用。圖為內(nèi)插器的等效關(guān)系。匹)叫卜、卜廿匹)小咂)乎咂)叫互卜匣卜廿慟刁嶇丑虹、匹)圖內(nèi)插器的等效關(guān)系內(nèi)插器的等效關(guān)系在數(shù)字上變頻器的設(shè)計(jì)中有著非常重要的作用,它可以使濾波器工作在低采樣率下,這對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻器有著非常重要的意義。如何使濾波器工作在低采樣率下,將在后續(xù)章節(jié)中討論。取樣率變換的多級(jí)實(shí)現(xiàn)前面小節(jié)討論取樣率變換(內(nèi)插)時(shí),都是按照單級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,即內(nèi)插一次完成,如圖所示。這從表面上看來(lái)雖然簡(jiǎn)單,但是在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)很困難,如果內(nèi)插倍數(shù)很大,可能會(huì)使的所需要的低通濾波器的階數(shù)非常高,甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。圖內(nèi)插

29、器的單級(jí)實(shí)現(xiàn)下面舉例來(lái)說(shuō)明單級(jí)變換所存在的問(wèn)題。設(shè)輸入的采樣速率為,內(nèi)插倍數(shù),為,即最終需要得到的采樣速率東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ)為,信號(hào)帶寬為,則所需的低通濾波器特性如圖所示,要求阻帶衰減小于,則當(dāng)采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)這樣的濾波器時(shí)所需要的濾波器階數(shù)為:等等川()、式中,萬(wàn)為阻代衰減,為過(guò)渡帶寬,為采樣速率。經(jīng)過(guò)計(jì)算得:魚(yú):王:()也就是說(shuō)要實(shí)現(xiàn)這樣的濾波器用窗函數(shù)法需要階,這樣高階的濾波器實(shí)現(xiàn)起來(lái)是很困難的。解決這一問(wèn)題的方法是采用多級(jí)實(shí)現(xiàn)(這里只給出兩級(jí))。一一一一一一圖內(nèi)插器的多級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于本例,設(shè)兩級(jí)內(nèi)插倍數(shù)分別為,厶(厶),這時(shí)對(duì)第一級(jí),阻帶衰減為磊曇,帶寬為馘,采樣

30、率為。,所需要的濾波器階數(shù)為:羔羆()、對(duì)于第二級(jí),阻帶衰減為盈曇,帶寬為嵌,采樣率為:,所需要的濾波器階數(shù)為:羔羆枷()可見(jiàn),分級(jí)內(nèi)插后,濾波器的階數(shù)大大地減少,所以采用多級(jí)內(nèi)插可以大大降低對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)要求。需要注意三點(diǎn):一是每級(jí)濾波器的通帶寬度不能小于信號(hào)帶寬;二是過(guò)渡帶寬是可變的,取決于每一級(jí)的內(nèi)插倍數(shù),即過(guò)渡帶寬的截止頻率不能大于該級(jí)輸入的采樣率的一半;三是如果單級(jí)實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)通帶內(nèi)波動(dòng)要求為艿,則用級(jí)實(shí)現(xiàn)時(shí),如果把每一級(jí)的帶內(nèi)波動(dòng)設(shè)計(jì)成一樣,則每級(jí)帶內(nèi)波動(dòng)應(yīng)為甌。多相濾波結(jié)構(gòu)在前面的小節(jié)中重點(diǎn)介紹了多速率信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念,即內(nèi)插,給出了實(shí)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章數(shù)字上變頻的理論

31、基礎(chǔ)現(xiàn)內(nèi)插的結(jié)構(gòu)模型,如圖和所示。但是無(wú)論是單級(jí)模型還是多級(jí)模型,對(duì)運(yùn)算速度的要求是相當(dāng)高的,這主要是因?yàn)榈屯V波器,)位于內(nèi)插算子之后,也就是說(shuō)內(nèi)插器低通濾波器是在提速以后進(jìn)行的。以上,節(jié)中的濾波器為例子:?jiǎn)渭?jí)時(shí),低通濾波器的輸入采樣率為,階數(shù)為,如果按照傳統(tǒng)的濾波器乘加結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),那么每秒內(nèi)需要完成的乘加運(yùn)算量為:也就是說(shuō),在秒內(nèi)需要完成億次乘加運(yùn)算,顯然以目前的技術(shù)水平很難實(shí)現(xiàn)。即使采用分級(jí)結(jié)構(gòu),第二級(jí)濾波器仍然工作在采樣率為的條件下,每秒鐘仍需要完成大約億次的乘加運(yùn)算,對(duì)濾波器的要求仍然高??傊?,由于內(nèi)插器其抗混疊數(shù)字濾波是在高采樣率條件下進(jìn)行的,這無(wú)疑大大提高了對(duì)運(yùn)算速度的要求,對(duì)實(shí)

32、時(shí)處理是極其不利的。如果在實(shí)現(xiàn)濾波器時(shí),采用多相濾波結(jié)構(gòu),就可以在一定程度上解決上述問(wèn)題。設(shè)內(nèi)插器的抗混疊數(shù)字濾波器的沖擊響應(yīng)為(刀),則其變換日()定義為:()(甩)()經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得出:日():一,一,薹三(!)(,)一一(。)日():廿卅巨(丁”()置置【一式()即為數(shù)字濾波器日()的多相濾波結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖所示。廠也塑廠西習(xí)上二一(用羔竺:!豎到圖數(shù)字濾波器的多相結(jié)構(gòu)通過(guò)使用多相結(jié)構(gòu),使得每一分支的濾波器系數(shù)只是原來(lái)原來(lái)的,根據(jù)本小節(jié)丌東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ)頭的計(jì)算,濾波器在一秒鐘內(nèi)需要完成的乘加運(yùn)算也降為原來(lái)的,可見(jiàn),當(dāng),很大時(shí),既可以滿足實(shí)時(shí)處理的要求,又使得濾波

33、器工作在較低的運(yùn)算速度要求上。但是上述結(jié)構(gòu)中,濾波器仍然工作在內(nèi)插器之后,也就是說(shuō)濾波器工作在提速之后,在某些情況下,對(duì)其運(yùn)算速度要求仍然很高,我們可以根據(jù)上一小節(jié)的取樣率變換性質(zhì),采用等效結(jié)構(gòu),可使得濾波器工作在提速之前。因此,根據(jù)取樣率變換性質(zhì),其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖等效結(jié)構(gòu)由上圖可見(jiàn),這時(shí)數(shù)字濾波器已經(jīng)位于內(nèi)插器之前,也就是說(shuō)數(shù)字濾波是在提速之進(jìn)行的,這對(duì)降低數(shù)字濾波器實(shí)時(shí)性要求是極其有利的,這時(shí)的分支濾波器階數(shù)只是原來(lái)的的,有利于提高精度,降低對(duì)字長(zhǎng)的要求。下面計(jì)算一下采用如圖所示的結(jié)構(gòu)后,對(duì)多相濾波結(jié)構(gòu)抽氣器的運(yùn)算速度要求。設(shè)低通濾波器(,)的階數(shù)為,最后輸出的信號(hào)采樣率為,內(nèi)插倍數(shù)為,

34、因此各分支濾波器比()的階數(shù)為,輸入的數(shù)據(jù)速率為釤,所以其計(jì)算速度為:是:孚爭(zhēng):等:魯(“)。、。即只為乘加結(jié)構(gòu)對(duì)濾波器速度要求的彳,當(dāng)較大時(shí),對(duì)運(yùn)算速度的要求將大大降低。所以,在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合,采用多相濾波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)插是非常有效的。以本小節(jié)開(kāi)頭的濾波器為例:島爭(zhēng)可枷可見(jiàn),采用多相結(jié)構(gòu),使得分支濾波器的計(jì)算速度降為,即每秒鐘只需要需要完成次的乘加運(yùn)算,目前這樣的濾波速度是完全町以做到酐。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ)分布式算法分布式算法(,)是一項(xiàng)重要的技術(shù)。它是基于查找表的一種計(jì)算方法,得益于查找表結(jié)構(gòu)潛能的開(kāi)發(fā),分布式算法在濾波器設(shè)計(jì)方面顯示出了很高的效率,在利用實(shí)現(xiàn)數(shù)

35、字信號(hào)處理方面發(fā)揮著重要的作用,可以大大提高信號(hào)的處理效率?,F(xiàn)己廣泛地應(yīng)用在計(jì)算乘法和之中,除了卷積外,還有相關(guān)和計(jì)算以及反演映射等都可以闡述為乘積和()。當(dāng)使用傳統(tǒng)的算法單元完成一個(gè)濾波周期時(shí),大約需要用個(gè)乘力()循環(huán),使用流水線技術(shù)可以縮短這一數(shù)量,但也是非常有限的,仍舊非常長(zhǎng)。如果系數(shù)()可以通過(guò)演繹得到,則在技術(shù)上部分乘積項(xiàng)(療)工(刀)就變成了一個(gè)常數(shù)乘法,這是設(shè)計(jì)的一個(gè)先決條件。其具體原理如下:設(shè)(刀)是已知常數(shù)(如濾波器系數(shù)、王嚇中的正弦余弦基本函數(shù)等),()是變量,可以看做是第個(gè)數(shù)據(jù),()是乘積項(xiàng)的累加將結(jié)果。那么它們的內(nèi)積為:,一夕(膽)(,)(萬(wàn))()式中,表示(甩)的個(gè)數(shù)

36、,將()改寫(xiě)成二進(jìn)制的位表達(dá)形式:口一(刀)()式中,表示工(,)的數(shù)據(jù)格式的字長(zhǎng),將式代入式中,得將式()展開(kāi),得()口一一口一(以)(忍)(,)(以(甩)()(力)()()()而()()(一)。()五()()五()(),(一)()。()()糾()托()。(一)糾()(刀)(刀)(),出于(胛)表示(咒)的二進(jìn)制數(shù)位,(行)只有和“”兩個(gè)值,因此,(甩)(刀)只有個(gè)可能值,進(jìn)而可知,只要將這個(gè)可能值事先存入一個(gè)查找表中,以東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第章數(shù)字上變頻的理論基礎(chǔ)(),(),(),(一)作為查找表地址向量,再由相應(yīng)的二次冪加權(quán)并累加,就可以得到(,)。由此可見(jiàn),分布式算法中只有查找表操作,累加操作,二次冪加權(quán)(移位)操作,而沒(méi)有乘法操作,這就是分布式算法的核心所在,即改乘加為查找表,而這種改變非常適合在中實(shí)現(xiàn),因?yàn)榉浅I瞄L(zhǎng)累加和移位操作,而且在中設(shè)置一個(gè)查找表也非常容易。查找表的構(gòu)造規(guī)則如表所示:表查找表中的值實(shí)際中我們所針對(duì)的是有符號(hào)補(bǔ)碼數(shù),所以必須對(duì)上面討論的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn):在補(bǔ)碼中,最高有效位是用來(lái)區(qū)別正數(shù)與負(fù)數(shù)

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