无线电背景下变频器分析与研究

第1章绪论

1.2软件无线电中的数字下变频器软件
无线电系统可以分为模拟信号处理子系统和数字信号处理子系统两部分。从图1.1可以看出，模/数转换器A/D (或数/模转换器D/A)处于模拟前端与数字前端之间，是沟通模拟前端和数字前端的桥梁。它在软件无线电中有着非常重要的作用。软件无线电要求A/D和D/A转换器尽可能地靠近射频天线，在较高的中频甚至射频直接进行数字化，最大限度地进行数字化处理。这对A/D、 D/A转换器提出了很高的要求，A/D、 D/A转换器必须具有很高的采样率、足够的带宽和较高的采样精度。现代无线通信系统的射频载波频率一般都在GHz以上，如果在这样的载波上实现数,/模转换，那么转换器的工作速率也要在这一数量级上，而且转换器的精度必须在lObit以上，这样代价会非常高，因此一般的做法是先将射频信号进行多次混频至中频信号，然后再进行模/数转换。
软件无线电的基带处理主要完成各种波形的调制/解调、扩频/解扩、同步处理、信道编码/解码，以及信令控制、加密/解密等功能[4]。软件无线电的基带需要实时处理高速数据流，以提供可靠、丰富和高质量的服务。这些都增加了基带处理的难度，要求基带能够高速率、实时地处理大量的数据。因此，软件无线电在实现基带处理时需要使用大量工作速度高而且性能好的数字信号处理器件，目前应用比较广泛的是DSP器件。
通用的DSP器件对于中频信号的处理还是有一定的难度的，因此在A/D与DSP器件之间，必须存在一个器件将数字中频信号的频率降低到通用DSP器件能够处理的频率，将中频信号的速率降低到通用DSP器件能够处理的速率，这样的器件就是数字下变频器。显然，数字下变频器在射频前端和基带处理部分起到了转化的作用。由图1.1可以看到数字下变频器在软件无线电中的位置，可知数字下变频是软件无线电数字前端的重要组成部分。其发展也影响着整个软件无线电技术的发展，因此在各种军用，民用无线通信系统中数字下变频器得到了越来越广泛的应用。

1.3数字下变频器的研究现状
数字下变频从传统意义上来说，它主要完成的功能是混频、抽取，重采样和滤波。在应用设计中，常用的方法是采用DDC (Digital Down Converter)芯片实现数字下变频功能。目前，国外在DDC产品上技术领先的公司有美国的Intersil公司、ADI公司和Graychip公司。它们的单通道的代表DDC产品有Intersil公司的HSP50016、HSP50214 B ； ADI公司的AD6620; Graychip公司的GClOl 1 、GCl(n2等。这些器件都具有较优异的性能参数和较强的功能。
 
   1.4 FPGA在数字下变频中的应用 ....................13-14
    1.5 论文内容安排 ..................14-15
第2章 数字下变频器的基本理论与常用算法 ..................15-28
    2.1 数字下变频器基本理论 ..................15-23
        2.1.1 数字下变频原理 ..................15-16
        2.1.2 CIC滤波器 ..................16-19
        2.1.3 HB滤波器 ..................19-22
        2.1.4 FIR滤波器 ..................22-23
    2.2 数字下变频器常用算法 ..................23-27
    2.3 本章小结 ..................27-28
第3章 数字下变频器各模块基于FPGA的设计与实现 ..................28-51
    3.1 数字下变频器的设计 ..................28-29 
    3.2 数字混频器的设计与FPGA实现 ..................29-35
    3.3 CIC抽取滤波模块的设计与FPGA实现 ..................35-40 
    3.4 HB滤波器的系数配置与FPGA实现 ..................40-44
        3.4.1 HB滤波器的系数配置 ..................40-43
        3.4.2 HB滤波器的FPGA实现 ..................43-44
    3.5 FIR滤波器及其FPGA实现 ..................44-50
    3.6 本章小结 ..................50-51
第4章 数字下变频器基于FPGA的仿真与验证 ..................51-64
    4.1 基于FPGA的DDC仿真验证流程 ..................51
    4.2 DDC各模块的仿真与验证 ..................51-63
        4.2.1 NCO仿真验证 ..................51-52
        4.2.2 CIC仿真验证 ..................52-55
        4.2.3 HB1仿真验证.................55-56
        4.2.4 HB2仿真验证 ..................56-58
        4.2.5 FIR仿真验证 ..................58-60
        4.2.6 DDC仿真验证 ..................60-63
    4.3 本章小结 ..................63-64

总结与展望

5.1总结
在软件无线电的应用背景下，本课题设计实现了一个单通道的数字下变频器。该数字下变频器最大处理时钟为85MHz、输入信号最大速率为85Mbps、中频信号为82MHz、整个系统完成32倍抽取功能、系统带宽为2MHz。本论文所设计的数字下变频器主要由两部分组成，即混频模块和数字抽取滤波模块。数字抽取滤波模块由5级CIC抽取滤波器、2级HB抽取滤波器及FIR整形滤波器组成。本论文从系统结构上考虑了各模块彼此间的性能制约，选择了合理的算法提高了关键模块的性能。NCO是混频器的核心，本论文采用21次迭代的Cordic算法来实现，FIR滤波器采用优化的DA算法实现。该数字下变频器完成了中频信号降低频率和速率的功能，并通过仿真验证了设计的正确性，将设计思想真正转化为了硬件实现。

5.2课题展望
本课题实现了数字下变频降频和降速的功能，完成了算法仿真、各个模块的VHDL代码编写和调试等工作。下一步的工作是开发一个DDC开发板，全面验证所设计的DDC系统，建立一套基于PCI总线的测试平台。从DDC系统设计角度来说，其与商用DDC芯片还有较大差距，还有许多需要改进的地方。目前商用DDC芯片的功能已经不仅仅是数字下变频，还增加了许多新的功能，包括重采样、坐标变换、数字AGC等，因此需要在后续的工作中将这些功能加入到本DDC系统中。