移动通讯中频数字接收机设计和实现

论文摘要

在传统的通讯系统中,接收机的解调单元都是用模拟处理方法实现的,这种传统的接收机关键性能指标往往对器件有很强的依赖性,导致系统不够灵活,不能完全发挥数字通信的优势。软件无线电思想的出现带来了接收机实现方式的革新,基于软件无线电理论的全数字接收技术可以轻松的应对传统接收技术面对的挑战。在当今的移动通讯系统中,基于软件无线电的数字接收技术占据着越来越重要的地位。移动通讯技术的发展日新月异,3G也已经开始大规模的商用。本课题所涉及的项目就是为了适应现代高速发展的移动通讯要求,基于软件无线电理论的基本思想,针对TD-SCDMA标准,设计和实现了一种基于FPGA的中频数字接收方案。本文研究了数字中频接收机的基本原理和实现方法,对数字中频接收技术的理论基础——带通采样和采样率变换进行了细致的探讨,详细的叙述了数字中频接收机中正交混频器、数控振荡器的实现方法,讨论了数字中频接收机中常见的高效滤波算法和滤波器优化方式。在参考当前主流的数字接收芯片结构的前提下,基于宽带中频采样的软件无线电结构,提出了一种新的正交混频结构,在Matlab中完成系统建模和仿真,在FPGA上完成系统的实现。该系统使用单一ADC和FPGA芯片,可同时支持6个载波的TD-SCDMA信号的中频数字接收和处理。本文的主要成果和贡献有:1.研究并论证了TD-SCDMA系统数字中频接收机的设计和实现方法;2.基于宽带中频采样的软件无线电结构,设计并实现了中频接收机中的正交混频、数控振荡器、抽取和匹配滤波器组等关键模块;3.提出了一种新的正交混频结构,这种结构可以节省FPGA内的逻辑资源和降低系统成本,增强系统的灵活性和可扩展性;4.针对数字接收机在FPGA中的实现,从系统设计和关键模块的实现提出了优化的方法。根据这些方法设计出符合系统功能的接收机,并给出实现后系统的测试结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 软件无线电理论简介
• 1.3 软件无线电和数字接收技术的发展现状
• 1.4 中频数字接收机简介
• 1.5 本论文完成的主要工作和内容安排
• 第二章 中频数字接收机基本理论和算法
• 2.1 中频数字接收机中的采样理论
• 2.1.1 低通采样定理
• 2.1.2 带通采样定理
• 2.2 抽取滤波
• 2.2.1 整数倍抽取
• 2.2.2 整数倍内插
• 2.2.3 分数倍抽取
• 2.3 数控振荡器
• 2.3.1 数控振荡器原理
• 2.3.2 基于查找表的NCO
• 2.3.3 基于CORDIC 算法的NCO
• 2.4 数字正交混频
• 2.4.1 基于硬件乘法器的正交混频器
• 2.4.2 基于CORDIC 算法的数字混频器
• 2.5 数字接收机中滤波器的常见实现算法
• 2.5.1 乘累加FIR 滤波器
• 2.5.2 半带滤波器
• 2.5.3 CIC 滤波器
• 第三章 中频数字接收机方案设计及仿真
• 3.1 中频采样方案的选择
• 3.2 正交混频器设计
• 3.2.1 混频方案的选择
• 3.2.2 第一级混频器设计
• 3.2.3 第二级混频器设计
• 3.3 抽取滤波器的设计和抽取方案的选择
• 3.3.1 第一级4 倍抽取滤波器设计
• 3.3.2 第二级5 倍抽取滤波器设计
• 3.3.3 数字匹配滤波器设计
• 3.4 系统仿真
• 第四章 系统硬件实现
• 4.1 数字中频板的硬件设计思路
• 4.2 主要器件的选型
• 4.2.1 ADC 的选型
• 4.2.2 FPGA 的选型
• 4.3 FPGA 内相关模块的设计
• 4.3.1 FPGA 片内时钟管理模块
• 4.3.2 FIR 滤波器组设计
• 4.3.3 混频器设计
• 4.3.4 测试模块设计
• 4.4 FPGA 模块实现和资源耗用
• 第五章 系统验证
• 5.1 验证思路
• 5.2 滤波器组综合后仿真结果
• 5.3 系统实测和测试数据分析
• 5.3.1 系统测试环境和测试步骤介绍
• 5.3.2 测试数据分析
• 第六章 结束语
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 系统后续改进方向
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果及发表论文