基于FPGA的数字下变频器的设计与实现

论文摘要

软件无线电的中心思想是构造一个开放性、标准化和模块化的通用硬件平台,将宽带A/D尽可能靠近天线,用软件完成各种通信功能,以研制出高度灵活性和适应性的无线通信系统。软件无线电思想的出现带来了接收机实现方式的革新。近年来,随着软件无线电理论和应用趋于成熟,软件无线电技术已经越来越广泛地应用于蜂窝通信及各种军用和民用的无线通信系统中。数字下变频器（DDC:Digital-Down-Converter）是将数字中频信号下变频至零中频且使数据率降至适宜DSP处理的器件,它工作在A/D之后,是软件无线电系统的核心部分。而现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array-FPGA）是一种由用户自行配置专用数字集成芯片,具有小型化、低功耗、可编程、数字化和快速方便实用的特点。FPGA的灵活性与高速处理的能力,使其由一种灵活的逻辑设计平台发展为重要的信号处理元件,在各种软件无线电产品中得到了广泛的应用。本文设计和实现了基于FPGA的数字下变频器（DDC）,完成数字下变频、数据抽取等功能。FPGA器件选用Xilinx公司生产的Virtex-5系列中的XC5VLX50T,采用自顶向下的模块化设计方法。首先参考GC4016的结构确定系统级DDC的设计方案,然后将整个DDC划分为四个基本模块:混频器模块、CIC滤波器模块、FIFO模块和FIR滤波器模块,进而设计实现这些基本模块并进行仿真验证。最后设计实现系统级DDC并进行仿真和验证分析。本文首先从数字下变频的基础理论入手,介绍带通信号采样理论和采样率整数倍变换的有关知识,为DDC的设计打下理论基础。接着本文介绍了构成数字下变频器的基本模块的设计原理,然后就对这些基本模块在ISE11.1中进行了设计,然后使用ModelSim进行了功能仿真和时序仿真,使用MATLAB仿真分析了输入输出信号的频谱。最后设计实现系统级的DDC,同样进行了功能仿真和时序仿真,并使用MATLAB仿真数据的频谱,然后同理论输出信号的频谱进行了对比,给出了分析结果和结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 数字下变频器的研究现状及分析
• 1.3 本文的研究内容和结构安排
• 第2章 数字下变频的基础理论知识
• 2.1 信号采样理论
• 2.1.1 带通采样定理
• 2.1.2 采样信号的频谱分析
• 2.2 采样率变换理论
• 2.3 本章小结
• 第3章 数字下变频器的实现方案及算法
• 3.1 数字下变频器的整体实现方案
• 3.2 混频器模块
• 3.3 CIC 滤波器模块
• 3.4 FIFO 模块
• 3.5 FIR 滤波器模块
• 3.6 本章小结
• 第4章 数字下变频器基本模块的FPGA 设计与仿真
• 4.1 混频器模块
• 4.1.1 DDS
• 4.1.2 混频器模块
• 4.2 CIC 滤波器模块
• 4.3 FIFO 模块
• 4.4 FIR 滤波器模块
• 4.4.1 FIR 滤波器
• 4.4.2 FIR 滤波器模块
• 4.5 本章小结
• 第5章 数字下变频器的整体FPGA 设计及仿真
• 5.1 系统的整体设计与仿真
• 5.2 MATLAB 仿真验证及分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢