基于FPGA实现数字下变频的研究

论文摘要

本文以软件无线电接收机设计中数字下变频技术为研究对象,首先介绍了数字下变频技术的相关理论及其国内外发展现状和意义,即通过对数字信号的采样率变换以缓解后续DSP处理的压力。现场可编程门阵列FPGA(Field ProgrammableGate Array)是最近10年发展起来的新型可编程逻辑器件,其低功耗、高可靠性、在线重配置以及低成本等诸多优点使得FPGA在数字信号处理中的应用越来越广泛。本文以FPGA实现为重点,首先确定所使用芯片为Xilinx公司Spartan 3系列芯片xc3s400pq208,因此设计的各项指标都要充分结合硬件资源来进行。设计主要包括两大部分:下变频模块和抽取滤波器模块。其中,下变频模块的设计采用了直接频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis);高效抽取滤波模块由积分梳状滤波器(CIC)、半带滤波器(HB)和升余弦滤波器三组滤波器构成。本文首先对这两部分设计所涉及的理论进行了介绍,并对设计中注意的相关问题、算法进行了详细的研究;HB滤波器的设计采用了分布式算法(DA),它的运算速度只与数据的宽度有关,只有加减法运算和二进制除法,避免了乘法运算,即缩减了系统资源又大大缩减了运算时间。最后一级的升余弦滤波器采用了开关型多相抽取结构,提高了乘法器的利用率,又减少了滤波运算的累积误差,实现了高效的实时处理。整个设计结合硬件资源从数字下变频的系统各模块的主要功能以及彼此间的性能制约上考虑,先期通过MATLAB仿真选择合适的参数,然后在Xilinx公司ISE8.2开发环境下,使用Verilog语言编程实现。最后对基于FPGA实现的数字下变频系统调用ModelSim进行仿真测试,验证了设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 数字下变频的发展及意义
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.3 本人的研究内容及章节的安排
• 第2章 数字下变频的框架结构
• 2.1 数字下变频的基本原理
• 2.2 数字下变频的系统结构
• 2.3 影响性能的主要因素和技术指标
• 2.4 本章小结
• 第3章 数字下变频的关键模块
• 3.1 DDC基于FPGA的设计流程
• 3.2 可编程下变频模块
• 3.2.1 DDS介绍
• 3.2.2 DDS的系统结构
• 3.3 高效抽取滤波模块
• 3.3.1 CIC滤波器
• 3.3.2 HB滤波器
• 3.3.3 直接窗函数设计法
• 3.3.4 抽取滤波器多相结构
• 3.4 分布式算法
• 3.5 本章小结
• 第4章 数字下变频基于FPGA的设计与实现
• 4.1 DDS模块的设计与实现
• 4.2 CIC滤波器的设计与实现
• 4.2.1 CIC滤波器溢出问题及解决办法
• 4.2.2 CIC滤波器的FPGA设计
• 4.3 HB滤波器模块设计与实现
• 4.3.1 HB滤波器参数设计
• 4.3.2 HB滤波器的FPGA设计
• 4.4 升余弦滤波器设计与实现
• 4.4.1 升余弦滤波器参数设计
• 4.4.2 升余弦滤波器FPGA设计
• 4.5 数字下变频器的参数指标
• 4.6 器件资源利用概要
• 4.7 顶层原理图
• 4.8 本章小结
• 第5章 系统的搭建与验证
• 5.1 CIC滤波器功能测试
• 5.2 HB滤波器功能测试
• 5.3 升余弦滤波器功能测试
• 5.4 DDC功能测试
• 5.4.1 DDS部分
• 5.4.2 混频部分
• 5.4.3 CIC滤波器部分
• 5.4.4 HB滤波器部分
• 5.4.5 升余弦滤波器部分
• 5.4.6 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历