基于PCIE接口的数据处理实现

论文摘要

PCIE（PCI-Express）作为目前最新的总线和接口标准,最高能够达到10GB/s,而且还有相当大的发展潜力,已经逐渐成为总线和接口标准的主流。本文面向基于PCIE接口的数据采集卡,对采集的高速数据进行数字下变频实现。数字下变频的主要功能是将中频信号搬移至零中频,并且在搬移过程中降低数据速率和滤掉谐波,数字下变频工作在软件无线电中数模转换之后,DSP处理之前,它是软件无线电的核心技术,是最重要的一环。通常输入信号的速率非常高,若是不经过处理的话对整个软件无线电的系统造成了极大的负荷,本文对数字下变频器中各模块的算法和结构进行了比较和分析,结合LTE系统的主要参数,对各模块提出了最优化的算法和结构,并在FPGA上进行了电路实现和验证。本文主要内容包括以下三点：1、首先介绍了数字下变频的基本理论和结构,对完成各级数字信号处理所涉及到的查表法、CORDIC算法、分布式算法等关键算法做了介绍和分析。2、分析和比较了NCO、CIC、HB、FIR的各种算法和结构,对经典的结构进行了改进,并通过仿真验证了方案。对数字混频器模块的LUT算法实现和CORDIC算法实现进行比较；对设计HB滤波器的一般、转置、复用和折叠结构在资源占用和实现可行性上进行了比较；对FIR滤波器的普通结构和使用的分布式算法改进之后的进行比较。最终将最优化的各模块组合级联成整个数字下变频系统。3、在硬件平台上完成了对该数字下变频系统的测试,最后的测试结果验证了所设计的数字下变频的正确性和有效性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.2 数字下变频的发展现状
• 1.3 本论文的研究内容和结构安排
• 2 多速率信号处理理论与方法
• 2.1 采样理论
• 2.1.1 Nyquist采样定理
• 2.1.2 带通采样理论
• 2.2 多速率信号处理
• 2.2.1 整数倍抽取
• 2.2.2 整数倍内插
• 2.2.3 分数倍采样率的转换
• 2.3 数字下变频的基本原理
• 2.3.1 数字下变频的结构
• 2.3.2 影响数字下变频的主要因素
• 2.3.3 数字下变频的主要性能指标
• 2.3.3.1 NCO最高分辨率
• 2.3.3.2 噪声抑制比
• 2.3.3.3 抽取因子
• 2.3.3.4 一些数字下变频芯片的性能指标
• 3 数字下变频各个模块的研究和算法
• 3.1 NCO的设计基础理论
• 3.1.1 基于查表法实现NCO
• 3.1.2 基于泰勒多项式展开法实现NCO
• 3.1.3 基于CORDIC算法实现NCO
• 3.1.3.1 CORDIC算法的原理
• 3.1.3.2 CORDIC算法的性能分析
• 3.2 抽取滤波器组的设计基础理论
• 3.2.1 梳状滤波器组（CIC滤波器）
• 3.2.1.1 CIC滤波器原理
• 3.2.1.2 CIC滤波器的性能分析
• 3.2.1.2.1 处理增益
• 3.2.1.2.2 非线性相位
• 3.2.1.2.3 阻带衰减
• 3.2.1.2.4 通带容差
• 3.2.1.2.5 输出溢出
• 3.2.1.2.6 数据跨时钟传递
• 3.2.2 半带滤波器（HB滤波器）
• 3.2.2.1 HB滤波器原理
• 3.2.2.2 HB滤波器的设计方法
• 3.2.2.3 通过折叠技术优化HB滤波器
• 3.2.2.4 通过复用技术优化HB滤波器
• 3.2.3 FIR滤波器组
• 3.2.3.1 基本原理
• 3.2.3.2 分布式算法
• 4 数字下变频FPGA的设计和实现
• 4.1 NCO的设计
• 4.1.1 基于查找表（LUT）的NCO的设计实现
• 4.1.1.1 基于查找表的理论基础
• 4.1.1.2 设计实现与仿真
• 4.1.2 基于CORDIC算法的NCO实现
• 4.2 滤波器组各模块的设计和实现
• 4.2.1 积分梳妆滤波器（CIC）的设计和优化
• 4.2.1.1 CIC滤波器的设计说明和仿真分析
• 4.2.1.2 基于FPGA的5级CIC滤波器的设计和实现
• 4.2.2 半带滤波器（HB）的设计和优化
• 4.2.2.1 半带滤波器的系数
• 4.2.2.2 半带滤波器的一般结构
• 4.2.2.3 半带滤波器的转置结构
• 4.2.2.4 半带滤波器的折叠结构
• 4.2.2.5 半带滤波器的复用结构
• 4.2.3 FIR滤波器的设计和优化
• 4.2.3.1 普通结构的FIR滤波器设计
• 4.2.3.2 基于DA算法的FIR滤波器设计
• 4.3 数字下变频系统整体FPGA的设计和实现
• 5 数字下变频设计的验证
• 6 结论
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 作者简历
• 学位论文数据集