软件无线电数字下变频技术的研究与实现

论文摘要

软件无线电因其功能灵活、结构开放以及成本低等优点,受到各国众多研究机构和公司的重视。由于目前硬件水平的限制,在软件无线电系统中经过ADC采样后的中频信号,必须经过数字下变频后,降为低速的数字信号,才能被通用的DSP处理器件进行处理。数字下变频对整个系统性能的影响很大,因此数字下变频技术已成为软件无线电的核心技术之一。采样理论和多速率数字信号处理理论是数字下变频技术的理论基础,本文首先对其进行了介绍。本文对数字下变频器的电路结构进行了深入研究,分析了影响数字下变频器性能的主要因素,介绍了NCO实现的两种常用方法,同时对数字下变频电路的高效抽取滤波器组进行了研究。DA算法是FPGA实现乘累加时的一种常用算法,可以避免使用乘法器,高阶FIR滤波器实现时一般采用DA算法实现,对DA算法的FPGA实现及改进进行了详细研究。本文在研究了数字下变频的数字信号处理理论和电路结构之后,使用FPGA完成了数字下变频器的设计实现。使用Altera公司的FPGA设计软件Quartus II分模块对数字下变频器各部分电路进行了具体设计,使用Modelsim电路仿真软件完成了各部分电路及整个系统电路的数字信号仿真。使用Matlab软件对滤波器参数进行了设计,对仿真输出数据的频谱进行了分析。采用16级流水线设计实现了基于CORDIC算法的具有混频功能的NCO。设计实现了最高抽取率为32的CIC滤波器,设计实现了两级HB抽取滤波器。采用DA算法设计实现了102阶的高阶整形FIR滤波器,实现时将DA算法由串行结构改成了并串结合的结构,在其输入数据位为16位的情况下,只需8个时钟就可以完成一次滤波。最后,将设计实现好的各个模块电路,连接起来,实现了最高抽取率为128的DDC系统,整个DDC系统约占用了FPGA9752个逻辑单元。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 软件无线电数字下变频的研究背景
• 1.2 软件无线电数字下变频的发展现状
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 课题完成的主要工作
• 第2章 软件无线电数字下变频理论基础
• 2.1 信号采样理论
• 2.1.1 低通采样定理
• 2.1.2 带通采样定理
• 2.2 信号的整数倍抽取
• 2.2.1 整数倍抽取的时域分析
• 2.2.2 整数倍抽取的频域分析
• 2.2.3 抽取滤波器
• 2.3 本章小结
• 第3章 数字下变频电路结构的研究
• 3.1 数字下变频的电路结构
• 3.1.1 数字下变频器的整体结构
• 3.1.2 影响数字下变频器性能的主要因素
• 3.2 混频模块的研究
• 3.2.1 查找表法
• 3.2.2 CORDIC算法原理
• 3.2.3 主要杂散来源分析
• 3.3 CIC滤波器的研究
• 3.3.1 CIC滤波器原理
• 3.3.2 多级CIC滤波器
• 3.3.3 CIC滤波器阻带衰减与带内容差
• 3.3.4 CIC抽取滤波器的高效实现结构
• 3.4 HB滤波器的研究
• 3.4.1 HB滤波器原理
• 3.4.2 HB滤波器在2"倍抽取系统中的应用
• 3.5 有限冲激响应（FIR）数字滤波器
• 3.5.1 FIR滤波器原理
• 3.5.2 分布式算法研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 数字下变频器的FPGA实现
• 4.1 数控振荡器的设计实现
• 4.1.1 相位累加器的设计
• 4.1.2 CORDIC算法的电路实现
• 4.1.3 NCO电路仿真
• 4.2 CIC滤波器的设计实现
• 4.2.1 增益调整电路的设计实现
• 4.2.2 积分电路的实现
• 4.2.3 梳状电路的实现
• 4.2.4 CIC抽取滤波器顶层电路
• 4.2.5 CIC抽取滤波器的仿真
• 4.3 HB滤波器的设计实现
• 4.3.1 HB滤波器参数设计
• 4.3.2 输入数据有效判决电路的设计实现
• 4.3.3 HB抽取滤波器FPGA实现
• 4.3.4 HB抽取滤波器电路仿真
• 4.4 高阶整形FIR滤波器的设计实现
• 4.4.1 FIR滤波器参数设计
• 4.4.2 FIR滤波器的FPGA实现
• 4.4.3 FIR滤波器的电路仿真
• 4.5 DDC系统电路的实现
• 4.5.1 DDC系统时钟策略
• 4.5.2 DDC系统电路的实现
• 4.5.3 DDC系统电路的仿真
• 4.6 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文