基于FPGA的软件无线电中数字上下变频器的设计与实现

基于FPGA的软件无线电中数字上下变频器的设计与实现
基于FPGA的软件无线电中数字上下变频器的设计与实现

(2010届)

本科毕业设计(论文)资料

湖南工业大学教务处

2010届

本科毕业设计(论文)资料第一部分设计说明书

(2010届)

本科生毕业设计(论文)

基于FPGA的软件无线电中数字上下变频器的设计与实现

2010 年6 月

湖南工业大学本科生毕业设计(论文)

摘要

软件无线电的核心思想是在通用的硬件平台上加载不同的通信软件,以实现不同通信方式之间的转换。这种全新的设计理念使通信中的硬件设备可以适应各种不同的通信方式,本文研究的项目是基于FPGA的软件无线电中数字上下变频,文中给出了一种基于FPGA的数字上下变频器的系统设计方案,并用Quartus II进行仿真并验证了设计的可行性。

本文首先简要介绍了软件无线电的基本结构,认真分析了其关键技术——数字上下变频的各个部分和功能原理。然后分别对各功能模块进行设计,包括数控振荡器NCO的设计、数字信号抽取滤波器(CIC积分梳状滤波器、HB半带滤波器)的设计、FIR整形滤波器的设计、SCIC内插滤波器的设计。在此基础上,用VHDL语言进行描述,通过Quartus II平台进行编译,得到正确的仿真结果,以验证FPGA设计的可行性。

关键词:软件无线电,上下变频器,FPGA, VHDL

I

ABSTRACT

The core idea of software radio is in the general hardware platform of communi- cation software, loaded with different ways of communication between the conversion. This new design make different communication hardware equipment different comm- unication, this discusses project is an FPGA-based system of UUC and UDC in the software radio.The paper put up a method of digital converter system design based on FPGA and research, and then simulation by Quartus II and proved the feasibility of the design.

Firstly,this article briefly introduces the basic structure of software radio, and an- alyzes in detail its key technology—digital frequency parts of the functions and pri- nciples. Then separetely design function module,including the NCO’s design, digital signal decimation filter(CIC integral comb filter、HB half band filter)design,FIR plastic filter’s design,SCIC interpolation filter’s design.At last, on this basis, with VHDL language description and through the Quartus II platform to get the right simulation results,and verify the feasibility of the FPGA design.

Keywords:Software radio, DDC/DUC, FPGA,VHDL

目录

第一章绪论 (1)

1.1软件无线电概述 (1)

1.1.1 无线通信国内外发展现状 (1)

1.1.2 软件无线电概念的提出 (2)

1.2数字上下变频技术的应用与发展 (3)

1.2.1 数字上下变频技术的应用及发展 (3)

1.2.2 FPGA在数字上下变频领域的应用 (4)

1.3本论文的内容安排 (4)

第二章数字上下变频技术理论基础 (6)

2.1数字上下变频理论概述 (6)

2.1.1 数字混频正交变换理论 (6)

2.1.2 数字上下变频原理 (8)

2.1.3 影响数字上下变频器性能的主要因素 (8)

2.2多速率数字信号处理 (9)

2.1.1 整数倍抽取和内插 (9)

2.3高效数字滤波 (12)

2.3.1 积分梳状滤波器基本理论 (12)

2.3.2 半带滤波器的基本理论 (13)

2.4数控振荡器NCO中采用的CORDIC算法 (14)

第三章数字上下变频器的设计与实现 (17)

3.1基于FPGA的数字下变频设计原理与方案 (17)

3.1.1 数控振荡器NCO的设计 (17)

3.1.2 CIC抽取滤波器的设计 (20)

3.1.3HB滤波器的设计 (23)

3.1.4FIR整形滤波器的设计 (24)

3.2基于FPGA的数字上变频设计原理与方案 (24)

3.2.1 SCIC内插滤波器的设计 (24)

第四章数字上下变频器各部分的仿真实现 (27)

4.1NCO的FPGA仿真结果 (27)

4.2五级级联CIC抽取滤波器FPGA的仿真结果 (27)

4.3半带滤波器的FPGA仿真结果 (28)

4.4FIR整形滤波器FPGA仿真结果 (28)

结论 (30)

参考文献 (31)

致谢 (33)

附录 (34)

第一章绪论

信息时代的信息传递主要依托于通信系统。现代通信技术正在以惊人的速度发展着,它已给人类社会带来了巨大的变化。无论在军用上还是在民用上,软件无线电技术一直是现代通信技术研究的热点。

目前无线通信领域存在着多种通信体系并存的问题。软件无线电技术使单一通信设备适应多种标准,实现多频段/多模式通信。软件无线电作为一种新的无线通信概念和体制使得通信体制具有很好的通用性与灵活性,并使系统的互联与升级变得非常方便。软件无线电的这些特点,使其成为继模拟到数字、固定到移动通信之后的无线通信领域的第三次突破[1]。数字变频技术是软件无线电技术的关键技术之一,它包含数字上变频(Digital Upper Conversion)和数字下变频(Digital Down Conversion)技术,分别用于发送设备和接收设备中。

本文的理论研究重点是数字下变频(DDC)技术,而支撑本文的项目是短波电台的中频数字化,即包含了数字下变频和数字上变频,上下变频在软件无线电中是相反的两个过程,因此,数字上变频只做适当介绍。

1.1 软件无线电概述

1.1.1 无线通信国内外发展现状

现代的无线通信发展迅速,一方面得到越来越广泛的应用,而另一方面又由于当代无线通信系统很多,决定了其调制方式、波形结构、通信协议、数字信息的编码方式和加密方式都不尽相同,因此无线通信系统之间的这些差异极大地限制了不同系统之间的互连互通,给现代无线通信的发展造成了很大的不便。

现在,无线通信有了长足的进步。通信系统由模拟体制不断向数字化体制过渡,出现了许多中频数字化接收机。例如,德国R/S公司研制的宽带数字化接收机EBD 900,主要用于无线电监视,其工作频率范围为20 MHz~2 GHz,搜索速度为4GHz/s (25 kHz带宽),动态范围为80dB[2]。英国研制的PVS3800接收机,工作频率范围为0.5 MHz~1GHz,是一种用于电子战环境中的宽带无线电通信监测接收机,可以实现搜索、监听、分析识别等功能,还可以根据需要,通过加载不同的软件,灵活地配置成各种不同功能的接收机。这些接收机尽管能够覆盖多个频段,但它们只能工作于单一的频段和模式,功能相对较少,灵活性不够,可扩展能力较差,不同电台之间仍不能完全互通,无法完全满足现代军事通信的需要。

在海湾战争中,由于美军的军事通信装备无论是工作频段、通信体制还是信息传输格式等方面,海、陆、空三军都是各自为政,互不兼容。结果导致在作战时各军兵种间无法进行快速沟通、互传信息情报,充分暴露了军事通信互通性差、反应速度慢、带宽太窄、效率太低等问题。在民用通信中也存在互通性差的问题。在欧洲(主要是北欧、西欧)的第一代模拟网发展过程中,基本上各自为政,加入欧洲邮电会议(CEPT)的16个国家,分别共使用6种不同的制式。这些模拟通信体系的制式、频率各不相同,不能互通、兼容。在第二代数字移动通信中,仍有许多种不同的通信体制,如GSM、AMPS、ETACS、PDC、DAMPS、CT2等[3],这些体制互不兼容,无论给用户还是经营者都带来了极大的不便。除了互通性的问题外,新的通信体制和标准不断提出,通信产品的生存期缩短,开发费用上升,使得传统的通信体制很难适应。

此外,现在无线频带越来越拥挤,对通信系统的频带利用率和抗干扰能力要求不断提高。沿着现代通信系统的发展方向,很难对频带进行重新规划,采用新的抗干扰方法需要对系统结构做较大改动,代价太大。

目前,硬件工艺水平提高很快,各模块的性能越来越好,这就为新结构的实现提供了先决条件。为了解决这些问题,各国都进行了积极的探索,努力使不同设备既能满足互通的要求,又能满足抗干扰、保密性好的要求;既能使通信设备跟上无线电飞速发展的步伐,又能延长设备的使用寿命。

1.1.2 软件无线电概念的提出

针对这一种情况,1992年5月,MILTRE公司的Joe Mitola在美国国家远程系统会议上首次明确提出了软件无线电(Software Radio)的概念[4],这是继模拟到数字、固定到移动之后,无线通信领域的又一次重大突破。其基本思想是:将宽带A/D和D/A 变换尽可能地靠近射频天线,即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化,最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法,软件无线电可以实时地配置信号波形,使其能够提供各种语音编码、信道调制、载波频率、加密算法等无线电通信业务。软件无线电台不仅可与现有的其它电台进行通信,还能在两种不同的电台系统间充当“无线电网关”的作用,使两者能够互连互通。

软件无线电充分利用嵌入通信设备里专用芯片的可编程能力,提供一种通用的无线电台硬件平台,这样既能保持无线电台硬件结构的简单化,又能解决由于拥有电台类型、性能不同带来的无线电联系的困难。这样就能使软件无线电台多频段/多模式/多信道/多速率/多协议等多功能通信成为可能。

由于软件无线电具有模块化、标准化、开放性、实现方便、软件升级和系统配置灵活等优点,因而被广泛应用在第三代移动通信系统中。在美国,除了研究基于软件

无线电的第三代无线通信系统的多频段/多模式手机和基站外,同时还注意软件无线电技术与计算机技术的融合,为第三代移动通信系统提供良好的用户界面,如M.I.T的Spectrum Ware [4]计划和Rutgers大学进行的将软件无线电技术应用于W-CDMA接收机的研究[5]计划开发的美国军用软件无线电台MBMMR,不仅可以应对各种调制方式的通信波,而且还有被叫作“V oice Bridge”可使不同种类无线电台之间进行通信的功能,是在充分考虑了相互通用性、信息维护、长期使用性、经济性之后而开发的一种通信电台。我国对软件无线电技术也相当重视,提出了基于软件无线电和智能天线技术的第三代移动通信系统标准TD-SCDMA[6],并把软件无线电技术在第三代移动通信中的应用课题列入国家“863”计划,成为我国第三代移动通信系统的关键技术之一,开展了大量的研究和应用开发,也取得了不少阶段性的科研成果。

1.2 数字上下变频技术的应用与发展

1.2.1 数字上下变频技术的应用及发展

随着近年来现场可编程门阵列(FPGA)器件和通用数字信号处理器(DSP)在芯片逻辑规模和处理速度等方面性能的迅速提高,用硬件编程或软件编程方式实现无线功能的软件无线电技术在理论和实用化上都趋于成熟和完善[7]。软件无线电技术只需通过软件上的更新就能够选择不同的业务或调制方式、追加和修改功能,具有传统硬件方式所无法比拟的灵活性、开放性和可扩展性。因此,软件无线电技术已经被越来越广泛地应用于蜂窝通信及各种军用和民用的无线系统中。

软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能的直接数字化,将其变换为适合DSP器件[8]或计算机处理的数据流,然后通过软件来完成各种功能。在现阶段,由于受各种关键器件,特别是受ADC/DAC(模数、数模变换器)采样速率、工作带宽和通用DSP器件处理速度的限制,数字中频软件无线电正成为理想软件无线电的一种经济、适用的折中选择。在目前大多数软件无线电接收机中,一般先经模拟下变频至适当中频,然后在中频用ADC数字化后输出高速数字中频信号,再经数字下变频器(DDC)的变频、抽取和低通滤波处理之后变为低速的基带信号,最后将基带信号送给通用DSP器件作后续的解调、解码、抗干扰、抗衰落、自适应均衡等处理。这样大大降低了对ADC和DSP器件性能的要求,便于实现和降低成本。数字上变频(DUC)与下变频是相对应的过程,DSP处理后的基带数字信号经过内插、滤波和上变频后,将信号传给DAC来完成后续的模拟处理环节。数字上下变频器在这里起到ADC/DAC 和通用DSP器件之间的桥梁作用,如图1.1所示

图1.1 数字上下变频器在数字中频软件无线电中的地位

因此,数字上下变频技术已经成为软件无线电接收机的核心技术之一,通用数字上下变频器也被越来越广泛的应用到各种军、民用无线通信设备以及电子战、雷达和信息化家电等领域。

1.2.2 FPGA在数字上下变频领域的应用

现场可编程门阵列(FPGA)是在专业ASIC的价格和低可编程性与DSP的完全可编程性和每项功能的高功耗之间的折衷方案[9]。FPGA是高速可配置的逻辑电路,其物理和逻辑的布局布线是专门为状态机和顺序逻辑快速实现而设计的,近年来,FPGA器件在工艺方面的进步和设计思想上的创新为之带来了前所未有的逻辑规模和强大的处理性能,时钟速度等性能已经有了很大的提高,单片的集成度已经发展到了几百万门以上,可用于复杂的数字信号处理,比如卷积、相关和滤波等。FPGA的可编程性、灵活性和高集成性,在无线研究领域中已经得到了成功的应用。在经过FPGA充分验证的基础上,还可以将FPGA设计转为ASIC,降低芯片成本,使其市场化。Altera公司最新推出的HardCopylI技术[10],可以在lO~12周内将一个成熟的FPGA设计转成量产的ASIC,并且保证ASIC的功能和时序与FPGA芯片完全一致,pin to pin的管脚兼容,大大减少了设计者验证和仿真的工作量,免除使用者重新Layout PCB的麻烦,其100%的流片成功率大大减少了从设计到产品的移植周期。可见,利用FPGA来实现高速专用数字上下变频器具有一定的实际意义。

1.3本论文的内容安排

本文内容主要分为以下几个部分:

第一章绪论,简单介绍了软件无线电及数字上下变频技术的概况,并说明了论文的课题背景和主要内容。

第二章介绍了数字上下变频技术的理论基础,主要包括数字上下变频的基原理、相关的算法概述。

第三章依据第二章的基本原理和相关算法,设计实现了基于FPGA的上下变频的各功能部分。

第四章给出了数字下变频相关部分的FPGA仿真结果,分析并验证了设计的可行性。

第五章对本论文的工作做了总结,并指出了需要完善的部分。

第二章 数字上下变频技术理论基础

2.1 数字上下变频理论概述

2.1.1 数字混频正交变换理论

任何物理可实现的信号都是实信号,实信号的频谱具有共轭对称性,即正负频率

幅度分量是对称的,而其相位分量正好相反。所以对于一个实信号而言,只需其正频

部分或负频部分就能够完全加以描述,不会丢失任何信息,也不会产生虚假信号。如

只取原实信号()x t 的正频部分(由于()z t 只含有正频分量,故()z t 为复信号),那么就把

()z t 叫做()x t 的解析表示,即:

()()[()z t x t j H x t =+ (2-1)

其中[()]H x t 叫做信号()x t 的Hilbert 变换[11]。即

1()[()]

x H x t d t ττπτ-∞

+∞=-? (2-2)

由于Hilbert 变换是正交变换,所以解析信号()z t 的实部和虚部是正交的。一个实

信号的解析表示(正交分解)在信号处理中有着极其重要的作用,是软件无线电的基础

理论之一,从解析信号中很容易获得信号的三个特征参数:瞬时幅度、瞬时相位和瞬

时频率,而这三个特征参数是信号分析、参数测量或识别解调的基础。

对于一个实的窄带信号:

()()cos[()]c x t a t t t ω?=+ (2-3)

式中()a t 、()t ?分别为信号的幅度调制分量和相位调制分量,c t ω为信号的载频。以证

明()x t 的Hilbert 变换为:

[()]()s i n [c H x t a t t t ω?=

+ (2-4) 所以窄带信号的解析表示为:

()()cos[()]()sin[()]c c z t a t t t ja t t t ω?ω?=+++ (2-5)

用极坐标形式可以表示为:

[()]()()c j t t z t a t e ω?+=

()()c j t j t a t e e ω?= (2-6)

式中c j t e ω,称为信号的载频分量,它作为信息载体不含有用信息。将上式乘以

c j t e ω-,载频下移c ω,得到基带信号(或称为零中频信号),记为()b z

t ,有: ()()()j t b z t a t e ?=

()cos ()()sin ()a t t ja t t ??=+

()()I t Q t =+ (2-7)

其中, ()()cos ()I t a t t ?= (2-8)

()()sin ()Q t a t t ?= (2-9)

分别称为基带信号的同相分量和正交分量。基带信号为解析信号的复包络,是复

信号,即基带信号既有正频分量,也有负频分量,但其频谱不具有共轭对称性,若随

意剔除基带信号的负频分量,就会造成信息丢失。从以上分析可以看出,一个实的窄

带信号既可用解析信号()z t 表示,也可用其基带信号(零中频信号)()b z t 来表示。

但是,在实际中很难实现理想的Hilbert 变换的阶跃滤波器,所以准确的解析表示

要在实际应用中得到是非常困难的,相比之下,得到基带信号就要容易得多,即将原

信号()x t 分别与两个本振信号cos c t ω和sin c t ω相乘,再经过低通滤波器就得到了对应的

正交基带变换信号,但由于模拟方法产生本振信号的缺点是存在正交误差,从而导致

虚假信号的产生。如今,在数字信号处理中,更多的采用数字混频正交变换来进行数

字信号的正交基带变换,其两个本振信号正交性可以完全的保证,其基本功能框图如

图2.1所示。

图2.1 实信号的正交基带变换(下变频)

将模拟信号()x t 经过模数转换(A/D )后得到数字信号()x n ,将该()x n 分别与两个

正交本振序列cos c n ω和sin c n ω相乘后,再通过数字低通滤波器即可得到()x n 的同相分

量()I n 和正交分量()Q n 。

2.1.2 数字上下变频原理

上下变频是指将信号的频谱搬移到更高或更低的频率上,若待变频信号为()a x t ,

变频信号()b x t 用公式表示为:

()()c j t

b a x t x t e ω= (2-10)

其中c ω为搬移的频率,将基带信号搬到该频率上称为上变频(c ω负),而从该频率

上搬移到基带称为下变频(c ω正)。数字上变频和数字下变频就是对式(2-10)进行数字

化。引入满足采样周期T ,数字上变频和数字下变频就可以写为:

()()c j n T b a x nT x nT

e ω= (2-11)

简写为: ()()c j n b a x n x n e ω= (2-12)

实际当中,对于下变频来说,()a x n 一般为实信号,就有下式:

()()cos()()sin()b a c a c x n x n n jx n n ωω=+ (2-13)

经过低通滤波后得到的就是基带信号的正交分解信号,()cos()a c x n n ω为同相分

量,()sin()a c x n n ω为正交分量,由此可见上一节中提到的实信号的正交基带变换也

可以说完成的就是下变频功能。图2.1也就是数字下变频的基本原理框图。

对于上变频来说,基带信号()a x n 一般为复信号,表示为:()()()

a x n I n jQ n =+通常上变频后的信号只需要取其实数部分就足够了,即:

()Re[()]c j n b a x n x n e ω=

()c o s ()()s i n (c c I n n Q n n

ωω=- (2-14) 由式(2-14)可得上变频的原理框图如图2.2,

图2.2 数字上变频的原理框图 2.1.3 影响数字上下变频器性能的主要因素

从数字上下变频原理可以看出,上变频其实是下变频的一个反过程,在此我以下

变频为例来探讨一下影响数字变频器性能的主要因素。

模拟下变频器中,模拟混频器的非线性和模拟本地振荡器的频率稳定度、边带、

相位噪声、温度漂移、转换速率等都是人们最关心和难以彻底解决的问题。这些问题

在数字下变频中是不存在的,频率步进、频率间隔等也具有理想的性能,另外,数字

下变频器的控制和配置更新方便等特点也是模拟下变频器无法比拟的。

但与模拟下变频相比,数字下变频器的运算速度受硬件电路处理能力的限制,其

运算速度决定了DDC 的最高输入信号数据率,相应的也限定了ADC 的最高采样速率。

另外,数字下变频的输入、输出数据精度和内部运算精度也影响着接收机的性能。

影响数字下变频器件整体性能指标的主要因素[12]有五个:一是数控本振所产生的

正交本振信号的频谱纯度;二是数字混频器的运算精度;三是各种滤波器的运算精度

(包括二进制表示的滤波器系数的精度);四是滤波器的阶数:五是数下变频器的系统

处理速度。前三点因素其本质可以归到一点,就是有限字长效应,由于有限字长,带

来了数控本振的相位截断效应,也带来了整个DDC 器件所有模块的样本值近似效应,

根据截断和近似的程度,DDC 性能会受到或多或少的影响。

要提高DDC 的性能,就要加宽运算字长,但字长不可能无限加宽,这就需要在

DDC 性能和硬件资源开销之间作一个折中。至于滤波器的阶数,同样涉及到的是硬件

资源消耗的问题。在处理速度这个问题上,可以通过利用规模换速度和采用优化算法

两种手段提高系统处理速度;总的说来,性能的提高是以资源的消耗为代价的。

2.2 多速率数字信号处理

2.1.1 整数倍抽取和内插

所谓整数倍抽取[14]是把原始采样序列()x n 每隔D-1个数据抽取一个数据,以形成

一个新的序列()D x m :

()()D x m x mD = (2-15)

式中D 为正整数。很显然如果序列()x n 的采样速率为s f ,则其无模糊带宽为s f /2,

经过D 倍抽取得到的抽取序列()D x m 的采样速率为s f /D ,其无模糊带宽为s f /(2D),

当()x n 含有大于s f /(2D)的频率分量时,()D x m 就必然产生频谱混叠,导致从()

D x m 中无法恢复出()x n 中小于s f /(2D)的频率分量信号。

设()x n 的离散傅氏变换为()j X e ω,那么)(ωj D e X 的离散傅氏变换为:

1(2)/01()[]D j j D D i X e X e D ω

ωπ--==∑ (2-16) 由式(2-16)可见,抽取序列的频谱()j D X e ω为抽取前原始序列频谱()j X e ω经频移

和D 倍展宽后的D 个频谱叠加和。图2.3给出了抽取前后的频谱结构变化图。

图2.3 抽取前后(D=2)的频谱结构(混叠)

由图2.3可见,抽取后的频谱()j D X e ω产生了严重混叠,使得从()j D X e ω中无法恢复出()j X e ω中所感兴趣的信号的频谱分量。但如果首先用一数字滤波器(滤波器带宽为π/D )对()j X e ω进行滤波,使()j X e ω中只含有小于π/D 的频率分量(对应模拟频率为s f D

π),再进行D 倍抽取,则抽取后的频谱就不会发生混叠,如图2.4所示,

图2.4 抽取前后(D=2)的频谱结构(无混叠)

这样()j D X e ω就可以准确地表示()j X e ω中小于π/D 的频率分量信号,所以这时对()j D X e ω进行处理等同于对()j X e ω的处理,但前者的数据速率只有后者的D 分之一,大大降低了对后续处理(解调分析等)速度的要求。由上述分析可以得出一个完整的D

-2 - 0 2 -2 - 0 2

倍抽取器结构如图2.5所示,图中()j LP H e ω为其带宽小于π/D 的低通滤波器,当原始信号的频谱分量()j X e ω本身就小于π/D 时,则前置低通滤波器可以省去。

图2.5 完整的D 倍抽取器结构框图 内插是抽取的逆过程,所谓整数倍内插就是指在两个原始抽样点之间插入(I-1)个零值,设原始抽样序列为()x n ,则内插后的序()I x m 为:

),2,,0(),(,0{

)( I I m I m x I m x ±±==其他 (2-17) 设()x n 的离散傅氏变换为()j X e ω,则()I x m 的离散傅氏变换为:

()()j j I

I X e X e ωω= (2-18) 由式(2-18)可见,内插后的信号频谱为原始序列频谱经I 倍压缩后得到的谱,图

2.6给出了内插前后的频谱结构,由图中可见,在内插后的()j I X e ω中不仅含有()

j X e ω的基带分量,还含有其频率大于I

π的高频成分,为了从()

j I X e ω中恢复原始谱,则必须对内插后的信号进行低通滤波(滤波器带宽为I π)。因此,原来插入的零值点变为)(n x 的准确内插值,经过内插大大提高了时域分辨率[15]。

图2.6 内插(I=2)前后的频谱结构

由上述分析得出一个完整的I 倍内插器的结构如图2.7所示,图中()j LP H e ω为带宽小于I

π的低通滤波器。

-2

- 0 2

/I

j ω)

(ωj D e X

图2.7 完整的I 倍内插方框图

2.3 高效数字滤波

从前面的讨论已经知道,实现取样率变换的关键问题是如何实现抽取前或内插后的数字滤波,该滤波器性能的好坏将直接影响取样率变换的效果及其实时处理能力,本节将讨论多速率信号处理中的高效数字滤波问题。

2.3.1 积分梳状滤波器基本理论

级联积分梳状滤波器[19](CIC ,cascaded integrator-comb)是一种线性相位FIR 滤波器,这种滤波器由工作在高抽样率的级联理想积分器和低抽样率的梳状滤波器组成。该滤波器的冲激响应具有以下形式:

101,0{)(-≤≤=D n n h ,其他

(2-19) 式中,D 即为CIC 滤波器的阶数(D 其实也是抽取因子)。CIC 滤波器的z 变换为:

10()()D n n H z h n z

--==?∑11(1)1D z z

--=--12()()H z H z = (2-20) 式中, 11

1()1H z z -=- (2-21) 2()1D

H z z -=- (2-22)

因此CIC 滤波器的原理方框图如图2.8所示,

图2.8 CIC 实现方框图 由图2.8可见,CIC 滤波器由两部分组成,1()H z 是一个积分器,实现起来就是一个累加器:2()H z 是一个梳状滤波器[20]。把z=j e ω分别代入式(2-21)和(2-22),可得1()

H z ()j I e ω

和)(2z H 的频率响应为:

1/2/2/211()1()j j j j j H e e e e e ωωωωω---==-?-

/2()/22s i n (/2)2s i n (/2)

j j j e e ωωπωω--?== (2-23) 2()1j D H j e ωω-=-/2/2

/22[]2

j D j D j D e e e ωωω---=? /22sin()2

j D D

j e ωω-=?? ()/22sin()2j D D e πωω-=? (2-24)

由于2()H j ω的幅频特性形状象一把梳子,因此称为梳状滤波器。CIC 滤波器就是积分器和梳状滤波器的级联,所以也称为级联积分梳状滤波器。 由1()j H e ω和2()H j ω可得()H j ω为:

12()()()H j H j H j ωωω= (1)/2sin()2sin()2

j D D

e ωωω-=

1(1)/2()()22j D

D D Sa Sa e ωωω--=??? (2-25)

CIC 滤波器的主瓣幅值最大点为()0j H e D =,随着频率的增大,旁瓣电平不断减小,可以计算出第一旁瓣电平与主瓣电平的差值约为13.46s dB α=,可见CIC 滤波器的旁瓣电平还是比较大的,这也意味着阻带衰减很差,为了能够满足实用要求,可以采用多级CIC 滤波器级联的办法来解决,例如用Q 级CIC 实现时的旁瓣抑制为:Q s s a Qa =,当Q=5时,67.3s Qa dB =,基本能够满足实际的需要[22]。

由于CIC 滤波器的实现非常简单,只有加减运算,没有乘法运算,FPGA 实现时可达到很高的处理速率,因此CIC 滤波器很适合作抽取器前的抗混叠滤波器,通过CIC 滤波并抽取后把高的数据率降到较低的数据率,易于后级的HB 抽取和FIR 滤波。

2.3.2 半带滤波器的基本理论

半带滤波器(Half-Band Filter )在多速率信号处理中有着特别重要的位置[23],因为这种滤波器特别适合实现D=2M (即2的幂次方倍)的抽取或内插,而且计算效率高,实

数字下变频的FPGA实现

1 引言 数字下变频DDC(digital down lonvwrsionl作为系统前端A/D转换器与后端通用DSP器件间的桥梁,通过降低数据流的速率,将低速数据送给后端通用DSP器件处理,其性能的优劣将对整个软件无线电系统的稳定性产生直接影响。采用专用DDC器件完成数字下变频,虽具有抽取比大、性能稳定等优点,但价格昂贵,灵活性不强,不能充分体现软件无线电的优势。FPGA工艺发展迅速,处理能力大大增强,相对于ASIC,DSP,其具有吞吐量高、开发周期短、可实现在线重构诸多优势。基于这些优点,FPGA在软件无线电的研发中具有重要作用。 2 数字下变频系统 数字下变频器在软件无线电系统中完成的功能结构如图1所示,其中包括直接数字频率合成器DDS(direct digital synthesizer)、数字混频器、FIR滤波器、抽取等模块。原始模拟中频信号经A/D转换器带通采样后得到数字中频信号,输入DDC后先与DDS产生的两路正交本振信号相乘(数字混频),将数字中频搬移到基带。混频后得到的数据率和采样率一致,后级FIR滤波器要达到该处理速率。硬件实现相当困难,因此首先通过抽取模块大大降低数据速率,然后使用高阶FIR低通滤波器对整个信道整形滤波。滤波输出的两路正基带信号交由下一级DSP器件进行处理。 2.1 混频器的FPGA实现 数字混频器将原始采样信号与查找表生成的正、余弦波形分别相乘,最终得到两路互为正交的信号。由于输入信号的采样率较高,因此要求混频器的处理速度大于等于信号采样率。单通道的数字下变频系统需要两个数字混频器.也就是乘法器。XC2V1000器件内嵌64个18×18位硬件乘法器,其最高工作频率为500 MHz,因此采用硬件乘法器完全能够满足混频器的设计要求。使用Xilinx公司的Multiplier IP核可以轻松实现硬件乘法器的配置。该设计中采用两路14位的输入信号,输出信号也为14位。图2为混频器的结构图。

软件无线电原理与应用思考题

《软件无线电原理与应用》思考题 第1章 概述 1. 软件无线电的关键思想 答:A/D 、D/A 尽量靠近天线 a) 用软件来完成尽可能多的功能 2. 软件无线电与软件控制的数字无线电的区别 答:软件无线电摆脱了硬件的束缚,在结构通用和稳定的情况下具有多功能,便于改进升级、互联和兼容。而软件控制的数字无线电对硬件是一种依赖关系。 3. 软件无线电的基本结构 答:书上第5页 第2章 软件无线电理论基础 1. 采样频率(fs)、信号中心频率(fo)、处理带宽(B)及信号的最低频率(f L )、最高频率(f H )之间的关系,最 低采样频率满足的条件 答:带通采样解决信号为(f L ~f H )上带限信号时,当f H 远远大于信号带宽B 时,若按奈奎斯特采样定理,其采样频率会很高,而采用带通信号则可以解决这一问题,其采样频率12n 4f 12n )f f (2f 0H L s +=++= ,n 取能满足2B f S ≥的最大正整数,B 2 12n f 0+=。 2. 频谱反折在什么情况下发生,盲采样频率的表达式 答:带通采样的结果是把位于(nB ,(n+1)B )不同频带上的信号都用位于(0,B )上相同的基带信号频谱来表示,在n 为奇数时,其频率对应关系是相对中心频率反折的,即奇数带上的高频分量对应基带上的低频分量,且低频高频对应高频分量。 盲区采样频率的表达式为: S Sm f 12n 22m f ++= m 取0,1,2,3……的盲区,当取n=m+1时,S Sm f )3 2m 11(f +-= 3. 画出抽取与内插的完整框图,所用滤波器带宽的选取,说明信号处理中为什么要采用抽取与内插, 抽取与内插有什么好处 答:抽取内插的框图见24页。其中抽取滤波器带宽D /π,内插滤波器带宽I /π。 图像

软件无线电技术

第四代移动通信技术之软件无线电技术 【摘要】软件无线电是目前无线通信领域在固定至移动、模拟至数字之后的最新革命,其正朝着产业化、全球化的方向发展,将在4G系统中得到广泛应用。本文主要研究软件无线电技术对通信传输的改善以及4G系统中软件无线技术的应用特点等。 一、引言 软件无线电提供了一条满足未来个人通信需要的思路。软件无线电突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性,强调以开放性的最简硬件为通用平台,尽可能地用可升级、可重配置不同的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路。其中心思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。 图一、软件无线电原理框图 1 二、简介 软件无线电(SWR)技术是近年来提出的一种实现无线通信的新的体系结构,它的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台,而把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件实现。 1、WLAN与蓝牙融入广域网 近年来各国都在积极进行4G的技术研究,从欧盟的WINNER项目到我国的“FuTURE计划”都是直接面向4G的研究。 日本对4G技术的研究在全球范围内一直处于领先地位,早在2004年,运营商NTTdocomo就进行了1Gbit/s传输速率的试验。目前还没有4G的确切定义,但比较认同的解释是:4G采用全数字技术,支持分组交换,将WLAN、蓝牙技术等局域网技术融入广域网中,具有非对称的和超过100Mbit/s的数据传输能力,同时,因为采用高度分散的IP网络结构,使得终端具有智能和可扩展性。

数字下变频及抽取的FPGA实现

2005 年 2 月 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS February , 2005 文章编号:1007-0249 (2005) 01-0123-04 数字下变频及抽取的FPGA 实现* 侯永宏, 侯春萍, 曹达仲, 戴居丰 (天津大学 电子信息工程学院,天津 300072) 摘要:在FPGA 上实现了对高频窄带数字信号的下变频和取样率转换,由于完全避免了需要大量逻辑资源的乘法器和数字振荡器,其结构大为简化,再加上采用了流水处理结构,使其处理速度超过100M 样点每秒,此外它还具有结构简单,重配置能力强的优点,具有广阔的应用前景。 关键词:积分梳状滤波器;抽取;现场可编程门阵列(FPGA ) 中图分类号:TN911.25 文献标识码:A 1 导言 全数字接收机的目标是设计一个支持多制式、多模式的,灵活、开放的通用数字接收机,它的发展趋势是将宽带A/D 尽可能靠近天线端,以简化接收机的模拟电路,而将接收机的各种功能用软件来实现。这样就对数字信号处理器(DSP )带来了巨大的处理压力。 现场可编程门阵列(FPGA ),能实现高速运算,且具有很强的重新配置能力,因此在全数字接收机中常用FPGA 配合DSP 工作。FPGA 负责对前端高速中频或射频信号进行处理,DSP 负责低速基带信号的处理[1]。 用FPGA 实现一个乘法器会消耗大量的逻辑资源,例如用Spartan Xilinx 系列实现一个16位并行乘法器需要213个CLB (Configurable Logic Block )[2];采用串行乘法器可以减少所需逻辑资源,但处理速度会急剧下降。所以如何减少乘法器的数目和提高处理速度是目前数字信号处理IC 设计的一个主要课题。 2 数字下变频 所谓下变频就是将信号从较高的频带搬移到较低的频带,以利于信号的分析与处理。如果数字带通信号为: s c s l s nT f nT x nT x π2cos )()(= (1) 其中:T s 为采样频率。 数字下变频实际上就是将上述信号乘以一个本地载波,然后通过一个带通或低通滤波器,即可以得到下变频后的信号。如果本地载波的频率与信号载波相等,得到的就是低通基带信号。 s o s b nT f nT x t x π2cos )()(= (2) 取c o f f =,如果c s f f 4=,且不考虑相位误差的话,有: L L 4 3πcos \cos π \2πcos \ cos0π2cos π2cos ==s c s o nT f nT f 此时本地载波信号的取值实际上是:1、0、-1、0、1。这样混频器就可以避免复杂的振荡器和乘法器,而用简单的组合逻辑和取反电路实现。具体实现为:1)将输入信号每隔2个取2补码,形成一个新的数据流;2)将新数据流每隔一个置0,所得输出就是混频后的信号。在上面提到的及后面的电路设计中,假定数模转换器的输出用2的补码表示。 3 防混迭滤波 混频后的有用信号频谱搬移到零频附近,相对于信号频率来讲,采样率非常高,因此可以通过抽 * 收稿日期:2003-12-08 修订日期:2004-05-05

信道化技术在软件无线电接收机中的应用

信道化技术在软件无线电接收机中的应用 姚 澄!朱灿焰!杨会保 " 苏州大学电子信息学院江苏苏州 #$%&#$’ 摘 要(软件无线电是目前通信领域研究的热点!其关键技术之一的数字中频技术则是多速率信号处理理论的典型应用) 介绍了一种基于多相滤波的数字信道化技术在软件无线电接收机中的应用!利用离散傅里叶变换"*+,’的成熟理论和多相滤波的灵活处理!在接收机的数字中频段提出了一种高效的处理结构!对其原理-性能和特点进行了深入地探讨和研究!较好地解决了当前无线通信中硬件速度和高速数据流不匹配的问题)计算机模拟结果证明了处理结构的可行性和有效性) 关键词(软件无线电.信道化.多相滤波器组.离散傅里叶变换中图分类号(,/0 $$文献标识码(1 文章编号($&&23435" #&&%’&4&$4&367789:;<9=>=?@A ;>>B 89C B DE B :A >=8=F G 9>B DL ;D 9= M N O P Q R S T !U V W P X S Y X S !M N /Z V [\]X ^ "_‘Q ^^a ^b c a R ‘d e ^S \‘f S b ^e g X d \^S !_^^‘Q ^h W S \i R e j \d Y !_[k Q ^[!#$%&#$!P Q \S X ’l m n o p q r o (,Q R_^b d h X e R*R b \S R s t X s \^"_*t ’Q X j]R ‘X g Rd Q Rb ^‘[j^be R j R X e ‘Q \S ‘^g g [S \‘X d \^S j u *\T \d X af S d R e g R s \X d R +e R v [R S ‘Y "f +’X j ^S R^b \d j w R Yd R ‘Q S ^a ^T \R j !\j Xd Y x \‘X a X x x a \‘X d \^S^b g [a d \e X d Rj \T S X a x e ^‘R j j \S Td Q R ^e Y u ,Q RX x x a \‘X d \^S^b X s \T \d X a ‘Q X S S R a \k R sd R ‘Q S \v [Rb ^e_*t e R ‘R \i R e j\j\S d e ^s [‘R s\Sd Q \jx X x R e u 1X j R s^Sd Q Rg X d [e Rd Q R ^e Y^bd Q R*\j ‘e R d R+^[e \R e ,e X S j b ^e g "*+,’X S s d Q R b a R y \]\a \d Y ^b d Q R x ^a Y x Q X j R b \a d R e ]X S ws R ‘^g x ^j \d \^S !X SR b b \‘\R S d x e ^‘R j j \S T X e ‘Q \d R ‘d [e R \j x e R j R S d R s \Sd Q R s \T \d X a f +x X e d !\d j x e \S ‘\x a R !x R e b ^e g X S ‘R X S s‘Q X e X ‘d R e \j d \‘X e R s R R x a Ys \j ‘[j j R sX S sj d [s \R s u ,Q R g R d Q ^sT \i R j X]R d d R e j ^a [d \^S^b d Q Rg \j g X d ‘Q]R d h R R Sd Q Ra ^h R e Q X e s h X e Rj x R R sX S sQ \T Qs X d Xe X d R^b d ^s X Y z jh X e R a R j j‘^g g [S \‘X d \^S j u +\S X a a Yj \g [a X d \^Se R j [a d j j Q ^h d Q R R b b \‘\R S ‘Y^b d Q \j x e ^x ^j R sX e ‘Q \d R ‘d [e R u {|}~!p "n (_^b d h X e R *R b \S R st X s \^"_*t ’.‘Q X S S R a \k \S T .x a ^Y x Q X j R b \a d R e ]X S w .*\j ‘e R d R +^[e \R e ,e X S j b ^e g "*+,’ 收稿日期(#&&2$#$2#引 言 软件无线电是近些年来崭露头角的新技术!他代表包括无线通信在内的几乎所有的无线电电子信息系统的发展趋势)为适应其发展!有必要对基于滤波器组的信道化方法进行研究) 理想的软件无线电结构$ $% 在射频直接采样数字化!其核心思想就是将N &*!*&N 变换器尽量靠近天线!在对信号充分数字化的基础上依靠软件来实现无线电的各项功能)但是现阶段!由于受微电子技术水平的限制!直接对射频"t + ’进行采样还很难实现!成本上亦不合算)所以!在目前的软件无线电研究中!大部分都是首先将射频信号转换到中频!然后在中频对模拟信号进行数字化)数字中频软件无线电加上少量的高频模拟前端正逐渐成为理想 软件无线电的一种经济实用的选择$#%)中频软件无线电接 收机的结构如图$所示) 对于单一信道而言!使用宽带N &*!*_’和通用P ’W 的软件无线电方法比传统的使用硬件集成的技术要昂贵的多!而目前多通道接收机"数字下变频器’已有上市!如 f S d R e j \a 公司"原V X e e \j 公司的半导体部分’的V _’ %&#$(!Z e X Y P Q \x 公司的Z P 2&$(!N S X a ^T *R i \‘R j 公司的N *((#2和_^b d P R a a 等)但这些接收机的主要问题是!必须事先确知在哪个信道上有信号!或者用一个全景接收机对整个频 段进行搜索和监视以确定信号的位置$3%)然而!如果搜索 速度不够快! 就会产生漏警现象以至于无法进行全概率的信号截获)本文所讨论的基于滤波器组的信道化接收机就是能够完成全概率信号截获的接收机) 图$中频宽带接收机实现框图 )信道化接收机 信道化接收机瞬时频带宽-动态范围大!能实现超宽带侦察)传统的技术是采用模拟电路来实现信道化!即(用模拟滤波器组把侦察频率范围分割为许多邻接的信道!如图#所示) 显然!当瞬时频带很宽时!需要非常多的滤波器!接收机将变得非常庞大)而在软件无线电信道化技术中!则充分利用数字信号系统精确-灵活-造价低-速度快的优 4 $*现代电子技术+#&&%年第4期总第$0,期-通信与信息技术 . 万方数据

软件无线电技术的发展应用探究

软件无线电技术的发展应用探究 软件无线技术相对于传统的“纯硬件电路”具有非常大的优越性,以硬件为基础,软件在可以在此之上扩展更多的通信功能,使得设备的通信功能不再硬件锁限制,并且可以大大简化设备的硬件复杂程度,提升其可靠性、维护性,耐用性,并且由于软件的可升级性以及更加优良的兼容性,因此可以大大降低开发、生产、升级换代和维护成本。软件无线电技术是通信领域的第三次革命,前两次模拟通信和数字通信。目前新技术的发展重点基本都已开始转移软件之上。文章就软件无线电技术的发展和应用进行一些详细的探讨。 标签:软件无线电;软件无线电发展;软件无线电应用 1 软件无线电各个系统的作用 1.1 软件无线电技术与传统无线电技术的区别 软件无线电与软件控制无线电的区别在于软件无线电是开放并且标准化的,因此研究更加容易也更加灵活,设备具有的功能不再主要依赖系统的构架和硬件,转而开始依赖软件环境,通过改变软件来改变功能,使得系统、功能的升级或是不同系统间的兼容变得更加简单,升级换代所需要的时间大大缩短。而数字无线电主要依赖于硬件和系统结构的发展,使得环境更加封闭,不利于推广交流,一旦出现问题,需要花费相当多的人力、物力以及时间。 1.2 软件无线电技术硬件平台解析 软件无线电是一个标准化、开放式的平台,以硬件作为基础,将编写好的指令预先录入,用以操纵硬件进而实现尽可能多的无线通信功能,可以通过改变软件的方式改变软件无线电所具有的功能,并可因此减少硬件模块的数量和复杂程度,所具备的灵活性、集中性、维护性无可比拟。一个典型的软件无线电需要以下的硬件系统:射频、中频、基带、信源、信令,软件部分则为数字信号处理器(DSP),DSP通过录入程序,可以对带宽、频率、调制模式、信源解码等进行控制,因此DSP处理性能的强弱直接影响通信功能的数量和质量。通过录入程序,DSP控制各个系统,实现无线电软件具体化。 1.2.1 天线 天线是保证信号的基础,理论上天线最好应该能覆盖全部的通信频段,但在实际应用中,并不能做到覆盖如此多的频段,更多的时候需要能保证完美适配软件所需的、线性性能较好的频段,使用组合式多频段天线,通过测试自动寻找干扰较小,流量宽松的频段,因此就有多频段天线和宽带天线,其二者都可以为软件无线电技术提供信号的保障,而区别主要在于多频段可在分离的不同频段上工作,而宽带则意味着是连续的宽频。而调频、信号接收、算法优化仍然是天线在无线电技术中的关键。

用fpga实现数字下变频

用FPGA实现数字下变频 杨力生,谭晓衡,杨士中 (重庆大学通信工程学院,重庆 400044) 摘要:在接收信号的数字化、软化的实现中,数字下变频起着重要的作用。本文首先介绍了数字下变频的组成结构,然后详细分析了数字下变频的工作原理,描述了在实现数字下变频时,设计方案所采用的高效滤波器——CIC滤波器和多相抽取滤波器的结构和原理。最后,用通过Simulink对数字下变频的性能进行了仿真。在仿真的基础上使用Insight公司的FPGA开发系统,用测试电路实测了数字下变频的性能。 关键词:数字下变频器;FPGA;CIC数字滤波器;多相滤波器 Realize Digital Downconversion by FPGA YANG Li-sheng, TAN Xiao-heng, YANG Shi-zhong (Communication Engineering School, Chongqing University, Chongqing400044, China) Abstract: Digital downcoversion plays a key role in the digitized and software-oriented process of the received signal. First, the architecture of the digital downconvertor (DDC) is introduced.Then the operational principle of DDC is analysed.At the same time, the efficient structure of digital filter is described in which DDC is adopted.Finally, the performance simulation results of the DDC is given by Simulink, and on this base,the perfomance of DDC is tested with the FPGA devoloping system of Insight corp. Keywords:Digital downcovertor; FPGA;CIC digital filter;Polyphase filter 一、序言 在数字接收机中,数字下变频器(DDC)一般执行信道的访问功能。DDC接收经过高速采样的中频信号,将所需的频带下变为基带。现代基站收发器为了支持多载波环境或实现下变频,以便将很多窄带信道组合成一个宽带的数字信号,常常需要大量的DDC。DDC通常位于信号处理链的前端,靠近A/D,一般要求DDC 支持100 MSPS以上的采样率。 数字下变频由数字振荡器、数字乘法器、数字滤波器三部分组成,其组成的系统框图如图1所示。

FPGA在软件无线电中的应用

Altera中文资料 FPGA在软件无线电中的应用 介绍 软件无线电(SDR)是具有可重配置硬件平台的无线设备,可以跨多种通信标准。它们因为更低的成本、更大的灵活性和更高的性能,迅速称为军事、公共安全和商用无线领域的事实标准。SDR成为商用流行的主要原因之一是它能够对多种波形进行基带处理和数字中频(IF)处理。IF处理将数字信号处理的领域从基带扩展到RF。支持基带和中频处理的能力增加了系统灵活性,同时减小了制造成本。 基带处理 无线标准不断地发展,通过先进的基带处理技术如自适应调制编码、空时编码(STC)、波束赋形和多入多出(MIMO)天线技术,支持更高的数据速率。基带信号处理器件需要巨大的处理带宽,以支持这些技术计算量的算法。例如,美国军事联合战术无线系统(JTRS)定义了军事无线中20多种不同的无线波形。一些更复杂的波形所需的计算能力在标准处理器上是每秒数百万条指令(MIPS),或者如果在FPGA实现是数千个逻辑单元。 协处理器特性 SDR基带处理通常需要处理器和FPGA。在这类应用中,处理器处理系统控制和配置功能,而FPGA实现大计算量的信号处理数据通道和控制,让系统延迟最小。当需要从一种标准切换至另一种标准时,处理器能够动态地在软件的主要部分间切换,而FPGA 能够根据需要完全重新配置,实现特定标准的数据通道。 FPGA可以作为协处理器同DSP和通用处理相连,这样具有更高的系统性能和更低的系统成本。自由地选择在哪实现基带处理算法为实现SDR算法提供了另一种方式的灵活性。 基带部件也需要足够灵活让所需的SDR功能支持在同一种标准增强版本之间的移植,

并能够支持完全不同的标准。可编程逻辑结合软核处理器和IP,具有了提供在现场远程升级的能力。图1 是一个框图,其中FPGA能够通过IP功能如Turbo编码器、Reed-Solomon编码器、符号交织器、符号映射器和IFFT,很容易地重配置支持WCDMA/HSPDA或802.16a标准的基带发送功能。 图1. 两种无线信号的SDR基带数据通道重配置例子 数字IF处理 数字频率变化具有比传统模拟无线处理方式更高的性能。FPGA提供了一种高度灵活和集成的平台,在这之上以合理的功率实现大计算量的数字IF功能,这在便携系统中是一个关键的因素。能够在FPGA实现的IF功能包括数字上变频器(DUC)和下变频器(DDC),以及数字预畸变(DPD)和波峰系数削减(CFR),帮助降低功放的成本和功率(见图2)

软件无线电技术简介及特点应用

软件无线电技术简介及特点应用 发表时间:2019-09-10T10:31:29.547Z 来源:《科学与技术》2019年第08期作者:刘建新[导读] 软件无线电技术的出现是通信领域继摸拟通信到数字通信,固定通信到移动通信之后第三次革命。 海南三亚92823部队 软件无线电技术,顾名思义是用现代化软件来操纵、控制传统的"纯硬件电路"的无线通信。软件无线电技术的重要价值在于:传统的硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平台,而许多的通信功能则是由软件来实现,打破了有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。软件无线电技术的出现是通信领域继摸拟通信到数字通信,固定通信到移动通信之后第三次革命。 1.起源 软件无线电最初起源于军事通信。军用电台一般是根据某种特定用途设计的,功能单一。虽然有些电台基本结构相似,但其信号特点差异很大,例如工作频段、调制方式、波形结构、通信协议、编码方式或加密方式不同。这些差异极大地限制了不同电台之间的互通性,给协同作战带来困难。同样,民用通信也存在互通性问题,如现有移动通信系统的制式、频率各不相同,不能互通和兼容,给人们从事跨国经商、旅游等活动带来极大不便。为解决无线通信的互通性问题,各国军方进行了积极探索。完整的软件无线电 (Software Definition Radio)概念和结构体系是由美国的Joe.Mitola首次于1992年5月明确提出的。其基本思想是 :将宽带A/D 变换尽可能地靠近射频天线 ,即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化 ,最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法 ,软件无线电可以实时地配置信号波形 ,使其能够提供各种语音编码、信道调制、载波频率、加密算法等无线电通信业务。软件无线电台不仅可与现有的其它电台进行通信 ,还能在两种不同的电台系统间充当“无线电网关”的作用 ,使两者能够互通互连。 软件无线电充分利用嵌入通信设备里的单片微机和专用芯片的可编程能力 ,提供一种通用的无线电台硬件平台 ,这样既能保持无线电台硬件结构的简单化 ,又能解决由于拥有电台类型、性能不同带来的无线电联系的困难。 2.软件无线电台的功能结构 图1给出了典型的软件无线电系统的结构简图 ,包括天线、多频段射频变换器、含有A/D 和D/A变换器的芯片以及片上通用处理器和存储器等部件 ,可以有效地实现无线电台功能及其所需的接口功能。 其关键思想以及与传统结构的主要区别在于 : (1)将A/D 和D/A向RF端靠近 ,由基带到中频对整个系统频带进行采样。 (2)用高速DSP/CPU代替传统的专用数字电路与低速DSP/CPU做A/D 后的一系列处理。A/D 和D/A移向RF端只为软件无线电的实现提供了必不可少的条件 ,而真正关键的步骤是采用通用的可编程能力强的器件 (DSP和CPU等 )代替专用的数字电路 ,由此带来的一系列好处才是软件无线电的真正目的所在。 典型的软件无线电台的工作模块主要包括实时信道处理、环境管理以及在线和离线的软件工具三部分。 1)实时信道处理 实时信道处理包括天线、射频变换、A/D 和D/A变换器、中频处理、基带与比特流处理及信源编码。其中射频变换包括输出功率的产生、前置放大、射频信号变换为标准中频或由标准中频变换为射频信号 ,以适应宽带A/D和D/A变换。中频处理部分变换调制基带和中频之间的发射和接收信号。比特流部分数字复用由多个用户产生的信源编码比特流 ,而且相反的使它们成帧或多路分解。还提供信令、控制和操作、管理和维护功能。实时信道处理部分最合适的结构是多指令多数据 (MIMD)多处理器的结构 ,即将多处理器组成一个流水线 ,来实现模块分配给内部连接在一起的各个处理器的不同的功能序列。 2)环境管理 在准实时环境管理模块中持续地使用频率、时间和空间特征来表征无线电环境 ,这些特征包括信道识别和估计其它参数。环境管理模块使用操作的块结构很容易用一台MIMD并行处理器来实现。这种高度的并行环境管理模块和流水线工作方式的实时信道处理模块之间的接口必须使环境管理的参数和信道处理模块同步。 3)在线和离线的软件工具

用MATLAB在FPGA芯片中实现数字下变频设计

收稿日期:2004-09-16 第22卷 第12期 计 算 机 仿 真 2005年12月 文章编号:1006-9348(2005)12-0303-04 用M ATLAB 在FPGA 芯片中实现数字下变频设计 贾雪琴,李强,王旭,李景宏 (东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004) 摘要:数字下变频在接收系统的数字化和软件化过程中起到了至关重要的作用。该文研究了高倍抽取的数字下变频设计,重点分析了基于级联积分梳状滤波器和级联半带滤波器的多级抽样频率算法。采用最新的设计软件Systemgenerator 软件可以方便地在MAT LAB 中实现算法仿真并可生成FPG A 芯片的下载文件,简化了设计流程,降低了开发成本和周期。提出了一种基于计算机IS A 总线的系统验证方法。用Systemgenerator 设计和仿真基于FPG A 芯片的的硬件设计有效地验证了算法并降低了试验成本,是一种好方法。 关键词:数字下变频;半带滤波器;级联积分梳状滤波器;现场可编程门阵列中图分类号:T N998 文献标识码:A Rea liza tion of D ig ita l D own Conversion i n FPGA Ch ip by Usi ng M ATLAB J I A Xue -qin,L IQ iang,WAN G Xu,L I J ing -hong (College of Infor mation Science &Engineering,Northeastern University,Shenyang L iaoning 110004,China )ABSTRACT:D igital down conversion p lays a key role in the digitized and soft ware -oriented p rocess of the receiver system.This paper studies the high deci m ation ratio of digital down converter,and especially analyzes the multi -stage deci mation algorithm based on C I C filter and HB filter . It w ill reduce the cost and the development ti m e by using the newest Systemgenerator which can si m ulate the design and download it to FPG A easily .And verifying the design w ith an IS A bus of computer w ill save lots of money,effectively .U singMAT LAB design and si mulation hardware p rojects based on FPG A is a good method .KEYWO RD S:DDC;HB -filter;C I C -filter;FPG A 1 序言 现代数字信号处理中,为了满足系统的性能而使用可变 频率来实现数字信号处理的过程,称为多速率数字信号处理(multirate digital signal p rocessing ),而其中以数字下变频(DDC )技术应用最为广泛。它将采样后的数据传输速率降低到最小,使信号接收系统的数字化和软件化得以实现。与早期的由分立式器件组合而成的下变频器相比,目前市场上出现了多种集成下变频器(如:AD6620,HSP50124b 等),广泛应用于无线电通讯和数据采集等领域。 本文提出一种采用FPG A 器件来实现数字下变频的方案。与集成器件相比,FPG A 芯片在速度和灵活性上都有很大的提高。并且,使用FPG A 器件实现的下变频器可以更加方便的采用软件方法对射频链路上引入的干扰进行有效的补偿,同时也可将存储器、控制器等外围器件集成到芯片内部,提 高了整个系统的稳定性和集成度。 本设计选用Xilinx 公司的Spartan3系列芯片为设计对象,采用Xilinx 公司与M athwork 公司合作的Systemgenerator 软件进行设计与仿真。该软件的使用,使得Xilinx 公司提供的IPcore 和M atlab 中的si m ulink 工具得到完美结合,令计算结果可以更加直观的表现出来。并且,可以将设计模型直接编译成可在FPG A 器件中布局布线的网表文件。成功地解决了算法研究人员和硬件实现工程师之间的工作协调问题,使得用户能够以最快的速度将他们的算法得到硬件实现。 2 数字下变频原理与实现 如图1所示,数字下变频器主要由数字混频器和数字滤波器组两部分组成。混频器部分由DDS 和两路乘法器组成,数字滤波器部分主要由级联积分梳状滤波器(以下称C I C 滤波器),半带滤波器(以下称HB 滤波器)和后级F I R 滤波器组成的链路构成。2.1 混频器 软件无线电系统接收到的数据是对自然信号调制产生 — 303—

软件无线电的应用

软件无线电的应用 软件无线电的应用 摘要:软件无线电技术正日益广泛地应用于现代通信的各个领域。 关键词:软件无线电;数字信号处理;调制解调;数字广播;世界数字广播 软件无线电是随着计算机技术、高速数字处理技术的迅速发展而发展起来的,其基本思想就是将宽带A/D/A变换器尽可能地靠近天线,将电台的各种功能尽量在一个开放性、模块化的平台上由软件来确定和实现。该平台的调制方式、码速率、载波频率、指令数据格式、调制码型等系统工作参数具有完全的可编程性 1 用软件无线电技术实现卫星控制平台 传统的卫星测控平台存在着性能不完善,调制方式、副载波、码速率组态不灵活,体积偏大等问题。研制和开发通用化、综合化、智能化的测控平台,通过注入不同的软件,实现对调制载频、调制方式、传输码速率等参数的改变,应用于各种轨道卫星平台的遥测遥控任务。 软件无线电技术正日益广泛地应用于现代通信的各个领域。随着A/D/A器件与DSP处理器的迅速发展,使得软件无线电技术广泛地应用于陆上移动通信、卫星移动通信与全球定位系统等。 用软件无线电技术实现卫星控制平台包括软件无线电通用平台 的DSP技术和DSP实现信号调制和解调。其中软件无线电通用平台的DSP技术又包括 TMS320C6701 DSP芯片,DSP技术在软件平台中的应用,调制器与解调器。DSP实现信号调制和解调又包括信号调制,信号解调。 软件无线电通用测控平台是卫星测控平台发展的方向,可以很好地解决原来平台开发成本高、周期长、通用性差的问题。以新一代DSP芯片TMS320C6000作为软件无线电平台的核心,可以很好地满足需要,且有较大的冗余度,利用升级。

软件无线电技术简介(精)

软件无线电技术简介 软件无线电技术,顾名思义是用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信。软件无线电技术的重要价值在于:传统的硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平台,而许多的通信功能则是由软件来实现,打破了有史以来设备的通信功能的实.. 软件无线电技术,顾名思义是用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信。软件无线电技术的重要价值在于:传统的硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平台,而许多的通信功能则是由软件来实现,打破了有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。软件无线电技术的出现是通信领域继固定通信到移动通信,摸拟通信到数字通信之后第三次革命, 软件无线电的基本思想就是将宽带模数变换器(A/D及数模变换器(D/A尽可能 地靠近射频天线,建立一个具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、开放的硬件平台,在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块。如使用宽带ADC通过可编程数字滤波器对信道进行分离;使用数字信号处理器(DSP技术,通过软件编程来实现各种通信频段的选择,如HF、VHF、UHF和SHF等;通过软件编程来完成传送信息抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换,以实现射频电台的收发功能;通过软件编程实现不同的信道调制方式的选择,如调幅、调频、单边带、数据、跳频和扩频等;通过软件编程实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能等。软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。 DSP技术是软件无线电手机的基础。目前尽管低功耗DSP、超强功能DSP发展迅速,但DSP在速度、功耗上的现状仍然是制约软件无线电发展的关键。DSP的另一研究内容就是软件,软件是软件无线电技术的核心。在目前DSP不能满足软件无线电设计要求的情况下,开发DSP的数字信号处理软件应是软件无线电技术的主攻方向。这其中包括各种FFT算法,调制解调、信源编码、信号编码等各种通信软件,也包括方式控制、信号控制和数据交换软件。

一种基于FPGA的数字下变频方法

*收稿日期:2006-09-11 文章编号:1008-8652(2007)02-84-06一种基于FPGA 的数字下变频方法 涂维政 刘书明 (西安电子科技大学 西安 710071) =摘要> 提出用FPGA 器件实现一个完整的数字下变频系统的方法,给出VerilogH DL 语言 的描述,实现高效的运算结构,减小了运算量,提高了系统性能。本系统已经在某型气象雷达的数字接收系统中得到采用,参数得到验证,性能优良。 关键词:FPGA ;VerilogH DL;欠采样技术;数字下变频;多抽样率系统 中图分类号:T N74211 文献标识码:A A Method of Digital Down Converting Based on FPGA T u Weizheng Liu Shuming (X idian Univ ersity ,X i .an,710071) Abstract :A method of using FPGA device to realize dig ital dow n converting system is presented,and the descr iptio n of Verilog H DL language is g iv en so that the hig h efficiency operational structure is fu-l filled,and the oper and is reduced and the system perform ance is enhanced.T his m ethod has been adopted in the digital receiving subsy stem of a certain m eteoro logical radar,and the specificatio ns are verified and the perfo rmance is perfect. Keywords :FPGA;Verilog H DL;under sampling techno log y;digital dow n converter;multiple sam -pling rate system 随着数字技术的飞速进步和发展,FPGA 器件因其高速、可编程、模块化的特点而被大量采用。同时,诸如数字下变频等一系列新的数字信号处理方法的提出,为降低系统成本提供了可能,相关的多抽样率系统理论,更是大大的降低了数字系统的运算量,明显的提升了系统性能。 本文论述数字下变频技术的一种FPGA 实现方法,用比较低的系统成本,实现比较高的谱分辨率的数字接收系统,完成对气象信号的有效处理。实际的系统选用48M H z 时钟对60MH z 的雷达中频信号采样,然后经过FPGA 的数字下变频及其滤波处理,得到信号的包络和相位信息。 1 欠采样技术 为了降低对ADC 器件的要求,对于低通、带通信号,可以用带通信号的采样方法,在低于奈奎斯特采样率时进行数模转换:只要采样率不低于两倍信号带宽f h -f l ,时域的采样就不会导致信号频谱的混叠,如公式(1)所示: 2f h N +1[f S [2f l N (1)其中,N 为自然数,且1[N [f l f h -f l 。84

4G中软件无线电技术的应用

4G中软件无线电技术的应用 日期:2007年6月18日作者:查看:[大字体中字体小字体] ? ? 作者:岳斌 摘要:本文简要介绍了软件无线电技术及其发展概况,并着重列举了其在当前通信领域,以及在未来第四代移动通信(4G)中的应用。 关键词:移动通信4G软件无线电技术DSP 智能天线 一、引言 以现代通信理论为基础,以数字信号处理为核心,以微电子技术为支持的软件无线电(SoftwareRadio)或者称软件可定义的无线电(Software-DefinedRadio)提供了一条满足未来个人通信需要的思路。 软件无线电突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性,强调以开放性的最简硬件为通用平台,尽可能地用可升级、可重配置不同的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路。其中心思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。 二、软件无线电关键技术 一个理想的软件无线电的组成结构如图1所示。软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段,要求每个频段的特性均匀,以满足各种业务的需求。射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务,接受时实现滤波、放大、下变频等功能。而模拟信号进行数字化后的处理任务全由DSP软件承担。为了减轻通用DSP的处理压力,通常把A/D转换器传来的数字信号,经过专用数字信号处理器件处理,降低数据流速率,并且把信号变至基带后,再把数据送给通用DSP进行处理。

数字中频的基本原理和FPGA的实现

数字中频的基本原理和FPGA 的实现 1.基本原理 数字中频主要分两部分,数字上变频(DUC )和数字下变频(DDC)。它们的主要功能是相反,但原理和实现的方法是十分相似。在R8905项目中由于采用了零中频技术,数字上变频和下变频有一些差别,数字上变频没有了NCO 模块。另外为了降低输出信号的峰均比又加入了削峰模块CFR,而CGC 模块的引入则是补偿削峰所引起的功率损失。 图1 数字上变频模块框图 在数字下变频中RSSI 模块是信号的功率检测模块,它配合AGC 电路将信号的输出功率稳定在一定范围内。 图2 数字下变频模块框图 在DDC 和DUC 中主要使用3种滤波器分别是RRC,HB 和CIC ,它们个自有个自的特点。 RRC 滤波器一般来讲阶数比较多,多用于低频处。由于它的阶数比较多,所以可以得到比较锐利的带通特性,但它所用的乘法器比较多。CIC 滤波器不需要乘法器,但它的带内不是很平坦,适合用在高频处。而HB 滤波器的特性正好在它们之间,它有约一半的系数是0可以讲乘法器的个数减少一半。 削峰模块CFR 实际上也是一组滤波器,它的功能是将CDMA 信号中的峰值信号减小一些,以减小输出信号的峰均比,使射频功率放大器的效率更高。削峰的模块框图如图3

图3 单级削峰示意图 削峰的原理是这样的一个复信号(I,Q)如果它的模大于某个门限,就将其减去这个门限得到一个复信号(dI,dQ),否则(dI,dQ)=(0,0)。将(dI,dQ)送到fir滤波器中,fir滤波器是一个低通滤波器将峰值限定在一定的带宽内,防止影响临道。将原信号(I,Q)减去滤波后的信号(fir_i,fir_q)就得到了削峰的值。如果有必要这这样的削峰可以连续做几次,在R8905设计中削峰用了两次。 2.滤波器的设计 由于在滤波的同时还有内插和抽取,所以充分利用这一特性可以减少FPGA使用的资源。 另外滤波器的系数一般都是对称的,可以将头和尾的数相加再乘滤波器的系数,这样可以大大减少乘法器的使用。以R8905中的上变频RRC为例来说明: 设a(n)为RRC滤波器的系数而x(n)为3.84M输入数据则考虑了内插后的滤波器的数学表达式为 y=a(0)*x(n)+a(1)*0+a(2)*x(n-1)+.........+a(n-1)*0+a(0)*x(0) =a(0)*(x(n)+x(0)) +a(2)*( x(n-1)+x(1))...... 其FPGA实现的逻辑框图如下

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