基于FPGA 的數(shù)字中頻接收系統(tǒng)

《基于FPGA 的數(shù)字中頻接收系統(tǒng)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《基于FPGA 的數(shù)字中頻接收系統(tǒng)（6頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 文章編號：1009-8119（2006）01-0043-02 基于FPGA的數(shù)字中頻接收系統(tǒng) 趙國棟 郭德淳 （北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100081） 摘 要 對基于軟件無線電的數(shù)字中頻接收系統(tǒng)進(jìn)行了討論，對基于FPGA的數(shù)字下變頻模塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出了具體設(shè)計(jì)方案。 關(guān)鍵詞 軟件無線電，數(shù)字中頻，數(shù)字下變頻器，F(xiàn)PGA，DDC Digital Intermediate Frequency Receiving System Based on FPGA Zhao Guodong Guo Dechun （School of Inform

2、ation and Science，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081） Abstract In this paper，some techniques in digital intermediate frequency receiving system were introduced。The DDC based on FPGA is studied, and one specific design is given too. Keywords Software radio，Digital intermediate freq

3、uency，CIC，F(xiàn)PGA，DDC 6 1 引言 軟件無線電技術(shù)是現(xiàn)代無線電技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，它不僅是軍事研究的課題，而且已成為當(dāng)前新一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。軟件無線電的核心思想是構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶A/D轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)[1] 軟件無線電技術(shù)極大地促進(jìn)了數(shù)字中頻接收技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字中頻接收系統(tǒng)采用寬帶中頻結(jié)構(gòu)，對信號在中頻進(jìn)行寬帶數(shù)字化處理，不僅在一定程度上簡化了接收機(jī)前端電路設(shè)計(jì)，而

4、且配以后續(xù)的數(shù)字化處理，具有更好的波形適應(yīng)性、信號帶寬適應(yīng)性以及可擴(kuò)展性，是近期最為可行的一種設(shè)計(jì)方案。 2 數(shù)字中頻接收系統(tǒng) 數(shù)字中頻接收系統(tǒng)的框圖如圖1所示。 ADC 數(shù)字下變頻及抽取濾波 DSP +軟件 中頻輸入 基帶信號 圖1 數(shù)字中頻接收系統(tǒng) 數(shù)字中頻接收系統(tǒng)是由高速ADC模塊、數(shù)字下變頻及抽取濾波處理模塊,以及專用數(shù)字信號處理（DSP）模塊組成。輸入的模擬中頻信號先經(jīng)過高速ADC模塊，在中頻進(jìn)行帶通采樣數(shù)字化，然后進(jìn)行數(shù)字下變頻，將感興趣的信號轉(zhuǎn)換至基帶，同時(shí)做抽樣率轉(zhuǎn)換及濾波處理，之后由后續(xù)的專用數(shù)字信號處理器（DSP）進(jìn)基帶信號處理。 中頻采樣由高速AD

5、C來完成，由于中頻數(shù)字接收系統(tǒng)是對信號在中頻進(jìn)行數(shù)字化，因此選用帶通欠采樣（相對于載波信號）的方法，用相對較低的采樣速率來反映信號的特性，不僅可以大大降低采樣速率，同時(shí)還可以完成頻譜下搬移的過程，在很大程度上減少了后面DSP芯片信號處理的負(fù)擔(dān)。 A/D采樣之后的數(shù)字信號速率非常高，要從這些高速信號中得到有用的基帶信號，需要有效地對其進(jìn)行數(shù)字下變頻、抽取、濾波等處理，這些功能可以采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）來實(shí)現(xiàn)。FPGA具有較高的處理速度和較高的穩(wěn)定性，同時(shí)又具有設(shè)計(jì)靈活、易于修改和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)不同的系統(tǒng)的要求，采用靈活的結(jié)構(gòu)滿足不同的需要，提高了系統(tǒng)的適用性及可擴(kuò)展性。 專用

6、數(shù)字信號處理器（DSP）主要是通過軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號處理以及比特流控制、編碼解碼等高速的數(shù)據(jù)交換和處理功能。DSP的運(yùn)算速度和精度決定著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)也會對整個(gè)系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。 在本文所設(shè)計(jì)的中頻數(shù)字化接收系統(tǒng)中，輸入信號為中頻70MHz，帶寬2MHz，A/D轉(zhuǎn)換器采用AD公司的AD6645,采樣精度14位，采樣頻率60MHz，數(shù)字下變頻模塊將其轉(zhuǎn)換為正交數(shù)字基帶信號，并實(shí)現(xiàn)10倍抽取，輸出的6MHz速率數(shù)據(jù)送入專用數(shù)字信號處理器進(jìn)行基帶數(shù)字信號處理。 3 基于FPGA的數(shù)字下變頻及抽取濾波設(shè)計(jì) 數(shù)字下變頻克服了模擬下變頻中存在的混頻器的非線性和模擬本振的

7、頻率穩(wěn)定度、邊帶、相位噪聲、溫度漂移、轉(zhuǎn)換速率等問題，其頻率步進(jìn)、頻率間隔也具有理想的特性，因而得到了廣泛應(yīng)用[1]。數(shù)字下變頻原理框圖如圖2所示。 五級CIC濾波器 補(bǔ)償濾波器 半帶濾波器 圖4 多級抽取濾波整體方案 抽取濾波 抽取濾波 NCO 圖2 數(shù)字下變頻框圖 數(shù)字下變頻由數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器（Numerically Controlled Oscillator—NCO）、和抽取濾波部分組成。NCO產(chǎn)生的正交本振信號輸入到數(shù)字混頻器與輸入信號進(jìn)行混頻，經(jīng)混頻后的信號輸出到抽取濾波器以濾除倍頻分量和帶外信號，并進(jìn)行抽取處理。

8、3.1 數(shù)控振蕩器（NCO） 數(shù)控振蕩器（NCO）是決定數(shù)字下變頻（DDC）的性能的主要因素之一。NCO的目標(biāo)是產(chǎn)生頻率可變的正交正、余弦樣本，在FPGA中，NCO采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）的方法來實(shí)現(xiàn)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示[2]。 CLK 量化 正余弦查找表 CLK 相位偏置 相位累加器 圖3 NCO實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖 NCO由相位累加器、相位加法器和正余弦查找表組成。相位增量通過相位累加器后得到相應(yīng)的相位信息，每來一個(gè)時(shí)鐘相位就在原來的基礎(chǔ)上增加一個(gè)相位增量，相位加法器可產(chǎn)生一定的初始相位偏置，對NCO的輸出相位進(jìn)行調(diào)整。DDS

9、的輸出頻率為：，頻率分辨率為：，相位增量可由以下公式確定：，其中為相位累加器的位數(shù)，為量化截?cái)嗪蟮奈粩?shù)。當(dāng)?shù)娜≈禐楣潭ㄖ禃r(shí)，DDS輸出為固定頻率信號；當(dāng)相位增量設(shè)為外部輸入可變值時(shí)相應(yīng)的DDS的輸出可為掃頻信號[2]。 本設(shè)計(jì)所采用的是固定輸出頻率信號，乘法器的位數(shù)是28位，DDS的相位累加器位數(shù)是32位，頻率分辨率為0.1Hz，查找表地址寬度為12位，正弦值數(shù)據(jù)位數(shù)為16位。 3.2 多級抽取濾波器的設(shè)計(jì) 數(shù)字混頻之后的信號具有很高的數(shù)據(jù)速率，需要進(jìn)行降速率抽取處理，要實(shí)現(xiàn)無失真的抽取，必須設(shè)計(jì)高效的抽取濾波器來防止頻率混疊。根據(jù)本設(shè)計(jì)中中頻數(shù)字接收系統(tǒng)的要求，采用3級級聯(lián)抽取來實(shí)現(xiàn)總

10、抽取因子D＝10的降速率處理，具體方案如下：選取第一級抽取因子,采用五級級聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器實(shí)現(xiàn)，CIC濾波器輸入數(shù)據(jù)流的速率為60MHz，輸出速率為12MHz；第二級抽取因子，采用補(bǔ)償濾波器用來對前級CIC濾波器的幅度特性進(jìn)行補(bǔ)償；第三級抽取因子D3＝2，用半帶濾波器來實(shí)現(xiàn)，半帶濾波器的輸入數(shù)據(jù)率為12MHz，輸出數(shù)據(jù)率為6MHz。整體方案如圖4所示。 3.2.1 積分梳狀（CIC）濾波器的設(shè)計(jì) 當(dāng)延遲系數(shù)為1時(shí)，級聯(lián)梳狀濾波器的頻譜的零點(diǎn)出現(xiàn)在處，D為抽取因子。對于CIC抽取濾波器，在零點(diǎn)附近區(qū)域會出現(xiàn)混疊帶，這些混疊帶將被折疊進(jìn)通帶引起混疊。在單級CIC濾波器中，如果信號帶寬

11、較窄，且CIC濾波器的幅頻響應(yīng)在處的衰減值足夠大，則抽取后在其信號帶寬內(nèi)的混疊可忽略不計(jì)。如果單級衰減不滿足要求,則可采用級聯(lián)的方式, 這時(shí)的阻帶衰減為單級的Q倍,即Q, Q為級數(shù)[3]。 CIC 濾波器設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意，在信號帶寬處的幅度不能夠下降太多,即在處的衰減不能太大。與阻帶衰減相同，Q級CIC濾波器的通帶衰減為Q。因此,多級級聯(lián)雖然可以增大阻帶衰減,減小混疊影響,但會增大帶內(nèi)衰減,因此，CIC濾波器的級聯(lián)數(shù)不能過大[3]。 對于本文所討論的無混疊信號帶寬，因此，有：。由式5.1和式5.2得，，。由于單級衰減太小，不滿足要求，此時(shí)可采用5級級聯(lián)，此時(shí)其阻帶衰減為，通帶衰減為，因此，采

12、用5級級聯(lián)，其阻帶衰減足夠滿足系統(tǒng)的要求。 五級級聯(lián)CIC濾波器的幅度響應(yīng)如圖5所示。 圖5 五級級聯(lián)積分梳狀濾波器 3.2.2 補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì) 經(jīng)過5級CIC濾波器的5倍抽取之后，信號的輸出采樣率為12MHz。在歸一化頻率為0.3333的頻率上，阻帶抑制達(dá)到－69.9dB，滿足系統(tǒng)的要求，然而在通帶截止頻率處，波動系數(shù)約為－1.93dB，對通帶內(nèi)的信號來說，仍會造成很大的衰減。因此，在第二級抽取中，設(shè)計(jì)與5級級聯(lián)CIC濾波器幅度響應(yīng)相匹配的補(bǔ)償濾波器，對其幅度響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，使通帶內(nèi)的衰減和波動達(dá)到較好的指標(biāo)。 補(bǔ)償濾波器的幅度響應(yīng)如圖6所示。 圖

13、6 補(bǔ)償濾波器的幅度響應(yīng) 圖6 補(bǔ)償濾波器的幅度響應(yīng) 經(jīng)過補(bǔ)償濾波器（CFIR）的優(yōu)化補(bǔ)償之后，在歸一化頻率為0.0667的頻率上的波動系數(shù)為0.0792dB，比未補(bǔ)償前有了很大的改善。 3.2.3 半帶濾波器的設(shè)計(jì) 經(jīng)過CIC濾波器的5倍抽取之后，信號的輸出采樣率為12MHz，此時(shí)信號再通過半帶濾波器進(jìn)行第三級抽取。半帶濾波器的輸入采樣頻率為12MHz，輸出采樣率為6MHz，通帶寬度，則，這時(shí)的采樣率是經(jīng)過前一級后的輸出采樣頻率12MHz。由于在半帶濾波器中有關(guān)系式，所以阻帶截止頻率，取通帶截止頻率，阻帶誤差容限，即阻帶衰減為60dB按以上參數(shù)設(shè)計(jì)半帶濾波器，其幅度響應(yīng)如圖7所示

14、。 圖7 半帶濾波器幅度響應(yīng) 4 結(jié)束語 本文提出了一種基于軟件無線電的數(shù)字中頻接受系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了一個(gè)高速ADC+FPGA+DSP的硬件平臺。以此平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)的要求對數(shù)字下變頻及多級抽取濾波器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過仿真驗(yàn)證了抽取濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)。本文采用FPGA+DSP的結(jié)構(gòu)，既兼顧了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度和精度的要求，又發(fā)揮了FPGA和DSP設(shè)計(jì)靈活、易于修改和維護(hù)的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的適用性和擴(kuò)展性，基本達(dá)到了數(shù)字中頻接收機(jī)系統(tǒng)的要求。 參考文獻(xiàn) 1 楊小牛，樓才義，徐建良．軟件無線電原理與應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，2001：1 2 Digital Do

15、wn Converter V1.0，Data Sheet. Xlinx，Inc.,2002：5 3 申東，羅進(jìn)文．?dāng)?shù)字下變頻器中多級抽取濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004；23（4） 我的大學(xué)愛情觀 1、什么是大學(xué)愛情： 大學(xué)是一個(gè)相對寬松，時(shí)間自由，自己支配的環(huán)境，也正因?yàn)檫@樣，培植愛情之花最肥沃的土地。大學(xué)生戀愛一直是大學(xué)校園的熱門話題，戀愛和學(xué)業(yè)也就自然成為了大學(xué)生在校期間面對的兩個(gè)主要問題。 戀愛關(guān)系處理得好、正確，健康，可以成為學(xué)習(xí)和事業(yè)的催化劑，使人學(xué)習(xí)努力、成績上升；戀愛關(guān)系處理的不當(dāng)，不健康，可能分散精力、浪費(fèi)時(shí)間、情緒波動、成績下降。因此，大學(xué)生的戀愛觀

16、必須樹立在健康之上，并且樹立正確的戀愛觀是十分有必要的。因此我從下面幾方面談?wù)勛约旱膶Υ髮W(xué)愛情觀。 2、什么是健康的愛情： 1) 尊重對方，不顯示對愛情的占有欲，不把愛情放第一位，不癡情過分； 2) 理解對方，互相關(guān)心，互相支持，互相鼓勵(lì)，并以對方的幸福為自己的滿足; 3) 是彼此獨(dú)立的前提下結(jié)合； 3、什么是不健康的愛情： 1)盲目的約會，忽視了學(xué)業(yè); 2)過于癡情，一味地要求對方表露愛的情懷，這種愛情常有病態(tài)的夸張; 3)缺乏體貼憐愛之心，只表現(xiàn)自己強(qiáng)烈的占有欲; 4)偏重于外表的追求; 4、大學(xué)生處理兩人的在愛情觀需要三思： 1. 不影響學(xué)習(xí)： 大學(xué)戀愛可以說是

17、一種必要的經(jīng)歷，學(xué)習(xí)是大學(xué)的基本和主要任務(wù)，這兩者之間有錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，有的學(xué)生因?yàn)閻矍椋^分的忽視了學(xué)習(xí)，把感情放在第一位；學(xué)習(xí)的時(shí)候就認(rèn)真的去學(xué)，不要去想愛情中的事，談戀愛的時(shí)候用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。 2. 有足夠的精力： 大學(xué)生活，說忙也會很忙，但說輕松也是相對會輕松的！大學(xué)生戀愛必須合理安排自身的精力，忙于學(xué)習(xí)的同時(shí)不能因?yàn)楦星榈氖虑榉中?，不能在學(xué)習(xí)期間，放棄學(xué)習(xí)而去談感情，把握合理的精力，分配好學(xué)習(xí)和感情。 3、 有合理的時(shí)間； 大學(xué)時(shí)間可以分為學(xué)習(xí)和生活時(shí)間，合理把握好學(xué)習(xí)時(shí)間和生活時(shí)間的“度”很重要；學(xué)習(xí)的時(shí)候，不能分配學(xué)習(xí)時(shí)間去安排兩人的在一起

18、的事情，應(yīng)該以學(xué)習(xí)為第一；生活時(shí)間，兩人可以相互談?wù)剳賽?，用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。 5、大學(xué)生對愛情需要認(rèn)識與理解，主要涉及到以下幾個(gè)方面： （1） 明確學(xué)生的主要任務(wù) “放棄時(shí)間的人，時(shí)間也會放棄他?！贝髮W(xué)時(shí)代是吸納知識、增長才干的時(shí)期。作為當(dāng)代大學(xué)生，要認(rèn)識到現(xiàn)在的任務(wù)是學(xué)習(xí)——學(xué)習(xí)做人、學(xué)習(xí)知識、學(xué)習(xí)為人民服務(wù)的本領(lǐng)。在校大學(xué)生要集中精力，投入到學(xué)習(xí)和社會實(shí)踐中，而不是因把過多的精力、時(shí)間用于談情說愛浪費(fèi)寶貴的青春年華。因此，明確自己的目標(biāo)，規(guī)劃自己的學(xué)習(xí)道路，合理分配好學(xué)習(xí)和戀愛的地位。 （2） 樹林正確的戀愛觀 提倡志同道合、有默契、相互喜歡的愛情

19、：在戀人的選擇上最重要的條件應(yīng)該是志同道合，思想品德、事業(yè)理想和生活情趣等大體一致。 擺正愛情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系：大學(xué)生應(yīng)該把學(xué)習(xí)、事業(yè)放在首位，擺正愛情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系，不能把寶貴的大學(xué)時(shí)間，鍛煉自身的時(shí)間都用于談情說有愛而放松了學(xué)習(xí)。 相互理解、相互信任，是一份責(zé)任和奉獻(xiàn)。愛情是奉獻(xiàn)而不時(shí)索取，是擁有而不是占有。身邊的人與事時(shí)刻為我們敲響警鐘，不再讓悲劇重演。生命只有一次，不會重來，大學(xué)生一定要樹立正確的愛情觀。 （3） 發(fā)展健康的戀愛行為 在當(dāng)今大學(xué)校園，情侶成雙入對已司空見慣。抑制大學(xué)生戀愛是不實(shí)際的，大學(xué)生一定要發(fā)展健康的戀愛行為。與戀人多談?wù)剬W(xué)習(xí)與工作，把戀愛行為限

20、制在社會規(guī)范內(nèi)，不致越軌，要使愛情沿著健康的道路發(fā)展。正如馬克思所說：“在我看來，真正的愛情是表現(xiàn)在戀人對他的偶像采取含蓄、謙恭甚至羞澀的態(tài)度，而絕不是表現(xiàn)在隨意流露熱情和過早的親昵?！? （4） 愛情不是一件跟風(fēng)的事兒。 很多大學(xué)生的愛情實(shí)際上是跟風(fēng)的結(jié)果，是看到別人有了愛情，看到別人幸福的樣子（注意，只是看上去很美），產(chǎn)生了羊群心理，也就花了大把的時(shí)間和精力去尋找愛情 （5） 距離才是保持愛情之花常開不敗的法寶。 愛情到底需要花多少時(shí)間，這是一個(gè)很大的問題。有的大學(xué)生愛情失敗，不是因?yàn)槟信p方在一起的時(shí)間太少，而是因?yàn)樗麄冊谝黄鸬臅r(shí)間太多。相反，很多大學(xué)生戀愛成功，不是因?yàn)槟信p方在

21、一起的時(shí)間太少，而是因?yàn)樗麄儨?zhǔn)確地把握了在一起的時(shí)間的多少程度。 （6） 愛情不是自我封閉的二人世界。 很多人過分的活在兩人世界，對身邊的同學(xué)，身邊好友漸漸的失去聯(lián)系，失去了對話，生活中只有彼此兩人；班級活動也不參加，社外活動也不參加，每天除了對方還是對方，這樣不利于大學(xué)生健康發(fā)展，不僅影響學(xué)習(xí)，影響了自身交際和合作能力。 總結(jié)： 男女之間面對戀愛，首先要擺正好自己的心態(tài)，樹立自尊、自愛、自強(qiáng)、自重應(yīng)有的品格，千萬不要盲目地追求愛，也不宜過急追求愛，要分清自己的條件是否成熟。要樹立正確的戀愛觀，明確大學(xué)的目的，以學(xué)習(xí)為第一；規(guī)劃好大學(xué)計(jì)劃，在不影響學(xué)習(xí)的條件下，要對戀愛認(rèn)真，專一，相互鼓勵(lì)，相互學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步；認(rèn)真對待戀愛觀，做健康的戀愛； 總之，我們大學(xué)生要樹立正確的戀愛觀念，讓大學(xué)的愛情成為青春記憶里最美的風(fēng)景，而不是終身的遺憾！