基于FPGA的数字下变频器的设计与应用
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摘要
软件无线电的中心思想是构造一个具有开放性、标准化和模块化的通用硬件平台，将宽带A／D和D／A转换器尽可能靠近天线，用软件完成各种通信功能，以研制出高度灵活性和适应性的无线通信系统。A／D变换器制造技术的进步，其工作带宽覆盖到中频频段，并具有较高的采样频率和足够大的动态范围，从而使无线电接收机技术由基带数字化向中频数字化方向发展，因此，实现基于带通采样定理的宽带数字中频软件无线电接收机成为可能。
本文设计和实现了基于FPGA的数字下变频器DDC，用于宽带数字中频软件无线电接收机中。采用自上向下的模块化设计方法，将DDC的功能划分为基本单元，实现这些功能模块并组成模块库。在具体应用时，优化配置各个模块来满足具体无线通信系统性能的要求。这样做比传统ASIC数字下变频器具有更好的可编程性和灵活性，从而满足不同的工程设计需求。
本文章首先阐述了软件无线电中关键的数字信号处理技术，包括中频处理中的下变频技术、抽取技术以及带通采样技术。利用MATLAB的Simulink完成了对系统的设计与仿真，验证了设计的正确性。之后用QuartusⅡ进行了基于FPGA抽取滤波器和NCO等关键模块的设计，编译后进行了时序仿真，最后在PCB板上实现了实际电路并应用于工程项目中。
The foundamental idea of Software Defined Radio(SDR) is to establish a open,standard and modular universal hardware platform where the A/D converter is moved asclosed as possible to antenna and all of the communication function is realized bysoftware. The aim is to research and develop a high flexible and adaptablecommunication system. The technology of making A/D converter has been advancedfast. The A/D working bandwidth has covered the intermediate frequency (IF)supporting high sampling frequency and wide dynamic range and long length. Thewireless receiver technology has been developing from digital baseband to digital IF.Thusit is possible to implement the wide bandwidth digital IF receiver based onbandpass sampling theory.
In this paper, a digital down converter (DDC) applied on wide bandwidth digital IFreceiver is design and implemented by FPGA. This DDC can translate digital IF signalto baseband, extract desired channel, decimate the sample sequence, multirate converterand channel shape. Using Top-Down design method, the whole DDC function is dividedto many units implemented respectively and organized to the module library. Whenapplying DDC on receiver, these function modules are selected, configured andoptimized to a complex module a designed to satisfy the wireless system demand. ThisDDC based module library and re-conftgurable structure are more flexible andprogrammable than classic ASIC down converter.
This dissertation introduced the concept and the structure of Software DefinedRadio, as well as an specific application of FPGA for Software Radio.According to therequirement of system, system design and simulation was processed with MATLABSimulink, which verified the vaIidity of design. Then the design of some keymodules(interpolation and decimation filters, NCO, etc.) which were based on FPGAwas carried into execution with QuartusⅡ, and the simulation was implemented aftercomplitatioin. At last circuit was realized on PCB and applied to our project.
本文设计和实现了基于FPGA的数字下变频器DDC，用于宽带数字中频软件无线电接收机中。采用自上向下的模块化设计方法，将DDC的功能划分为基本单元，实现这些功能模块并组成模块库。在具体应用时，优化配置各个模块来满足具体无线通信系统性能的要求。这样做比传统ASIC数字下变频器具有更好的可编程性和灵活性，从而满足不同的工程设计需求。
本文章首先阐述了软件无线电中关键的数字信号处理技术，包括中频处理中的下变频技术、抽取技术以及带通采样技术。利用MATLAB的Simulink完成了对系统的设计与仿真，验证了设计的正确性。之后用QuartusⅡ进行了基于FPGA抽取滤波器和NCO等关键模块的设计，编译后进行了时序仿真，最后在PCB板上实现了实际电路并应用于工程项目中。
The foundamental idea of Software Defined Radio(SDR) is to establish a open,standard and modular universal hardware platform where the A/D converter is moved asclosed as possible to antenna and all of the communication function is realized bysoftware. The aim is to research and develop a high flexible and adaptablecommunication system. The technology of making A/D converter has been advancedfast. The A/D working bandwidth has covered the intermediate frequency (IF)supporting high sampling frequency and wide dynamic range and long length. Thewireless receiver technology has been developing from digital baseband to digital IF.Thusit is possible to implement the wide bandwidth digital IF receiver based onbandpass sampling theory.
In this paper, a digital down converter (DDC) applied on wide bandwidth digital IFreceiver is design and implemented by FPGA. This DDC can translate digital IF signalto baseband, extract desired channel, decimate the sample sequence, multirate converterand channel shape. Using Top-Down design method, the whole DDC function is dividedto many units implemented respectively and organized to the module library. Whenapplying DDC on receiver, these function modules are selected, configured andoptimized to a complex module a designed to satisfy the wireless system demand. ThisDDC based module library and re-conftgurable structure are more flexible andprogrammable than classic ASIC down converter.
This dissertation introduced the concept and the structure of Software DefinedRadio, as well as an specific application of FPGA for Software Radio.According to therequirement of system, system design and simulation was processed with MATLABSimulink, which verified the vaIidity of design. Then the design of some keymodules(interpolation and decimation filters, NCO, etc.) which were based on FPGAwas carried into execution with QuartusⅡ, and the simulation was implemented aftercomplitatioin. At last circuit was realized on PCB and applied to our project.
引文
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[2] Allan V. Oppenheim, Ronald W. Schafer. Discrete-Time Signal Processing Second Edition. New Jersey: Prentice-Hall, 1999,140～144
[3] 沈兰荪．高速数据采集系统的原理于应用．北京：人民邮电出版社，1995．8～14
[4] 昂志敏，尹华锐，朱近康．基于软件无线电的数字调制解调算法．移动通信，2001，27(27)：35～37
[5] 华光学．软件无线电的系统仿真：[硕士学位论文]，西安：西北工业大学，2005
[6] 李静，彭华，葛临东．用于软件无线电仲的整数倍采样率转换技术．移动通信，2000，26(3)：28～30
[7] 宗孔德．多抽样率数字信号处理．北京：清华大学出版社，1996．42～55
[8] 马敏．中频软件无线电接收机解决方案：[硕士学位论文]，武汉：武汉理工大学，2005
[9] John G．Proakis，Masoud Salehi(叶芝慧，赵新胜等译)．通信系统工程(第二版)．北京：电子工业出版社，2002．76～79
[10] 李鸿翔．可编程数字下变频器的关键技术．遥控遥测，2003，24(2)：19～22
[11] 孙丹丹，杨莘元，赵大勇．数字下变频器在软件无线电接收机中的应用．信息技术，2002，7：2～4
[12] 茅永峻，俞晖．基于软件无线电的调制器的模拟．电气电子教学学报．2001，23(2)：211～115
[13] Fubing Yu. FPGA IMPLEMTATION OF A FULLY DIGITAL FM DEMODULATOR. Communication Systems, 2004. ICCS, 2004.The Ninth International Conference on.
[14] 刘东华，欧建平．数字中频滤波技术及其在软件无线电中的应用．无线通信技术，2002．2：22～24
[15] 程水英，陈鹏举，武传华．带通信号的正交调制与数字下变频器的结构设计．无线通信技术，2002，4：17～19
[16] 何水艳．浅析数字下变频中的NCO．高等函授学报(自然科学版)，2004，17(1)：2～5
[17] 史学书，陆海峰．软件无线电系统中NCO的设计与实现．现代电子技术，2005，15：6～11
[18] 孙屹．MATLAB通信仿真开发手册．北京：国防工业出版社，2005．292～315
[19] 张森，张正亮．MATLAB仿真技术与实例应用教程．北京：机械工业出版社，2004．56～57
[20] 赵俊超等．集成电路VHDL教程．北京：北京希望电子出版社，2002．1～4
[21] 赵志军．CPLD／FPGA的开发与应用．北京：电子工艺出版社，2002．10～13
[22] Dirk Jansen．电子设计自动化(EDA)手册(王丹，童如松译)．北京：电子工业出版社， 2005．22～24
[23] 占坤，吴伶锡 ．FIR数字滤波器分布式算法的原 理及FPGA实现．电子技术应用，2001，3：6～10
[24] Les Mintzer. Digital Filtering in FPGAs. Signals, Systems and Computers, 1994, Conference Record of the Twenty-Eighth Asilomar Confer
[25] 周亚风，李跃华，朱昊．基于FPGA的16阶FIR滤波器的设计．南京工业大学学报，2005，27(1)：48～49
[26] 王旭东，刘渝．FIR的FPGA实现及其QuartusⅡ与MATLAB仿真．电子工程师．2004，30(5)：49～51
[27] 侯永鸿，侯春萍，曹达仲，戴居丰．数字下变频及抽取的FPGA实现．电路与系统学报，2005，10(1)：123～125
[28] 陈泽强，李蓬勃，曹叶文，毕晓东．基于FPGA的数控振荡器设计及其性能分析．山东工业大学学报，2000,30(6)：586～587
[29] 陶登高，王勇，易克初．基于FPGA实现的NCO及其应用．空间电子技术，2005，3：32～36
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