基于fpga技术的抽取器设计与实现

基于fpga技术的抽取器设计与实现内容摘要：

.....................................43图 43 原信号频谱图（线性幅度） ................................................................................................43图 44 测试信号波形 ........................................................................................................................44图 45 测试信号频谱（线性幅度） ................................................................................................44图 46 输出结果的波形 ....................................................................................................................45图 47 输出结果的频谱（线性幅度） ............................................................................................46图 48 未通过 FIR 滤波器时信号的波形 .......................................................................................46图 49 未通过 FIR 滤波器时信号的频谱（线性幅度） ...............................................................47图 410 ISOP 滤波器后信号的波形 .................................................................................................47图 411 ISOP 滤波器后信号的频谱（线性幅度） .........................................................................48表列表 21 两级半带滤波器系数 ............................................................................................................23表 22 FIR 滤波器系数 .....................................................................................................................24浙江工业大学本科毕业设计论文0第 1 章 绪论 课题的来源及背景软件无线电思想是 20 世纪 90 年代以后逐渐兴起的一种全新的设计思想。 它是针对无线通信领域现存的一些问题而提出的，如：多种通信体系并存，频率资源紧张，多种标准竞争等。 而无线个人通信系统的发展又使新系统层出不穷，产品生产周期缩短，原有的以硬件为主的无线通信体制难以适应这一局面，软件无线电的概念应运而生。 软件无线电最初起源于军事研究。 其电台一般只能完成单一的功能，各种电台之间结构差异大，限制了互相之间的通信。 为了保证不同设备之间的互通性，使军种间更高效可靠的协同通信，美国军方展开了对三军通用无线电台的研制，并制定了发展计划和目标。 而在民用市场，当前多种通信体制并存，新体制不断涌现。 模拟体制与数字体制共存，TDMA 体制和 CDMA 体制并存。 由于各体制硬件平台不同，使得他们之间的互相通信比较困难，随着无线通信的发展，使得人们对各通信体制之间互通的要求日趋强烈 [2]。 软件无线电的完整概念和结构体系是由 MITRE 公司的美国科学家 Joseph Mitola 于 1992 年 5 月在 NTC（National Telesysems Conference，美国电信系统会议）上明确提出 [1]其核心思想是：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 转换器尽可能的靠近天线，以研制出具有高灵活性和开放性的新一代无线通信系统。 根据其思想，软件无线电直接在信号射频进行采样，将模拟信号转换成数字信号，射频以下其它的所有处理功能全部采用软件模块来实现。 而 AD 之后的数据速率往往过高，无法满足后续实时处理的需求，这就要求我们提出一种降低数据速率而又不损失有用信息的解决方案。 为了达到这一目的，抽取器应运而生。 浙江工业大学本科毕业设计论文1 研究的目的与意义上文已经提到，当前通信标准繁多，各电台工作频率从几十 KHz 到几十GHz 不一。 在软件无线电的实现时，如果按照 Nyquist 采样定律，ADC 的抽取频率要大于被采样信号的最高频率的两倍以上，所得到的离散采样值才能准确的确定原信号。 这样势必导致 ADC 后的数据速率很高，带来的问题就是后续DSP、FPGA 等器件的处理速度跟不上，特别是对有些同步解调算法，如果其数据吞吐率太高是很难满足实时性要求，所以有必要对数据流进行降速处理 [3]。 目前使用的通信信号多数都是带通信号，其带宽一般不会超过几 MHz，对于带通信号如按照带通采样定理，采样速率不需要大于信号最高频率的两倍，用较低的采样速率也可反映带通信号的特点，当带通信号的采样频率 和中心频率sf满足 时（ 取能满足 的最大整数， 为频带宽度） ，由0f0421sfn2sfBB采样信号可以准确地恢复原信号。 如此，减少了抽样点数，大大减少了后续 DSP对信号进行处理的负担。 对采样后的数据进行处理就可以得到基带信号，这也就是数字下变频，抽取技术和采样后数字下变频技术是软件无线电实现的基础，对其进行研究并在硬件上加以实现有着十分重要的意义 [23,30]。 国内外在该领域的研究现状及分析软件无线电被称为是继模拟通信到数字通信，固定通信到移动通信之后的第三次技术革命，使从硬件无线通信到软件无线通信的革命。 而且其不仅在民用、军用无线通信领域获得应用，在电子战、雷达、信息化家电等领域也得到推广，世界各国都在对其进行深入研究 [33]。 1990 年 8 月，美国国防部与 Hazeltine 公司签订合约，开始研制 Speakeasy软件无线电系统第一期工程 [4]，1994 年 8 月 Speakeasy I 型样机研制成功并进行了技术演示。 在 1995 年，启动了 Speakeasy 二期工程，1999 年更名为为冗贴(联合战术无线电系统)系统继续进行开发研究。 在民用方面 [2]，美国 800/900MHz 的专用移动无线电(SMR)系统采用了软件无线电技术。 1996 年 11 月，美韩合资的 AIRCOM 公司在北京召开的国际通信展览会上展出了它的软件无线电基站。 2020 年 6 月，Motorola 公司公布它己着浙江工业大学本科毕业设计论文2手研制用于蜂窝通信的软件无线电终端。 在亚洲方面，日本的 ARIB 于 1996 年就开始了软件无线电接收机的研究，并己制作出样机。 电子情报通信学会也成立了软件无线电研究会。 NTT 开发了可以双向和实时处理的软件基站和终端。 韩国的 KEES（Korea Elecbomagletic EngZneellng Socjety）成立了软件无线电工作室。 ETIR（EIecbonics Telem Mnications Research lnstjtute）正在研究可能实现IMT2020 功能的软件无线电设备。 而我国在 1996 年 10 月将软件无线电正式列入了国家 863 高技术计划通信主题的研究项目。 “九五” 期间，该技术己成功地在军用单兵短波数字通信系统中得到应用。 1998 年 7 月，我国向 ITU 提交的第三代移动通信提案 TDSCDMA 中就采用了软件无线电技术。 我国研究开发的第二代同步轨道航天测控设备的方案中，其核心就是引入了软件无线电技术 [2]。 在软件无线电的标准化方面，1996 年 3 月设立的 SDR 协会(软件定义的无线电协会，原 MMITS 协会)目前的活动仍很活跃。 它是唯一的一个国际性标准化组织，任务是促进软件无线电的普及和制定故障标准，目前已有 100 个以上的团体加入了该组织，进行有关方面的研究。 2020 年 3 月，美国 FCC(美联邦通信委员会)听取了关于建立软件无线电法规方面的意见。 同年，ITUT 的 WP8F 小组也开始了有关软件无线电的讨论。 论文主要研究内容本论文所研究的抽取器，是软件无线电系统的重要组成部分。 论文所要完成的主要设计工作是实现一个基于 FPGA 技术的抽取器，实现的主要功能是对输入的高速率数据在保留所需频段的前提下，进行降低速率的操作（即抽取） ，输出较低码率的数据，便于后续的数字信号处理。 本论文主要工作内容如下：在广泛收集相关资料的基础上，熟悉和研究抽取器的实现理论和各种实现结构，特别是其中各类抽取滤波器的结构、优缺点、实现方式等。 然后运用 MATLAB 设计抽取器结构，如图 11 所示，并计算其中各滤波器参数，然后进行仿真，以验证理论，并为指导后续的 VHDL 设计做好准备。 在理论和仿真的基础上，在 Quartus II 开发平台上，运用 VHDL 语言进行设计，实现基于 FPGA 技术的抽取器，其中所使用的 FPGA 芯片为ACEX1K：EP1K30TC1443。 在 Quartus II 上进行功能仿真和时序模拟后，将在浙江工业大学本科毕业设计论文3FPGA 硬件平台上调试，最后通过示波器和频谱分析仪来检验最终成果。 32 倍抽取器输出序列输入序列 4 级 8 倍抽取 CIC滤波器HB 滤波器ISOP补偿滤波器FIR 滤波器HB 滤波器图 11 设计结构图论文的第 1 章介绍了软件无线电的发展现状以及抽取器设计的目的与意义，并给出了本文的内容安排。 第 2 章对抽取器的基本理论和各种实现结构进行了介绍，并分析和设计了多种抽取滤波器，最后得到了本论文所要采用的抽取器结构。 同时使用 MATLAB对所提出的抽取器结构进行了具体的设计，使用滤波器设计分析工具箱（FDATOOL）进行了抽取滤波器设计。 然后通过程序模拟了整个抽取器结构，得到信号通过抽取器前后的波形以及频谱的仿真。 第 3 章在前面的基础上，在 Quartus II 开放平台上，使用 VHDL 语言进行抽取器的实现。 讨论了各模块的具体实现细节，以及其中各种出现的问题和解决方案。 在各模块经过测试后，将它们综合成最终的系统，进行了功能仿真和波形模拟，初步分析了所设计的抽取器的性能。 第 4 章进行了最终的硬件调试，使用示波器与频谱分析仪，检验了本论文所设计的抽取器的性能，证明了 FPGA 技术应用于抽取器的可行性和灵活性。 最后一章是对论文工作的一些总结。 本章小结本章介绍了课题的来源与背景，并在目前发展状况的基础上，给出了本设计的目标，最后介绍了全文的内容结构。 浙江工业大学本科毕业设计论文4第 2 章 抽取器理论研究及 MATLAB 仿真实现前一章已经总体上给出了我们对整个设计的规划，在这一章我们将从基础理论开始一步步讨论、研究并仿真整个抽取系统。 抽取的基本原理将抽样序列 的速率降低 D 倍的过程称为抽取，在抽取过程中，为了避Xn免产生频谱混叠，需要对原序列进行低通滤波。 设滤波后的序列为 ，Wn序列中的每 D 个样点保留一个样点得到一个新的样点序列 ， 就Wn Y是 经过 D 倍抽取后的样点序列，这一过程 [29,32]如图 21 所示。 X Yn Wnn低通滤波抽样速率降低 D 倍图 21 抽取器 整数倍抽取在信号的采样数据中每 D 个抽取一个，当 D 为整数时，称为整数倍抽取，其中 D 为抽取因子。 即若原信号序列为 ，其中 为采样时间，则经过 D1()xnT1倍抽取后，得到抽样序列 的采样时间 ，则2yn2（21）21()()x依次组成一个新的序列 ，即()y（22）()ynxD通过 MATLAB 可以很容易地实现其抽取，只需要将输入序列的第D、2D、3D……nD 个元素取出，组成新的序列，即完成了 D 倍抽取。 具体程序可用一个循环来实现：浙江工业大学本科毕业设计论文5For i=1:length(BeforeD)/DAfterD(i)=BeforeD(i*D)。 End其中 BeforeD 为输入信号序列，AfterD 为抽取后信号序列，D 为抽取因子。 经过抽取后，时域上的信号变化如图 22 所示。 图 22 信号抽取示意图而抽样信号的频谱与原来信号的频谱关系 [21]为， （23）210Dj jkkYeXeW2jDe可见，信号的抽取会带来频谱的混叠。 抽取序列的频谱信号 为抽取jDXe前原始序列的频谱 经平移和 D 倍展宽后的 D 个频谱的叠加和，如图 23jXe所示。 为了避免混叠，必须首先降低序列 的带宽，即 ，然后再xn。