基于fpga的数字上变频设计毕业设计(论文)说明书(编辑修改稿)

基于fpga的数字上变频设计毕业设计(论文)说明书(编辑修改稿)内容摘要：

（ 5）底层嵌入功能单元 （ 6）内嵌专用硬核 与“底层嵌入单元”是有区别的，这里指的硬核主要是那些通用性相对较弱，不是所有 FPGA 器件都包含硬核。 目前绝大部分 FPGA 都采用查找表（ Look Up Table， LUT）技术，如 Altera 的 ACEX、 APEX、 Cyclone、 Stratix 系列， Xilinx 的 Spartan、 Virtex 系列等。 FPGA 的基本设计流程 FPGA 的设计流程就是利用 EDA 开发 软件和编程工具对 FPGA 芯片进行开发的过程。 FPGA 的开发流程一般如图 2一 2 所示，包括电路设计、设计输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现与布局布线、时序仿真与验证、板级仿真与验证，以及芯片编程与调试 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 38 页 设计描述 生产 设计输入 设计编辑 器件编程 延时确认 设计修改 功能仿真 在线确认 等主要步骤。 图 FPGA 设计流程图 设计输入方式和软件 设计输入方式主要有两种：原理图设计和硬件描述语言设计。 现在主要流行的方式是用硬件描述语言设计（ VHDL 或 Verilog HDL），而其中在亚洲许多国家和美国主要利用 Verilog HDL 语言设计， VHDL 多是在欧洲和其它地区使用。 而对于设计工具来说，这两种语言都是支持的，并且综合出来的模块也是可以混合利用的。 对于设计软件，一般是每个 FPGA 提供商就有一套专门设计用的软件。 例如 xilinx公司针对自己产品的 ISE 设计软件，该软件也包含仿真、综合、时序分析等全部功能。 还有 Altera 公司的 支持最新的 cycloneII 系列器件的整个设计流程。 此外， Lattice 公司的 ispLEVER ,FPGA Advantage 等。 在本设计中我采用的是 Altera公司的。 仿真的方法和软件 仿真的方法主要有两种： （ 1）交互式仿真方法：利用 EDA 工具的仿真器进行仿真，使用方便，但输入输出不便于记录规档，当输入量较多时不便于观察和比较。 （ 2）测试平台法：为设计模块专门设计的仿真程序，可以实现对被测模块自动输入 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 38 页 测试矢量，并通过波形输出文件记录输出，便于将仿真结果记录归档和比较。 而使用的仿真工具最快的是 Model Technology 公司开发的 ModelSim 软件。 此外仿真的方法还有利用 matlab 软件与 EDA 软件进行的联合仿 真。 Matlab 最新版本 matlab20xx 还支持matlab 与 modelsim 的联合仿真，这就大大减轻了测试工程师的工作量。 本设计中主要运用了 中的 VerliogHDL 语言来编写各模块程序，再通过原理图连接，其中利用了 Matlab20xx 的辅助，最后通过 进行仿真，具体内容步骤在下文将做出详细介绍。 3 数字上变频技术理论基础 数字变频技术一直是软件无线电的研究重点 ,也是影响软件无线电系统性能的关键部分之一。 数字上变频原理概述 数字混频 正交变换 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。 如只取原实信号的正频部分 z(t)(由于 z(t)只含有正频分量，故 z(t)为复信号 )，那么就把 z(t)做 x(t)的解析表示，即： ( ) ( ) [( )]z t x t jH t （ 3— 1） 其中 H[x(t)]叫做信号 x(t)的 Hilbert 变换。 即 （ 3— 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： ( ) ( ) c o s[ ( ) ( ) ]cx t a t t t （ 3— 3） 所以窄带信号的解析表示为： ( ) c o s[ ( ) ( ) ] ( ) sin [ ( ) ( ) ]ccz t t t ja t t t       （ 3— 4） 用极坐标形式可以表示为： [ ( )]( ) ( ) cj t tz t a t e  ()() cjt jta t e e  （ 3— 5） 式中 cjte 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 cjte ，把载频下移 ωc，得到基带信号 (或称为零中频信号 )，记为 ()bzt，有： ( ) ( ) cjtbz t a t e  1 ( )[ ( )] xH x t dt    桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 38 页 ( ) ( ) c os ( ) ( ) sin ( )bz t a t t ja t t ( ) ( )I t jQ t （ 3— 6） 其中 ( ) ( ) cos ( )I t a t t ， )(sin)()( ttatQ  ， 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 ) ()bzt来表示。 上变频是指将信号的频谱搬移到更高的频率上，若待变频信号为 xa(t)，变频信号 xb(t)用公式 表示为： ( ) ( ) cj nTbax t x t e  （ 3— 7） 其中 ωc为搬移的频率，将基带信号搬到该频率上称为上变频（ ωc为负）。 将该式进行数字化，引入满足采样定理的采样周期 T，则可以写为： ( ) ( ) cj nTbax nT x nT e  （ 3— 8） 简写为： ( ) ( ) cj n Tbax n x n e  （ 3— 9） 因为 xa(n)一般为复信号，有下式： ()axn= ( ) ( )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 （ 3— 10） 由上式则可得到上变频的原理框图如下： 图 数字上变频原理框图 影响数字上变频性能的主要因素 模拟上变频器中，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。 这些问题在数字上变频中是不存在的，频率步进、频率间隔等也具有理想的性能，另外，数字上变频器的控制和配置更新方便等特点也是模拟上变频器无法比拟的。 但与模拟上变频相比，)s i n()()c os ()(])(R e [)( nwnQnwnIenxnx cjwab c  桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 38 页 数字上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，数字上变频的输入、输出数据精度和内部运算精度也影响着接收机的性能。 从数字上变频原理可以看出，影响数字 上 变频器性能的主要因素有五个： （ 1） 数控本振所产生的正交本振信号的频谱 纯度； （ 2） 数字混频器的运算精度； （ 3） 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 )； （ 4） 滤波器的阶数； （ 5） 数字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 DUC 器件所有模块的样本值近似效应，根据截断和近似的程度， DUC 性能会受到或多或少的影响。 要提高 DUC 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 DUC 性能和硬件资源开销之间作一个折衷。 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。 数字上变频的基本原理 上变频是 将具有一定频率的输入信号，改换成具有更高频率的输出信号。 数字上变频器的基本工作原理是：首先将量化后的基带信号通过脉冲成形滤波器进行处理，以适应带限信道和消除码间串扰 (ISI)，然后通过插值滤波器处理提高采样率，最后与正交载波进行数字混频， 按照通信调制基本理论，上变频需要将调制好的信号从基带频率搬移到射频频率。 对于基带信号，其带宽般较 窄，因此在很多应用场合中都是根据 Nyquist 采样定理，再结合工程实际，采用 — 4 倍的基带信号最高频率进行采样。 而作为载波的 DDS 输出波形，其频率相对较高。 如果用基带信号对载波进行正交调制，即是数字信号的相乘，要求基带和载波具有相同的数据速率。 所以，在进行正交调制之前必须对基带数字信号进行插值滤波，提高其数据速率。 提高基带信号的数据速率有两种途径：一种是简单的数据保持方法。 另一种是严格的插值滤波法。 简单的数据保持法是将序列的每个采样点做简单的保持 (或重复采样 )直到下个采样点到来。 这种近似的处理办法相当 简单，但效果不佳，只适于数字调制方式或基带信号带宽很窄、对信号精度要求小高的场合。 本设计采用严格的插值滤波，先经过零值内插，然后滤波得到。 多速率信号处理 多速率信号处理理论 在软件无线电系统中，采样定理的应用大大降低了所需的射频或中频采样速率，为 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 38 页 后面的信号实时处理奠定了基础。 但是对软件无线电的要求来看，带通采样的带宽应该越宽越好，这样对不同信号会有更好的适应性，而且采样速率越高，在相同工作频率范围内所需的“盲区”采样频率数量就越少，并对提高采样量化的信噪比也是有利的，所以在可能的情况下 ，带通采样速率应该尽可能地选的高一些，使瞬时采样带宽尽可能的宽。 但是随着采样速率的提高带来一个问题就是采样后的数据流速率很高，导致后续的信号处理速度跟不上，所以对 A/D 处理后的数据流进行降速处理或叫二次采样是完全必要的。 多速率信号处理技术为这种降速处理的实现提供了理论依据，其中最为重要的理论是抽取和内插，它们为数字上下变频的成功实现奠定了重要的基础。 多速率信号处理是软件无线电系统中的基础理论，它通过内插和抽取改变数字信号的速率，以适应软件无线电系统中不同模块对信号速率的不同要求，是数字下变频和数字上变频的 重要技术。 本节主要介绍多速率信号处理的基本知识和操作，并总结在数字通信系统中采用多速率信号处理所带来的好处。 所谓多速率数字信号处理是指改变信号的采样率，包括抽取和内插两种情况。 使信号采样率降低的转换，称为抽取；使信号采样率升高的转换，称为内插。 实现采样率的转换 (插值和抽取 )的关键问题是如何保证实现插值或抽取后，信号所包含的信息不发。