基于FPGA的变频电路设计.doc

1、 本科生毕业论文(设计)基于FPGA的变频电路设计院系名称姓名学号专业指导教师年04月09日54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，以研制出高度灵活和适应性的无线电通讯系统。A/D变频器制造技术的进步，其工作带宽覆盖到中频频段，并且有较高的采样频率和足够大的动态范围，从而使无线电发射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发射机成为可能。数字变频技术在软件无线电和各类数字化发射接收机中得到了广泛的应用。由于数字信号处理器（DSP）的处理速度

2、有限，往往难以对A/D采样得到的高速率数字信号直接进行处理。为了解决这一矛盾，需要采用数字变频技术，将采样得到的高速率信号变成低速率基带信号，以便进行下一步数字信号处理，用现场可编程阵列（FPGA）来设计数字上下变频器有许多好处。FPGA在硬件上具有很强的稳定性和极高的运算速度，在软件上具有可编程的特点，在某些专用芯片不能完全满足系统技术指标的情况下，所以采用FPGA来设计数字下变频器更是一种好的解决方案。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，包括中频处理中的上变频技术、抽取技术及带通采样技术，基于数字上变频的基本原理，利用FPGA器件的各种优势，在Quartus上完成了数字上变

3、频设计、综合，编译后进行时序仿真，首先介绍数字上变频及其各模块的原理和实现方法，然后再通过编写VHDL语言及调用IP核来实现各个模块功能，最后通过原理图的构造来整体实现数字上变频。并仿真验证数字上变频的正确性。 关键词： 数字上变频; FPGA; 积分梳妆滤波器;内插AbstractThe 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

4、as closed as possible to antenna and all of the communication function is realized by software.The aim is to research and develop a high flexible and adaptable communication system.The technology of making A/D converter has been advanced fast.The A/D working bandwidth has covered the intermediate fr

5、equency (IF) supporting high sampling frequency and wide dynamic range and long length .The wireless transmitter technology has been developing from digital baseband to digital IF .Thusit is possible to implement the wide bandwidth digital IF transmitter based on bandpass sampling theory.Digital Fre

6、quency Conversion Technology in Software Defined Radio and various types of digital launch or receiver have been widely used .As the digital signal processor (DSP) processing speed is limited ,often it is difficult for A/D sampling rate to be high-speed digital signal directly to the various categor

7、ies of real-time processing .In order to resolve this contradiction,the need for digital up or down conversion technology,high-speed sampling rate of signals to be turned into a low rate of base-band signal for the next stage of signal processing.With fiel-programmable array(FPGA) to the design of d

8、igital down-converter has many advantages.FPGA hardware has strong stability and high computational speed,the software has programmable features,and in some special DDC chip technology can not completely meet the indicators ,so the number of used FPGA to design the next converter is a good solution.

9、This dissertation intrduced the concept and the structure of Software Defined Radio,as well as an specific application of FPGA for Software Radio.Including frequency conversion technology in intermediate frequency processing,Digital Up Converter Base on the basic principle of the use of the various

10、advantages of FPGA devices. development tool in the FPGA on the Quartus.DUC completed the design,integration.after the compiling implementation simulation.First introduced the principle of digital up conwersion and of each module,and then VHDL language by writing and calling IP nuclear to achieve ea

11、ch module function,and finally,through the schematic diagram of the structure to the overall realize frequency in the figures.And through the simulation to verify the up-conversion.Key Words: DUC;FPGA; CIC filter;Interpolation目录1引言11.1绪 论11.2.1数字变频技术简介12数字上变频的研究现状32.1 软件无线电32.2数字上变频应用发展32.2.1论文内容及意义

12、42.2.2完成论文期间所做的工作及论文安排43 FPGA设计基础63.1 FPGA设计简介63.2 FPGA的基本结构63.3 FPGA的基本设计流程83.4设计输入方式和软件93.5 仿真的方法和软件94 数字上变频原理104.1 数字上变频104.2影响数字上变频的主要原因105 信号处理理论125.1 数字信号处理125.1.1 信号采样理论125.1.2 带通采样理论125.2数字混频正交变换155.3多速率信号处理175.3.1 整数倍内插175.4 高效数字滤波195.4.1 积分梳妆滤波器CIC195.4.2 HB半带滤波器225.5 DDS的实现原理235.6 DDS设计25

13、5.6.1 相位累加器265.6.2 正弦查找表265.7 内插滤波器设计285.7.1 HB半带滤波器设计285.7.2 CIC滤波器设计305.8 混频器设计306 数字上变频仿真与验证336.1 Modelsim仿真软件介绍和特点336.2 Modelsim仿真方法346.2.1 前仿真346.2.2 后仿真346.3 Modelsim 仿真的基本步骤346.4 仿真结果377 结 论407.1课题研究过程总结及结论407.2心得体会40参考文献41致 谢42附 录431、半带滤波器的VHDL源程序432、FIR滤波器的VHDL代码51 1引言近年来，软件无线电理论正逐渐趋于成熟与完善，

14、且软件无线电具有开放、可扩展、硬件平台通用等优点，广泛应用于蜂窝通讯及各种军用和民用的无线电通讯系统中，与传统的模拟实现技术相比,更容易实现多种通信功能及软件升级。数字处理比模拟处理有更优越的性能，正受到工程界越来越多的关注。从原理上看，软件无线电利用A/D转换器发射的信号进行数字化处理，由于RF信号频率很高，以奈奎斯特(Nyquist)频率进行采样是很困难的，所以以目前的技术水平实现理想的软件无线电有很大难度。带通采样定理能极大地降低所要求的采样率，被应用于A/D转换的过程中。并且目前A/D转换器的工作带宽己经覆盖到中频，并具有很高的采样率和大的动态范围。这就为实现基于带通采样定理的宽带数字

15、中频软件无线电接收机提供了可能。由于接收的宽带中频信号既包含期望信号，又含有不期望的其他用户信号。选择信号被上变频到中频模拟信号，达到上变频，由于上变频采样率远高于基带处理所需采样率，所以需要内插，这样可以增加采样率。上变频是将具有一定的频率的输入信号，改换成具有更高频率的输出信号。理论上，在软件无线电的发送端，将已经调制好的基带信号通过脉冲成型滤波进行整形、采样抽取等，并经过插值滤波器提高采样速率，之后与本地数字控制正交振荡器混频，得到I/Q正交信号，进行数字混频后，再经过数模转换（DAC）后转换成直接中频输出。现场可编辑门阵列（FPGA）具有功能强大、集成度高、开发过程投资小、周期短，可反复编辑修改，保密性能好，开发工具智能化等优势。正好充分发挥了软件无线电可编程能力强，易于升级的特点。用FPGA实现数字上变频设计，不仅降低了成本，减小了设备体积，满足了系统需要，而且比专用芯片具有更大的灵活性和可控性。1.1绪 论1.2.1数字变频技术简介 数字变频技术在软件无线电中占有非常重要的地位。软件无线电技术基于现代通信理论，它的核心理论是数字信号处理，软件无线电以微电子技术为制成的新的