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基于FPGA的数字下变频电路的设计与实现

作　者: 李林
导　师: 杨万麟
学　校: 电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 数字下变频软件无线电 FPGA 多速率信号处理分布式算法
分类号: TN773
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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引　用: 9次
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内容摘要

数字下变频(DDC:Digital Down Convert)是将中频信号数字下变频至零中频且使信号速率降至适宜通用DSP器件处理速率的技术。实现这种功能的数字下变频器是软件无线电的核心部分,它工作在AD之后,是软件无线电中把信号数字化的关键环节。经过数字下变频处理,中频信号被下变频至软件可以处理的零中频,是实现用软件来完成原来需要硬件完成的工作的关键。本论文就高性能数字下变频器的理论及实现都作了较深入的探讨,主要内容如下:1、基于多速率信号处理理论讨论了数字下变频的原理,给出了数字下变频器的常用结构,并基于本论文在FPGA中实现的结构详细讨论了数字下变频的工作原理;2、详细讨论了本论文实现的数字下变频系统中主要的几种算法,分别为:CORDIC算法、CIC滤波器、半带滤波器、分布式算法;3、将本论文实现的数字下变频器按功能模块划分,详细讨论了主要的数字下变频算法在各个模块中的应用及各个模块的实现;4、针对数字下变频的FPGA实现,详细讨论了验证及测试的方法,并给出了验证结果。论文作者和其所在课题组的成员共同在Altera的FPGA EP1S40F1020C5中实现了性能优异的单通道数字下变频器,达到了良好的下变频效果。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-11
  1.1 数字下变频的背景  9
  1.2 数字下变频的现状及发展  9-10
  1.3 本课题的技术指标  10
  1.4 本论文完成的工作  10-11
第二章数字下变频原理  11-18
  2.1 多速率信号处理理论  11-15
    2.1.1 整数倍抽取  12-13
    2.1.2 整数倍内插  13-14
    2.1.3 分数倍采样率的转换  14-15
  2.2 数字下变频器的结构  15-16
  2.3 数字下变频的原理及工作流程  16-18
    2.3.1 可编程下变频模块——PDC  16
    2.3.2 抽取滤波器组模块——DFG  16-17
    2.3.3 自动增益控制模块——AGC  17
    2.3.4 重采样滤波器组——RFG  17
    2.3.5 坐标转换模块——COC  17
    2.3.6 解卷绕模块  17-18
第三章数字下变频的主要算法  18-37
  3.1 CORDIC 算法  18-22
    3.1.1 相位累加及查找法原理  18-19
    3.1.2 用CORDIC 算法取代查表法  19
    3.1.3 CORDIC 算法原理  19-21
    3.1.4 CORDIC 算法实现下变频的原理  21-22
  3.2 CIC 滤波器  22-31
    3.2.1 CIC 滤波器理论基础  22-27
    3.2.2 CIC 滤波器性能分析  27-31
      3.2.2.1 非线性相位  27
      3.2.2.2 阻带衰减  27-29
      3.2.2.3 通带衰减  29-30
      3.2.2.4 补偿滤波器  30
      3.2.2.5 提高无混叠信号带宽  30-31
  3.3 半带（HB）滤波器  31-32
  3.4 分布式（DA）算法  32-37
    3.4.1 DA 算法的理论基础  33-34
    3.4.2 DA 算法的并串结构形式  34-37
第四章数字下变频器的设计与实现  37-53
  4.1 可编程下变频  37-38
  4.2 抽取滤波器组  38-45
    4.2.1 CIC 滤波器的实现  38-40
      4.2.1.1 CIC 滤波器实现框图  39
      4.2.1.2 CIC 滤波器的寄存器位宽的计算  39-40
    4.2.2 半带（HB）抽取滤波器  40-41
    4.2.3 FIR 滤波器  41-45
      4.2.3.1 串并结构DA 算法的实现结构  41-43
      4.2.3.2 DA 算法在对称系数结构中的实现问题  43
      4.2.3.3 DA-FIR 滤波器与的传统FIR 滤波器的比较  43-45
  4.3 自动增益控制  45-46
  4.4 重采样滤波器组  46-51
    4.4.1 用重采样滤波器实现分数倍信号速率调整  46-48
    4.4.2 Timing NCO 的实现  48-49
    4.4.3 半带（HB）内插滤波器  49-51
  4.5 坐标变换  51-52
  4.6 FPGA 综合报告  52-53
第五章数字下变频器的验证及测试  53-68
  5.1 验证手段  53-57
    5.1.1 做到Matlab 仿真结果与硬件仿真结果一致  53-54
    5.1.2 利用Testbench 读取激励和保存结果  54
    5.1.3 利用FPGA 片内ram 保存激励和结果  54-57
    5.1.4 利用FPGA 片外ram 保存激励和结果  57
    5.1.5 实时测试  57
  5.2 数字下变频芯片专用测试平台  57-61
  5.3 关键DDC 功能验证结果  61-67
    5.3.1 NCO 的验证  61-62
      5.3.1.1 用NCO 产生本振信号  61-62
      5.3.1.2 混频AM 信号  62
    5.3.2 CIC 滤波器验证  62-63
    5.3.3 FIR 滤波器的噪声抑制  63-65
    5.3.4 抽取功能验证  65-66
    5.3.5 下变频功能验证  66-67
  5.4 验证总结  67-68
第六章结论与展望  68-70
  6.1 结论  68
  6.2 展望  68-70
致谢  70-71
参考文献  71-72
作者简介  72

基于FPGA的数字下变频电路的设计与实现

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