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基于FPGA技术的抽取器设计与实现,获取更多毕业论文/毕业设计,请登录360毕业设计网,,或加qq:604664738量身定做！
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本科毕业设计论文论文题目： 基于 FPGA 技术的抽取器设计与实现 作者姓名 王翀 指导教师 孟利民 所在院系 健行学院 专业班级 通信 03 提交日期 2007-6 基于 FPGA 技术的抽取器设计与实现THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF DECIMATOR BASED ON FPGA学生姓名：王翀 Student: Wang Chong指导教师：孟利民 Advisor: Meng Limin浙江工业大学信息工程学院 通信工程 系毕业设计论文A Thesis Submitted to Zhejiang University of Technologyin Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Undergraduate Thesis in Communication Engineering2007 年 6 月June 2007 浙 江 工 业 大 学本 科 毕 业 设 计论 文 答 辩 委 员 会 审 定 书信 息 工 程 学 院 通 信 工 程 系所 提 论 文 基于 FPGA 技术的抽取器设计和实现 THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF DECIMATOR BASED ON FPGA 符合本科毕业设计论文要求，业经本委员会评审认可。答 辩 组 成 员 ：孟利民 华惊宇吴涛 郭淑琴石旭刚指 导 教 师 ： 孟利民学 院 答 辩 委 员 会 主 任任 ：教授2007 年 6 月附： 毕业设计任务书浙 江 工 业 大 学毕业设计（论文）任务书专 业 通信工程 班 级 提高 03 学生姓名 王翀 一设计（论文）题目：基于 FPGA 技术的抽取器设计与实现 二原始资料： 1、FPGA 开发系统； 2、MATLAB 工具书；3、多速率数字信号处理书籍；4、逻辑分析仪说明书 三设计（论文）要求： 1、用 MATLAB 工具仿真抽取器；2、用硬件描述语言编写抽取器软件实现代码；3、在 FPGA 开发板上调试出结果。 四毕业设计（论文）内容：1 设计（论文）说明书（根据大纲要求） 2 设计（论文）图纸 程序框图，程序清单 五毕业设计（论文）工作期限：任 务 书 发 给日期 2006 年 11 月 21 日设计（论文）工作自 2006 年 11 月 21 日 至 2007 年 6 月 10 日设计（论文）指导教师 孟利民 系主任 主管院长 I基于 FPGA 技术的抽取器设计与实现摘 要软件无线电是未来通信的发展方向，而作为其重要组成部分之一的抽取器，将难以实时处理的高速数据流变为低速率信号，使软件无线电的实现成为可能。基于抽取器的基本原理，本文研究和分析了多种数字滤波器及抽取结构，并用MATLAB进行仿真，从而确定了本设计所采用的抽取器结构。在此基础上，采用Quartus II 开发系统设计了抽取器各个模块，通过波形仿真验证了其正确性。最后，采用系统硬件平台将程序写入FPGA芯片，利用示波器和频谱分析仪对设计的抽取器进行了频域和时域性能分析。本文完整地完成了抽取器的设计和实现过程，从理论到实际硬件一步步验证了FPGA技术应用于抽取器的可行性及灵活性。关键词：抽取器，数字滤波器，软件无线电，MATLAB，VHDL， FPGAIITHE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF DECIMATOR BASED ON FPGAABSTRACTSoftware radio is regarded as the developing direction of communication in future, and as one part of this, decimator change the high rate dataflow to a lower one, which meets the require of real-time processing and makes software radio come true.Based on the theories of decimation, this dissertation analyses kinds of digital filters and decimation structures. With the MATLAB simulation, it determines the final structure of decimator. According to this, every module of this decimator is designed on Quartus II developing system, which is proved correct by wave simulation. At last, this design of the decimator is implemented on FPGA hardware platform, and tested by oscilloscope and spectrum analyzer.This dissertation complete all the steps of the design and implement of decimator, and prove the possibility and flexibility of using FPGA to realize decimator both in theory and in practice.Key Words: Decimation，Digital Filter，Software Radio，MATLAB，VHDL，FPGAIII目录摘 要 .IABSTRACT .II目录 .III图列 .V表列 .VI第 1 章 绪论 .11.1 课题的来源及背景 .11.2 研究的目的与意义 .21.3 国内外在该领域的研究现状及分析 .21.4 论文主要研究内容 .31.5 本章小结 .4第 2 章 抽取器理论研究及 MATLAB 仿真实现 .52.1 抽取的基本原理 .52.1.1 整数倍抽取 .52.1.2 分数倍抽取 .82.2 数字滤波器 .82.2.1 FIR 低通滤波器 .82.2.2 半带滤波器 .122.2.3 积分梳状滤波器 .142.2.4 ISOP 补偿滤波器 .162.3 抽取器实现结构 .182.3.1 多相结构 .182.3.2 多级抽取 .202.4 整体系统设计及仿真 .212.4.1 总体设计要求 .212.4.2 滤波器设计 .22IV2.4.3 仿真实现 .242.5 本章小结 .26第 3 章 抽取器 VHDL 语言实现 .273.1 信号发生模块 .273.2 CIC 滤波器模块 .293.3 ISOP 补偿滤波器模块 .323.4 第一级 HB 滤波器模块 .333.5 第二级 HB 滤波器模块 .343.6 FIR 滤波器模块 .373.7 总体设计 .383.8 本章小结 .40第 4 章 抽取器硬件调试 .414.1 硬件平台介绍 .414.2 调试过程 .424.3 结果分析 .484.4 本章小结 .49第 5 章 总结与展望 .50参考文献 .51附录 .53致谢 .61V图列图 1-1 设计结构图 .4图 2-1 抽取器 .5图 2-2 信号抽取示意图 .6图 2-3 抽取前后的频谱结构（混叠） .7图 2-4 抽取前后的频谱结构（无混叠） .7图 2-5 FIR 滤波器设计 .11图 2-6 FIR 滤波器的基本结构 .11图 2-7 半带滤波器频谱特性及 2 倍抽取时的混叠情况 .13图 2-8 31 阶半带滤波器频率响应 .14图 2-9 单级 CIC 滤波器的实现 .15图 2-10 多级 CIC 滤波器的实现 .15图 2-11 CIC 滤波器的频率响应 .16图 2-12 ISOP 补偿滤波器前后通带内波纹 .18图 2-13 抽取的多项分解 .19图 2-14 多相抽取 前后频谱对比 .20图 2-15 32 倍抽取滤波器组 .21图 2-16 第一级 HB 滤波器频率响应 .22图 2-17 测试信号的时域波形及频谱 .24图 2-18 原信号和输出信号的时域波形 .25图 2-19 原信号和输出信号的频谱 .25图 2-20 通过 CIC 滤波器后的时域波形和频谱 .26图 3-1 信号发生模块设计框图 .28图 3-2 信号发生模块仿真图 .28图 3-3 CIC 滤波器模块设计理框图 .31图 3-4 CIC 滤波器模块仿真图 .32图 3-5 ISOP 补偿滤波器模块设计框图 .32图 3-6 第一级 HB 滤波器设计框图 .33图 3-7 第一级 HB 滤波器的仿真图 .34图 3-8 第二级 HB 滤波器设计框图 .35VI图 3-9 第二级 HB 滤波器的仿真图 .36图 3-10 FIR 滤波器设计框图 .37图 3-11 顶层框图 .38图 3-12 原信号输入时仿真图 .39图 3-13 测试信号输入时仿真图 .39图 4-1 实验箱 .41图 4-2 原信号（低频 2FSK 调制） .43图 4-3 原信号频谱图（线性幅度） .43图 4-4 测试信号波形 .44图 4-5 测试信号频谱（线性幅度） .44图 4-6 输出结果的波形 .45图 4-7 输出结果的频谱（线性幅度） .46图 4-8 未通过 FIR 滤波器时信号的波形 .46图 4-9 未通过 FIR 滤波器时信号的频谱（线性幅度） .47图 4-10 ISOP 滤波器后信号的波形 .47图 4-11 ISOP 滤波器后信号的频谱（线性幅度） .48表列表 2-1 两级半带滤波器系数 .23表 2-2 FIR 滤波器系数 .24浙江工业大学本科毕业设计论文1第 1 章 绪论1.1 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21.2 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0f0421sfn2sfBB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。1.3 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。2000 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3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 Telecomm Mnications Research lnstjtute）正在研究可能实现IMT-2000 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 TD-SCDMA 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。2000 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，ITU-T 的 WP8F 小组也开始了有关软件无线电的讨论。1.4 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 1-1 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：EP1K30TC144-3。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4FPGA 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 1-1 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。1.5 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5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。2.1 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 2-1 所示。XYn Wnn低通滤波抽样速率降低 D 倍图 2-1 抽取器2.1.1 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（2-1）21()()x依次组成一个新的序列 ，即()y（2-2）()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、3DnD 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6For 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 2-2 所示。图 2-2
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