（信号与信息处理专业论文）数字化中频接收机及其算法研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着航天技术的迅速发展，各种飞行器试验对测控设备提出了越来越高的要 求，数字化、集成化、软件化及可重组成为其发展的必然趋势。以往航天测控 中运用到的接收机由于功能单、灵活性可扩展性差不能满足日益增多的要求。 近年来，随着a d 、d a ，可编程逻辑器件、d s p 处理器方面技术的迅速发展 以及性价比的提高，软件无线电获得了走向大规模商用的前提条件，用来代替传 统的无线电发射机和接收机。 本研究中的中频数字化接收机是为了满足相关型号卫星地面综合电测的需 要，接收卫星下行的科学数据而设计的。射频工作于s 波段，中频工作于7 0 m h z 。 卫星下行的数据格式符合c c s d s 标准( 空间数据系统咨询委员会分包遥测标准建 议书) ，采用r s 编码和b p s k 调制方式。 本论文主要介绍了基于软件无线电体系结构的数字化中频接收机的原理，硬 件和软件设计方案，分为模数转换和数字信号处理两个部分。在完成接收机功能 的同时，研究运用电子设计自动化技术，采用f p g a 实现数字下变频，以期通过 软件的方法完成以前硬件器件的功能，将来可以以灵活性更强的高性能f p g a 平 台代替现有的专用器件，使接收机更贴近理想的软件无线电结构。该系统现在已 经完成初步的研制。 本论文完成的主要工作有以下几点： 设计实现了高速高精度a d 采样模块系统，包括硬件原理图、p c b 图设计， 电路板的组装和调试； 运用e d a 设计方法，研究了基于f p g a 的数字下变频算法，用d a 算法对其 中的滤波器进行了优化，并对算法作了软件仿真。 关键字：软件无线电f p g aa d 转换数字下变频 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es p a c e f l i g h tt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r e r e q u i r e m e n t s a r e b r o u g h t f o r w a r d b ys p a c e s h u t t l e e x p e r i m e n t s t ot h e t e l e m e t r i cc o n t r o l e q u i p m e n t s d i g i t a l ，i n t e g r a t i o n ， s o f t w a r ea n d r e c o m b i n a t i o nb e c o m et h ei n e v i t a b l et e n d e n c y t h ef o r m e rr e c e i v i n gs e tc a n t m e e tt h en e wr e q u i r e m e n t sb e c a u s eo fi t ss o l ef u n c t i o n ，a n ds c a r c eo f f l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y r e c e n t y e a r s ，a d ，d a ，p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( p l d ) ，f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) a n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) h a v e m a d eg r e a tp r o g r e s s t h er a t i ob e t w e e np e r f o r m a n c ea n dp r i c eb e c o m e s h i g h e r b e n e f i tf r o mt h i s ，c o m m e r c i a ls o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ( s d r ) w h i c hc a n r e p l a c e t h et r a d i t i o n a lw i r e l e s s s e n d i n g a n d r e c e i v i n g s e th a s g o t a p r e c o n d i t i o n t h i sr e s e a r c hi sf o rt h ei n t e g r a t i v ee l e c t r o n i ct e l e m e t r yo fc o r r e s p o n d i n g s a t e l l i t e i t s m a i n p u r p o s e i st o p r o c e s sd o w n l i n ks c i e n t i f i c d a t a r a d i o f r e q u e n c yi sa s s i g n e di n sw a v eb a n d i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi s7 0 m h z t h es c i e n t i f i cd a t af o r m a ta c c o r d sw i t hc c s d s p r o t o c o l ，c o d e di nr s a n d m o d u l a t e d w i t hb p s k t h e p r i n c i p a ls y s t e m h a sb e e nm a n u f a c t u r e d s u c c e s s f u l l yn o w t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fi n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yd i g i t a l r e c e i v i n g s e tb a s e do ns o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s t r u c t u r e ，i n c l u d i n g t h e d e s i g n m e n to fs o f t w a r e a n dh a r d w a r e ，d i v i d e di n t oa da n dd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g f o r t h ec o n s i d e r a t i o no fi d e a ls d r ，t h i sp a p e rd i s c u s st h e d i g i t a l d o w n c o n v e r t ( d d c ) a l g o r i t h m s t r u c t u r eb a s e do nf p g au s i n ge d a t e c h n o l o g y ，s ot h e s o f t w a r ew i l ld ot h ew o r kt h a th a sb e e nd o n e b yh a r d w a r ei n t h ep a s t t h ec o m i n gd d c s y s t e mb a s e d o nh i g hp e r f o r m a n c ef p g ai sm o r e f l e x i b l ea n dc a nr e p l a c et h e e x i s t i n ga p p r o p r i a t i v ed e v i c e s w o r k st h a th a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e ri n c l u d e st h e f o l l o w i n g ： d e s i g n e da n d m a n i f a c t u r e dt h ea dc o n v e r tm o d u l ew h i c hh a s h i g hs p e e d a n do u t s t a n d i n gd y n a m i c p e r f o r m a n c e i n c l u d i n gt h es c h e m a t i cd i a g r a m ，p c b d e s i g no ft h ec i r c u i t t h ea s s e m b l y a n d d e b u g g i n g ； u s i n g t h ee d a d e s i g nm e t h o d ，t h es o f t w a r eo f d i g i t a ld o w nc o n v e r t ( o o c j i i 电子科技大学硕士学位论文 a l g o r i t h mb a s e do nf p g ah a sb e e ns t u d i e d d i g i t a lf i l t e r i nt h ed d ch a s b e e no p t i m i z e dw i t hd i s t r i b u t ea l g o r i t h m ( d a ) t h es i m u l a t i o no ft h es o f t w a r e h a sb e e nd o n e k e y w o r d s ：s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ( s d r ) ，f p g a ，a d ，d d c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电 子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 电子科技大学硕士学位论文 1 1 软件无线电概念 第一章、引言 软件无线电是以现代通信理论为基础，以数字信号处理技术为核心，以微电 子技术为支撑的一门新技术。1 9 9 2 年5 月，m i l t e r 公司的j o em i t o l a 首次明 确提出了软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 的概念，其中心思想是构 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，尽可能在靠近 天线的地方使用宽带的“数字模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化，从而 使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现“1 。 1 2 国内外发展现状 软件无线电一经提出，立即受到军方的重视，美国国防部从1 9 9 1 年l o 月开 始实旋了三军通用无线电台开发计划“易通话”( s p e a k e a s y ) ，该计划首次 运用软件无线电的概念，实现了工作频率为( 2 2 0 0 0 ) m h z ，有波形编程、多频段、 多模式等功能的无线电台( i b n d r ) ，能兼容现有1 5 种主要军用电台的所有功能， 并将最终取代军队所有传统电台。现在，美国在军用软件无线电开发与应用方面 处于领先水平。此外，e r i c s s o n 、m o t o r o l a 等公司对软件无线电应用在移动基 站方面进行了深入研究，美国a i r n e t 公司已研制出可灵活配置的基站。2 0 0 3 年 1 2 月份，德克萨斯州部分地区的农村运营商 i i d t e xc e l l u l a r 证实他们将成 为美国公用无线网络中第一个使用s d r 技术的运营商。软件无线电在国内的发展 速度虽然不及国外，但是也有很多中频带通采样结构的接收、发射机问世。上海 粱江公司专家己从事多年的研究，并具备了超前的研究成果和实用化平台，该项 成果可用于3 g 无线通信和军用无线电系统，目前部分成果已在试用中。 1 3 软件无线电的运用背景 由于软件无线电强调以最简硬件为通用平台，尽可能地用可升级、可重配置 的应用软件来实现各种无线通信的功能，所以其真正价值在于用户可以在同一硬 件平台上配置不同的应用软件来满足不同环境下的不同功能需求。商业上投资商 电子科技大学硕士学位论文 可以在通用的可扩展的硬件平台上开发新的应用软件来满足用户或市场的新要 求，适应不断发展的技术进步。这样不仅可以节省大量硬件投资，而且可以大大 缩短新产品的开发研制周期，适应市场变化，从中获取巨大的经济效益。在军用 方面软件无线电满足了未来高技术条件下立体战争对通信保障的要求，实现了电 台设计的模块化、通用化和系列化。同时实现了各军兵种之间的互连通信，减少 了电台的品种，提高了通信台站的性能价格比，节省了军费开支。特别是在移动 通信方面，利用软件无线电技术实现的具有多种工作方式的手机，不仅可以和现 有的移动通信网互连，而且可以和卫星等其他移动通信网互连，在第三代移动通 讯中，由于通讯标准难以统一，软件无线电将成为个人全球漫游极有前景的解决 手段，以及为第三代移动通信提供丰富多彩业务和实现智能天线的技术途径。 1 4 数字中频接收方案 软件无线电接收机的基本结构由前端电路，a d 转换器，实时、准实时的处 理软件( 数字信号处理部分) 三部分组成。体系结构一般分为三种：射频低通采 样数字化结构、射频带通采样数字化结构、宽带中频带通采样数字化结构。第一 种结构直接采样r f 信号，对a d 转换器的性能要求非常高，后续处理的难度也 很大。第二种结构对a d 的动态范围要求依然比较高。现有技术水平一般采用第 三种结构。宽带中频带通采样的软件无线电接收机结构如图l ： 数字信 号处理 器( 软 件) 图l 、宽带中频带通采样软件无线电结构 考虑到现有a d 芯片的采样速度和后续信号处理芯片的速度，本系统采用了 宽带中频带通采样软件无线电结构，即将前端的接收到的射频信号通过中放降低 到中频，经过a d 带通采样输入数字信号处理器件进行后续运算，这样后续的处 理负担大为减轻，不需要超高速的a d 采样，也降低了数字信号处理部分的设计 难度，虽然付出的代价是a d 前的模拟预处理电路比较复杂，但是这点代价还是 值得的。目前，大多数软件无线电系统都采用这种结构。 2 基带 信号 电子科技大学硕士学位论文 在实现过程中，射频信号经过分段滤波、高放、一次混频、中放，从高频降 到中频，= 7 0 m h z ，然后经过a d 转换后进入由f p g a 或是d s p 搭建的数字信 号处理平台。数字信号处理部分是软件无线电系统的灵魂和核心所在，软件无线 电系统的灵活性、开放性和兼容性等特点主要是通过以信号处理器为中心的通用 硬件平台及软件来实现的。随着d s p 和功能更为强大的f p g a 等数字信号处理 器的发展，可以构建以它们为中心的硬件平台，应用不同的软件来实现无线通信 的功能。 1 5 本文的组织结构 本文一共分为五章。 第一章介绍了软件无线电的发展概况和基本原理，介绍了目前器件条件下实 用的软件无线电结构中频数字化方案 第二章介绍了数字化中频接收机的数学模型、系统结构和各个组成部分工作 原理。 第三章着重介绍了高速高精度a o 采样模块的硬件实现方案，包括电路原理 图设计和电路板p c b 设计、调试经过与结果，并对其中要注意的问题作了总结。 第四章是论文的重点，用电子设计自动化( e d a ) 的方法，研究基于f p g a 芯 片的数字下变频系统。先介绍了数字下变频的数学模型，然后介绍了系统设计的 指标，第三步详细说明了算法的结构和各个模块的实现方法。此后进一步介绍了 用如何用d a 算法对滤波器进行优化。最后给出了算法的软件仿真结果。 论文的最后一章为结束语，说明了课题的特点并介绍了得到的经验，最后对 本课题提出展望前景。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章、数字中频接收机的构成和功能 该数字化中频接收机以载波频率7 0 m h z ，带宽l o t z 的b p s k 调制信号为处理 对象，实现对接收信号的数字化、下变频、解调并输出。其硬件平台是a d 采样 模块、数字下变频器模块、数字信号处理模块。首先是对中频信号进行数字化， 这个工作由a d 转换模块来完成，其核心部件是a d 公司的a d 芯片a b 9 4 3 2 ，模 拟信号进行数字化后的处理任务如果全由通用数字信号处理器( 包括a s i c 、d s p 、 f p g a 等) 承担，会给后续处理带来较大压力，所以必须把a d 转换器传来的数字 信号经过专用数字信号处理器件如数字下变频器降为零中频，再把数据送给通用 数字信号处理器进行处理。在本系统中采用了专用数字信号处理器件即g r a y c h i p 公司的宽带数字下变频器g c l 0 1 2 b 来对a d 采样后的信号进行数字下变频， f p g a 作为数字信号处理模块完成解调和控制功能。同时也对数字下变频算法的 f p g a 实现做了研究，这样就为用软件取代数字下变频器打下基础，使整个系统 更加灵活和开放。 2 2 系统指标和特点 本系统指标如下： 调制方式：b p s k 码速率：3 m b p s 载波频率：7 0 m h z 工作带宽：1 0 m h z 信道类型：单信道 误码率：s 1 0 。 由于接收的信号是卫星下传的科学数据，其带宽远大于一般接收机的几k h z ， 载波也高达7 0m h z 。所以，本系统是一个宽带中频接收系统。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 单通道软件无线电接收机的数学模型 所谓单通道软件无线电接收机是指这种接收机在同一时刻只能接收所选择 的一个信道的信号，其数学模型如图2 。 对采样信号处理的目的是从载频为。的信号s ( t ) 内提取含有码子信息的调 制信号，如图2 所示，h p 代表低通滤波器，d 代表抽取器。采样到的调制信号s ( n 可以表示为下面的形式： c o s ( ( ) ，肌) s i n ( c o o m ) 输出 图2 、单通道软件无线电接收机数学模型 s o ) = g o 一”r ) c o s ( 掰。r + ) = c o s ( c o 。f ) 【c 。s 妒。g ( t 一肝丁) 一s i i l ( 出。f ) s i n 妒。w o 一 ，) 】 n h h ( 2 一1 ) 其中g ( t ) 是持续时间为t 的矩形脉冲，。是调制频率( 7 0 m h z ) ，是受 信息控制的相位参数，是要提取的信息。 定义m ) = c o s x g ( t n t ) ( 2 2 ) q ( 力= s i n q ) x g ( t 一”丁) ( 2 3 ) l ( n ) 、q ( n ) 分别称为信号的同相分量和正交分量。由于载频( 2 3 不舍有用信 息，所以同相和正交分量即可以完全描述提取信号的特征，接收解调的目的实际 上就是提取i 、q 两路分量。本文采用数字混频法提取i q 分量： 载波信号s ( t ) 经过数字带通采样后变为离散信号。( m ) ，设z 是a d 采样时 间，正是a d 采样频率。丘= 1 t ，所以f = m 正= 形，所以 日 一 电子科技大学硕士学位论文 5 ( 卅) = c o s ( o ) 。f ) c o s 妒n x g ( t 一”丁) 卜s i n ( o ) 。f ) s i n x g ( t 一胛丁) = ( n ) c o s ( o ) 。r ) 一q ( n ) s i n ( o ) 。) ( 2 4 ) 叫眇c 。s 唼q ( 咖c 。s 嚆o ) c 一) 数控震荡器产生余弦信号 c 。s ( q 州) = c 。s 粤m ) j s 在乘法器中 ( 2 5 ) 1 0 ( 开) = s ( 州) c 。s ( l m ) = ，( 聆) c 。s ( m 等) 一q ( ) s i n ( 川争】c 。s ( m ! j tj i j3 。( 功c o s ( 盼- c o s ( 一_ q ( 啪i n ( 胗c 工o o ) c o s ( 盼 = 知恤s 孚棚一扣幽孕 e ， = 扣) + a ( 2 删 其中a ( 2 m o ) 。) 是关于国。的高频分量，可以通过低通滤波器滤除。只有乘法 器中的本地振荡c o s ( o ) o m ) 的相位能和输入信号的相位国，相等，得到的结果才能 被正确的滤波，所以为了精确的恢复出解调信号，需要一个数字锁相环来提取 s ( t ) 中的载波0 9 ，。滤波后的数据经过抽取器d 降低速率后，就得到了i 路分量， q 路分量同理只不过把余弦函数变为正弦。混频和低通滤波后，中频从7 0 姗z 降 到0 ，这时信号就成为了基带信号，不再含高频分量。这个过程就是数字下变频 ( d i g i t a ld o w nc o n v e r t ，d d c ) 。最后用解调算法恢复出基带码子信息纯，整 个接收解调的目的就达到了。 2 4 数字中频接收机的系统结构 按照前面的分析，数字化中频接收机的功能框图如图3 ： 6 电子科技大学硕士学位论文 图3 、数字化中频接收机功能框图 天线接收到的射频信号通过前端调理电路降到中频进入a d 采样模块，出来 的数字信号在数字下变频模块中降至零中频，最后由解调模块恢复出需要的信 息。在这个系统中，我们着重关注的是7 0 m h z 的中频调制信号。本系统由本文作 者和中国科学院空间中心的老师合作研制，作者负责a d 模块的研制、d d c 算法 的研究和系统联合调试，合作老师负责专用芯片配置、解调模块和整个系统的设 计。 2 5 系统的硬件平台 由合作者设计的数字化中频接收机的硬件构成图见图4 图4 、数字化中频接收机的硬件构成图 根据软件化程度的不同，在这个硬件平台上可以有两种方案的选择： 方案一：如图4 ，系统分为模拟部分和数字部分。a d c 模块在晶体振荡器产 生的时钟作用下进行采样，完成a d 变换后以1 2 位二进制补码的方式并行输出。 7 电子科技大学硕士学位论文 采样后的数字信号用硬件实现数字下变频：传送到f p g a 的数据直接送至 g c i o l 2 b ，由专用芯片实现数字下变频。g c l 0 1 2 b 下变频后的输出为i 、q 两路1 6 位并行数据，其结果返回f p g a 进行解调同步处理，然后由串口输出最终的基带信 号。在调试过程中，每一个模块的输出信号都可通过f p g a 以8 位并行的方式传 送至主机，由主机利用m a t l a b 频谱分析软件进行频谱和信号分析，验证每个模 块是否正确实现了其功能。为实现采样输出信号和数字下变频输入信号的完全同 步，整个系统由同一个晶振提供时钟。但这个方案相对来说软件化程度较低、灵 活性差。但是简单实用、采样率高、运行稳定。 方案二：用软件实现数字下变频，经过a d 变换的数据送至f p g a ，用软件实 现数字下变频及解调功能，得到的基带信号由串口输出。在调试数字下变频功能 时可以由8 位并口输出结果。这个方案软件化程度高、通用性、灵活性好，具有 更好的前景，但是较方案一要复杂、采样率更低，虽然在现有的硬件条件下还不 能达到实用的要求，但是具有研究的价值，第四章中将详细介绍基于f p g a 的数 字下变频算法。 a d 模块选用的a n a l o gd e v i c e 公司的a d 9 4 3 2 作为a d 转换模块，外围电路 配以a d b l 3 8 作为差分信号放大器，m c i o e l l 6 作为线性差分接收器，在系统联合 调试前a d 模块作为单独一个电路板设计，联调后和其他模块一起设计成一块系 统板。 d d c 模块中的主要部分是g r a y c h i p 公司的单通道宽带中频数字下变频器 g c i o l 2 b ，它可以将中心频率从o 1 0 0 m h z ，带宽从0 5 0m h z 的数字信号变为零 中频的基带信号，完成数字下变频的功能后可以通过内部的抽取器降低采样频 率。g c i o l 2 b 在工作时由一块f p g a 作为控制器来读写控制字。 f p g a 芯片既可以作控制器，又可以作数字信号处理器，通过j t a g 下载线把 程序下载到芯片上来对完成g c i o l 2 b 的控制和b p s k 解调的功能。f p g a 选用 x i l i n x 公司的x c 2 s 2 0 0 ，它是一款2 0 万门的s p a r t a ni i 系列芯片。容量大、工 作频率高、编程方便的特点使f p g a 芯片适于作数字信号处理和控制。 电子科技大学硕士学位论文 第三章、高性能模数转换模块 31 模数转换模块的设计 3 1 i 模数转换模块的设计要求 模数转换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t 简称a d c ) 是软件无线电设计中的 关键部件之一。软件无线电的一个重要特点是将a d 和d a 尽量靠近射频前端， 为减少模拟环节，在较高的中频，以至对射频信号直接进行数字化，所以要求a d 器件具有适中的采样速率和很高的工作带宽。本系统虽然不直接处理射频信号， 但是对a d 转换的采样速率和工作带宽仍然有较高的要求，此外，模数转换模块 的性能除了与a d 转换器本身的固有特性有关外，还与其外围电路关系密切。一 般的模数转换模块由驱动放大器、a d 转换器、时钟这三部分组成，如果需要， 还可以加上抗混叠滤波器和r a m 。 3 i 2 模数转换芯片的选择 a d 转换芯片选用a d 公司的a d 9 4 3 2 ，a d 9 4 3 2 是一种单片式的1 2 位的模数转 换器，片内有采样保持电路。其采样速率可达1 0 5 m h z ，模拟带宽可以达到5 0 0 m h z ， 在整个频率工作范围内具有较好的动态指标，适用于高速数据采集系统。该芯片 模拟输入+ 5 v 电源供电，3 3 vc m o s t t l 电平输出，内含基准源，为满足芯片采 样要求，模拟信号和采样时钟都采用差分输入。额定模拟输入电压范围是峰一峰 值2 v 。其输出码的格式为2 的补码，1 2 位数据并行输出。 3 1 3a d 电路功能框图 图5 显示了a d 模块的功能框图，模拟输入信号经过a d 8 1 3 8 放大后，由单端 信号变为差分信号输入到a d 9 4 3 2 的差分输入端，晶振产生的时钟信号由 m c i o e l l 6 进行差分电平转换后为a d 9 4 3 2 提供差分时钟。a d 9 4 3 2 在差分时钟的驱 动下，输入信号由模拟量变为数字量以1 2 位二进制补码的形式输出。时钟电路 和模拟电路的电源分别用两个电源模块供电以避免互相干扰。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 4 输入调理电路 图5 、a d 模块功能框图 模拟输入端信号是和a d 9 4 3 2 的缓冲器相连的，输入缓冲器通过片内电阻的 分压，实现自偏压，直流共模电压的额定值为3 v 。为获得较好的动态性能，两 个差分输入端的阻抗必须匹配，所以对于单端输入信号必须经过图6 的信号调理 电路变换为差分形式，在这个电路中高精度运放a d 8 1 3 8 把信号源和a d 转换器 隔离开来，给a d 转换器提供低阻驱动，其次，驱动放大器给a d 转换器提供所 需的增益，并使输入信号的电平和a d 9 4 3 2 的输入电压范围相匹配，提供了单端 信号到差分信号的转换，配以适当的电阻电容，就可以把单端的输入信号差分放 大到a d 9 4 3 2 的模拟输入端。 1 0 电子科技大学硕士学位论文 3 1 5 采样时钟 图6 、差分放大调理电路 3 1 5 1 采样时钟频率的确定 输入的b p s k 信号载频为7 0 m h z ，带宽是1 0e q z ，即是说信号的频率是分布 在( 6 5m t l z 7 5m t t z ) 上，考虑到实际的工程运用中要留出一定余量，所以取工 程带宽为2 0m h z ，即信号带宽( 6 0m h z 8 0m h z ) ，如果用n y q u i s t 采样的话， 采样时钟必须要达到1 6 0m t t z 以上，这对于现有的a d 来说是非常困难的，带通 采样原理说明了如何对这样的带限信号采样，运用这个定理计算出的采样频率是 蚰m h z ，带通采样定理如下： 一个频率带限信号x ( t ) ，其频带限制在c 左，厶) 内，如果其采样速率兀满足： 矗：靶( 3 - 1 ) “( 2 n + n 式中，n 取能满足正2 ( 厶一无) 的最大整数，则用兀进行等间隔采样所得 的信号采样值z ( ”五) 能准确地确定原信号。 代入实际的信号频率兀= 6 0 m h z ，厶= 8 0 m h z 。计算出最小的兀= 4 0 m h z 。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 5 2 采样时钟电路的设计 采样时钟的设计非常关键，本设计采用的时钟源是一般的有源晶振，t t l 电 平输出，而a d 9 4 3 2 的输入时钟必须是e c l 电平。所以晶振的上升下降沿的时间 不符合a d 9 4 3 2 的时钟输入要求，利用差分接收器m c i o e l l 6 可以很好的解决这个 问题。m c i o e l l 6 在这里用于提供高性能的t t l 到e l c 电平差分转换，芯片采用 + 5 v 的单电源供电，转播延时仅有1 9 0 p s ，图7 所示为采样时钟的差分电路。 c l k n 亡) _ 一，1 o 医飞g n d t o 1 u f 上 v a g n d 图7 、时钟差分电路 3 2 电路板的p c b 设计 l k o u t + l k0 u t 一 有了电路的原理图，下一步就需要用电路板来实现设计并进行调试，印刷电 路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 是作用是提供集成电路等电子元器件的电 气互连。印制电路板在电子设备中有如下功能： 提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑。 实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气接或电绝缘提供所要 求的电气特性，如特性阻抗等。 为自动锡焊提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图 形。 随着电子技术的飞速发展，p c b 的密度越来越高。p c b 设计的好坏对抗干扰 能力影响很大。实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也 会对电子产品的可靠性产生不利影响。 电子科技大学硕士学位论文 3 2 1 设计工具简介 本课题采用m e n t o rg r a p h i c s 公司的p a d s 5 0 作p c b 设计软件，作为一套完 整的电子设计自动化系统，p a d s 提供了完整的基于w i n d o w s 环境的p c b 设计与 开发的强大功能，其系统设计的方便性和容易性也是被一致公认的，p a d s 提供 的软件包主要包括p o w e r l o g i c 、p o w e r p c b 、h y p e r l y n x 和c a m 3 5 0 。本课题主要 运用前两种工具进行设计： p o w e r l o g i c 的主要功能是原理图的绘制、打印和输出转换，为p o w e r p c b 提 供一个有效、简单、完整的前端开发环境，它能够与p o w e r p c b 完整地结合，提 供原理图与p c b 图之间有效地转换，能够快速验证p o w e r p c b 中相应器件位置的 正确性和精确性。 p o w e r p c b 是复杂的、高速印制电路板的后端选择的设计环境。它提供基于形 状化( s h a p e b a s e d ) 的、规则驱动( r u l e s d r i v e n ) 的布局布线设计解决方案。 采用自动和交互式的布线方法及目标与嵌入( 0 l e ) 自动化功能，有机地集成了 前后端的设计工具，这些工具涉及最终测试、准备和生产制造过程。p o w e r p c b 5 0 的主要功能有：自动布线工具b l a z e r o u t e r - h s d 、交互式布线编辑器f i r e ( f a s t i n t e r a c t i v er o u t e re d i t o r ) 、设计验证( d e s i g nv e r i f i c a t i o n ) 、高级封装工 具集( a d v a n c e dp a c k a g i n gt o o l k i t ) 3 2 2 模数转换电路板设计概述 首先根据要求用p o w e r l o g i c 设计出原理图，注意要确保原理图的正确性， 包括元件的封装和元件连线。然后利用p o w e r l o g i c 的o l e ( 目标连接与嵌入) 功 能和p o w e r p c b 通信，从而采用原理图驱动( s c h e m a t i c d r i v e n ) 方式来布局。 然后就是设计p c b 图，设计流程可以分为以下6 个步骤：网表输入、规则设置、 元器件布局、布线、检查、复查、输出。上面的o l e 功能就能完成p o w e r l o g i c 到 p c b 图的网表输入，一旦输入了网络和元件后，就可以指定设计规则( d e s i g n r u l e s ) 和各层的定义( l a y e ra r r a n g e m e n t s ) 。包含安全间距( c l e a r a n c e ) 、布线 ( r o u t i n g ) 和高速电路( h i g hs p e e d ) 冲突等等。网表输入以后，所有的元器件都 会放在工作区的零点，重叠在一起，第三步的工作就是把这些元器件分开，按照 一些规则摆放整齐，即元器件布局。进行元件的连线即布线有两种方式：手工和 自动，本文使用手工布线。在利用p o w e r p c b 的v e r i f y d e s i g n 功能完成检查和复 查保证设计无误后，最后输出设计给打印机或用于工厂生产印制板的光绘文件。 电子科技大学硕士学位论文 3 2 3 布局布线需要注意的问题 由于模数转换芯片的：亡作时钟频率高达4 0 m h z ，所以接近高速电路，可能产 生传输线效应和信号的完整性问题，由于电路中含有模拟和数字部分，所以又属 于混合电路，这给设计带来不小的难度。布局布线中要注意的几个问题有： 布局：一、模拟部分和数字部分要尽量分开布局，否则容易造成相互干扰。 二、采样时钟应尽可能与存在噪声的数字系统独立开来，也要与模拟部分隔离开 来。时钟产生电路不应与其他电路共用某个芯片，并用单独的电源供电，避免受 其他数字器件的干扰。时钟的地要接在模拟地上，把它看作一个临界模拟器件。 三、采用模拟地和数字地单点相接的方法处理模拟地和数字地的共地问题。 布线：一、在电源、地线之间加上去耦电容。二、加宽电源、地线宽度，最 好是地线比电源线宽，电路板上各种线的宽度关系是：地线 电源线 信号线。 三、去耦电容和集成电路的管腿的距离要尽量短，最好直接连接在集成电路的电 源管腿上。四、尽量将信号线布在信号层上和电源层上，避免布在地层上。保证 地层的完整性是设计高速电路的一个重要问题。 3 3 电路板的调试及性能 工厂按照设计的p c b 图制作好印制电路板，交到设计人员手里后，下一步就 是将元器件焊接在电路板上，并且调试使得a d 电路板能正常工作，即输入模拟 信号后，能够按时4 0 i g t z 时钟频率将模拟信号正确地转换为数字信号。调试的工 具有数字万用表、示波器、任意信号发生器、直流稳压电源等。调试应按照电源 一 模拟输入端一 时钟模块一 数字输出端的顺序来一步步调试，这样可以顺着 信号的流程，便于发现解决问题。调试中遇到并解决的问题和得到的经验有下面 几条： ( 1 ) 、每次调试都要检查电源，正常工作的电源是调试的先决条件： ( 2 ) 、调试一个芯片和其外围电路的时候应该先焊接外围的电阻、电容，测试供 电正常后然后再焊接上芯片； ( 3 ) 、测量信号是否符合要求的时候，要考虑到输入的信号是否在测量仪器允许 的范围内，测量仪器是否正常，用法是否正确，出来的信号应自己清楚是什么样 的，包括频率、幅度、交直流、波形等因素； ( 4 ) 、调试中在带电情况下不能插拔器件，否则可能烧毁元器件； ( 5 ) 、出现故障的时候，先检查电源然后是信号，都正常后再检查电阻、电容或 芯片是否损坏，最后还要考虑是否用对了芯片。例如：在调试差分放大调理电路 电子科技大学硕士学位论文 时，就出现了芯片用错的情况：由于设计时的不仔细，将a d 8 3 8 的正反馈和负 反馈颠倒，调试时发现输出信号不符合要求，而电源、芯片等均没有问题，于是 查看芯片资料，发现正负输入、输出端应该用的是负反馈而不是正反馈。找出问 题症结后先用飞线的形式改正，然后在第二板的设计中更正了错误。 ( 6 ) 、芯片资料中的参考图并不一定可靠，在实际调试中要以测到的情况为准。 例如：在设计差分放大调理电路时，按参考图设计分压电阻的大小，实际调试发 现信号放大倍数远小于标准，为了得到需要的放大倍数，我们改变电阻值，增大 分压比例。最后实际用到的分压电阻比例大概为参考资料中的2 倍。 调试成功的a d 转换电路板照片见附录l 。在输入信号为7 0 , h z 时，模数转换 芯片的信噪比达到6 6 1 d b ，有效位数达到1 0 7 位，采样时钟为4 0 m h z 时，电路 板采集到的一组任意波形发生器的正弦信号时域波形如图8 ，该信号的频率是 1 0 m t t z ，测试表明电路板能够正常接收数据。 图8 、a d 板的一组采样数据 电子科技大学硕士学位论文 4 1 概述 第四章、数字下变频的f p g a 实现 软件无线电系统设计思想要求a d 尽量靠近天线，用软件来实现所有的无线 电功能，但考虑到实用性，现有的中频接收机中采用专用芯片来实现数字下变频 的功能，专用芯片的优点是集成度高，应用方便，但是其费用高、周期长、不够 灵活的缺点并不符合理想的软件无线电系统，所以需要研究用软件的方法替代 它。f p g a 芯片有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，适合于处理数字系 统的任务。但是长期以来，f p g a 一直用于系统逻辑或时序控制上，很少有信号 处理方面的应用，其原因主要是因为在f p g a 中缺乏实现乘加运算的有效结构， 而数字下变频算法中大量的滤波器中都有乘加算法。本章将介绍用d a 算法来实 现f i r 滤波器的方法解决来这个问题，使得用f p g a 在数字信号处理方面能发挥 更大的作用。 4 _ 2 数字下变频的数学模型 如图9 所示，数字下变频的数学模型和2 3 节介绍过的单通道软件无线电接 收机数学模型在原理上其实是一样的，所以公式就不再重复，这里只是单独挑出 来讨论一下具体的组成部分： 在图9 中可以看出d d c 可以分为两部分：一是数字控制振荡器( n c o ) 产 生本振信号c o s ( o ) 。珊) 、s i n ( c o 。m ) 在混频器里和输入信号相乘。二是低通滤波器和 抽取器d ，抽取器的作用是降低码速率，减轻后续处理的压力。由于要提供本地 c o s ( c o , m ) 图9 、数字下变频原理图 i ( n ) q ( n ) 电子科技大学硕士学位论文 载波的相位，还需要用于载波同步的数字锁相环d p l l 从输入信号中提取， 图1 0 示出了数字下变频过程中的输入信号的数字谱变化。假设输入是载频为 7 0 m h z ，带宽为1 0 m h z 的带通信号，其频谱如图( a ) 所示( 为了分析方便，我们 用带通信号的解析信号即z ( t ) = x ( t ) + 日 x ( f ) 】来画频谱，其中研x ( r ) 】是x ( t ) 的 h i l b e r t 变换) 。通过4 0 m h z 的a d 采样后其频谱如( b ) ，其中心频率分别出现在 5 0 m h z ，一1 0 m h z ，3 0 m h z ，7 0 m h z 这个频谱是以4 0 m h z 为周期重复出现的， 混频之后如( c ) ，有用酌频谱被搬移到0 中频，( d ) 中的低通滤波嚣就是用来滤除 i ( n ) 和q ( n ) 频谱分量之外不需要的信号，所以低通滤波器的通带截止频谱应该为 i ( n ) 或q ( n ) 频谱分量中对应的最高频率，也就是5 m h z ，而滤波器的阻带截止频 率应小于信道闯隔的一半，这里我们取1 0 m h z 。在一2 0 2 0 m h z 范围内数字下 变频后的信号在一5 m h z 5m h z 上有谱线，整个频谱以4 0m h z 为周期重复。 下面先讨论数字系统的设计方法，再讨论各个组