（信息与通信工程专业论文）ofdm传输系统中频接收的设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本课题的研究工作过程中，作者在对 o f d m 原理、带通采样理论、多速率数字信 号处理理论、最佳接收机理论及其主要实现方法进行学习和研究的基础上，根据信 号处理任务的要求以及 a d 9 4 3 3 , g c 1 0 1 2 b 等a s i c 和f p g a x c 2 v i 0 0 0 的基木特,r i ，经 过实际应用的验证，给出了一种基于 a s i c和 f p g a的宽带中频采样数字化信号处理 结 构。该 结 构充分 利用了a s i c 的高 性能以 及f p g a 灵 活、 快 速的优点， 实现了o f d m 信号中频 和基带之间的 变 换， 模 拟和数 字之间的 变换以 及o f d m 信号的符号同 步和载 波同 步，构成了 一个硬 件结构模块 化的 高速实时 系统。 本 文设计与实 现了。 f d m 传输 系统的中 频接收 机。 文中 研究了 与中 频接收机 相关 的数字信号处理理论，采用宽带中频采样数字化结构设计了其电路并分析了其中的 技术 难点，提出了 相应 解决办 法。 论文 对中频 接收机电 路的主 要模块如 a g c , a d c , 数字 下变频器、 抽取滤 波器等 进行了 设计说明 和性能 分析， 并对o f d m 同 步器 在f p g a 中的实现作了深入研究，实现了中频接收机预定的功能。 【 关键字】正交频分复用宽带可编程数字无线电模数转换数字下变频同步 第 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ab s t r a c t i n t h i s p r o j e c t , a c c o r d i n g t o t h e t h e o r y o f o f d m , t h e t h e o r y o f b a n d p a s s s a m p l i n g , t h e t h e o r y o f m u l t i r a t e d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g a n d t h e t h e o r y o f o p t i m a l r e c e i v e r s , w e g a v e a w i d e b a n d m i d - f r e q u e n c y s a m p l i n g p r o c e s s i n g s t r u c t u r e . t h i s s t r u c t u r e r e a l i z e d t h e c o n v e r s i o n o f t h e o f d m s i g n a l f r o m m i d - f r e q u e n c y t o b a s e b a n d a n d f r o m t h e a n a l o g d o m a i n t o t h e d i g i t a l d o m a i r a n d i t s s y c h r o n i z a t i o n . t h e h i g h q u a l i t y o f a s i c s a n d t h e h i g h f l e x i b i l i t y of f p g a s we r e m a d e b e s t u s e o f i n t h i s s t r u c t u r e . i n t h i s p a p e r , w e i n t r o d u c e d t h e o f d m t r a n s m i s s i o n s y s t e m t h a t t h e m i d - f r e q u e n c y b a n d r e c e i v e r w o r k s i n , a n d t h e n d i s c u s s e d t h e r e l a t i v e d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g t h e o r i e s , t h e n d e s i g n e d t h e c i r c u i t a n d a n a l y z e d t h e t e c h n i c a l p r o b l e m s a n d t h e i r s o l u t i o n s . d e s i g n i n g a n d a n a l y z i n g o f t h e m a i n m o d u l e s o f t h e c i r c u i t s u c h a s a g c , a d c , d d c , t h e s a m p l i n g f i l t e r , w e r e p r e s e n t e d i n d e t a i l s . i m p l e m e n t a t i o n o f t h e s y n c h r o n i z e r i n f p g a w a s a l s o d i s c u s s e d . t h e m i d - f r e q u e n c y b a n d r e c e i v e r w a s i 叩l e m e n t e d w i t h t h e d e s i r a b l e c h a r a c t e r s 【 k e y wo r d o f d m , w i d e b a n d p r o g r a m m a b l e d i g i t a l r a d i o , a / d , d i g i t a l d o w n c o n v e r t e r s y n c h r o n i z e r .巨， ， 第 i f贾 第页 独创性声明 本人声明 所呈 交的学 位论文 是我本 人在导师 指导下进行的 研究工作 及取得 的 研究 成果。 尽我 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 经发表和撰写过的研究成果， 也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 何贡献均已 在论文中作了 明 确的说明并 表示 谢意 。 学 位 论 文 题 目 二 一 卫 鲤 玉 蜿恤老 硒蜘 崛 垦蜂 笠 鱿一 气 学 位 论 文 作 者 签 名 : j嘟轰 一 一 一日 期 : 1 0 . 弓 年“ 月 1z 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了 解国防科学技术大学有关保留、 使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档， 允许 论文被查阅 和借阅 ; 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 学位论文在解密后适用 本授权书。 学位论文题 目:- 鱼业娜恤耐峨哑如零 山 一- 学位论文作者签名: 作者指导 教师签 名二 i 俄 盛创曳- 日 期 : z 0 啼 年i r月 i 二 日 日 期 : 比 柳3 年 i r 月a l 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 图 目 录 1 . 1 1 . 2 1 . 3 1 . 4 o f d m 系统实现流程. . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . 4 接收机的功能划分 . . . . . . . . . . . ，二， 二4 中 频接收机 在o f d m 系统中的 位置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 宽带中频带通采样结构的数字无线电. . . . . . . . . . . . . . 5 图图图图 图3 . 1中频接收机结构框图. . ， . . . ， . . ， ， 1 5 rng ，.10n乙 a d 8 3 5 0 电 路图 . . a d 8 3 2 0 外围电 路. . a d 9 4 3 3内部结构框图 . llq山qd 图5 . 1 g c 1 0 1 2 b 的结 构框图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 图5 . 2 传 统的 设计 手段与t o p - d o w n 设计工 具的比 较. 。 . . . 3 1 图 5 . 3中频接收机电路 f p g a 的内部电路结构框图. . . . ， ， ， 3 2 图5 . 4串行 d a 算法的滤波器结构. ， . . . . . . . . . . . 3 5 图5 . 5半带抽取滤波器的结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 图5 . 6使用 m o d e l s i m的2 0 0 0 n s 时序仿真波形. . . . . . 3 6 图6 . 1同步器的结构 甲 . ， . 二 . . ， . . ，. . ， ， . ， . 4 2 图6 . 2双端口r a m的电原理图符号， . . . . . . . ， . ， ， ， . 4 4 图6 . 3双端口r a m的内部结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 图6 . 4先读后写时双端口r a m 的时序. . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 图 6 . 5先写后读时双端口r a m 的时序 . ， ， ， . . 4 5 图6 . 6 写 时不读时 双端口r a m 的时 序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 图6 . 7 相关器的结 构 . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . 4 6 图6 . 8 相关器的 工作时 序 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 4 6 图6 . 9 c o r d i c处理机. . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 图6 . 1 0 每级流水的结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . 4 8 图6 . 1 1 c o r d i c 处理机的工作时序 . . . . . . ， . . . . . . . . 4 9 图6 . 1 2 p i p e l i n e 结构 . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . 5 0 图6 . 1 3 时分复用结构的时序 . ， . . . ， . . . . . . . . . . 5 1 图7 . 1中频接收机印制电路板 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 一一 一 ， 一 一， . ， 一 月 第 i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表 目 录 表 3 . 1中频接收机指标 . ， . . . ， . ， . 1 3 4747 c o r d i c 算法操 作模式二 c o mi c 算法的操作模式 二 第 i v页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 . 1 课题的背景及意义 本课题是以某不 牺耳 任务 “ 支持军用宽带远程多媒体通信中多业务传输的通信技 术”作为研究背景的。 未 来军事斗 争， 尤其 是对台 军事斗争 中，必 须能支 持不同 地点、不同 信道 环境 的远程协同指挥，这就要求具备计算机支持的协同工作环境和支持多业务的多媒体 通信平台，能 根据作战需 求把战场综 合信息，如话 音、 数据、 前沿侦察图 象、 文本 文件、 传真、 地理信息、 前沿态势估 计信息、重要的 命令等， 及时送达相关的 指挥 人员或高级指 挥官。 不同 层次的指挥 人员或同一 层次 不同 分 工的 指挥人员 所需要的 信 息 是 不 同 的 ， 不同 业 务 的 信 息 又 具 有 不同 的 特点 ， 如 对 信 道 时 延 的 敏感 性、 对 定 时同 步要求的 严格准确性、 对带宽的需 求、 对误 码率的 要求等， 对这些综合 业务 进 行共信道 传输时， 所 用的 传输体制必须同 时兼容 所传输业务的 特点，支持多 业务 的 传输。另一方面，未来战场上，电磁环境恶劣，通信信道的带宽很难支持所有业务 同时传输，在带宽有限的情况下，必须考虑共信道传输业务的优先等级、实时性需 求等，因此， 所用的传 输体 制应能根 据这些要求 对业务进行 选择。 同时，在战争 发 生 时，作战部队 机动性强， 有时信道带宽 本身是 变化的，如 无线信道， 所用的 传输 体 制也必须 使传输的业务能 适应信道 带宽的 变化。 因此， 研究灵活高效的 支持多业 务的传输技术及传输体制对于不同地点、不同信道环境的远程协同指挥和多媒体信 , x 传输具有重要意义。 国 外军用通信在 移动通信系统方 面发展很 快， 特别是美军， 近几年来陆 续出 台 了 不少的 研究开 发计划，比 如 先后在g l o m o( 全球移 动信息系 统) 、 s u o s a s( 小 部队 作战态 势感知系 统) 、 w 工 n - t ( 指战员 信息网 一 战术部 分) 、 m o s a i c ( 多 功能“ 动中 通 ， 、 抗毁、自适应综合通信) 、 j t r s( 联合战术无线电系统)等计划中开发新型通信体系 结构以及相关技术。另外，其它国家的军用移动通信的发展也非常迅速。比如:法 国的r i t a 2 0 0 0 高级通信系统，英军现役的战术通信系统 “ 松鸡”( p a r t m i g a n ) ，多 功能 无线电系 统 m r s 和 m r s 2 0 0 0 。 此外， 许多国家 也在进 行刻以j t r s的软 件无线 电的开 发。如 英国 的 t h a l e s 公司同时 参与了 美军 j t r s计 划和英国 版的 j t r s ， 即 b o w m a n计 划， 开发出 系列 增强型数 字电 台 ( e d r ) ，即 p a n t h e r e d r ( 3 0 - 1 0 8 m h z ) , 可支持 未来作战要 求的 多媒体 信息分发; 法德两国联合实 施的多模 式多 用途无线电 高级演示模型 ( m m r - a d m ) 提出了未来战术无线电系统，计划 2 0 0 3年野外试验，将 演示 在共享相同 硬件的同时 利用7 种 波形 ( h f / v h f / u h f ) . 为了 在以 高科 技为手 段的 现代战 争中 立于不败 之地， 严峻的国际、 困内 形势要 求我军必须紧跟时代步伐，适应国防现代化建设需要，积极发展以宽带远程多媒体 移动通信为代表的新型军用指挥通信系统。某科研任务 “ 支持军用宽带远程多媒体 第 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 通信中多业务传输的通信技术”即是在上述背景下提出的。该项任务 目 的是研究以 o f d m调制 方式为 代表的支 持不同 信道环境 下多业 务的传 输技术， 并将其 应用于远 程 宽 带多媒体通 信，以 适应未 来战场态势 信息和作战 指挥信息等 综合业务共 信道传递 的需要。 构建 o f d m传输体制的通信样机是该任务的一个重要部分。通信样机的研制， 一方面可以验证o f d m 调制方式的可实现性，为使用新型多媒体通信平台的研制打下 基础;另一方面可以为 o f d m 的理论研究提供实验数据。 在待构建的 o f d m传输体制的通信样机中，按照信号处理的特点，接收机被划 分为射频模块、中频接收机、基带接收机等模块。中频接收机承担了信号在中频和 基带 之间、 模拟和 数字之间变换的 处理环节。中 频接收 机设计的 好坏， 对系统的 接 收性能有直接影响。因此，其设计与实现具有重要的工程意义。 1 .2 o f d m传输系统及其中 频接收机 正交频分复用技术 ( o f d m )是一种多载波数字调制技术，近年来，这种技术以 其 优良 的 抗多径衰落性能 和频谱 利用率高的 特点 在无线 通信领域引起了 人们广泛的 兴趣。其实早在 2 0 世纪 6 0 年代，o f d m的概念即己 初见雏形，但是由于在实现的过 程中对硬件的数字信号处理能力要求较高，长期以来并未得到实际应用。直到最近 随 着d s p 芯片 技术的发 展，f f t / i f f t , 高速m o d e m 采 用的6 4 / 1 2 8 / 2 5 6 q a m 技术、 栅格编码技术、 软判决技术、 信道自 适 应技术、 插入 保护时段、 减少均衡计算 量等 成熟技术的 逐步引 入， o f d m的实 现才 逐渐变 成可行。 经过多年的 发展，该 技术 在广 播式的音 频、 视频 领域和无 线局域网 领域己 得到广 泛的应 用。 主 要的 应用包括:e t s i 标准的音 频广播 ( d a b ) 、 数字 视频广 播 ( d v b ) , h i p e r l a n 2 ， 美国 的i e e e 8 0 2 . 1 1 a 等。 随 着 人 们 对 通 信 数 据 化 、 宽 带 化、 个 人 化 和 移 动 化 的 需 求， o f d m 技 术 在 综 合 无 线 接 入领域将越来越得到广泛的应用。 o f d m ( 正交频 分复用) 传输技 术u 提供了 让数 据以 较高的 速率 在较大延 迟的 信道 上 传输的一 种途径。 o f d m的 思 想是把一 个高速率的 数据 流分解 成许多低 速率的子数 据流，以 并行的 方式在多 个子信道上传 输。 这样，在 每个子信 道上， 符号持续时ia 比信道的最大延迟小，从而可以消除 i s i . 如上文所述， 6 0 年代的一些文献己 经提出了o f d m的基本原理。 但是当时由于没 有功能强 大的 半导体器 件， 所以 未能 有效地实 现这些想 法。目 前， 即使是 较复 杂的 高 速率o f d m 传 输系统的 实现在 技术上 也已 经可 行， 在频率 选择性的无 线信道中 应用 有很 大优势。 经典的f d m 系 统中， 独 立产生 各窄带 信号， 并 把它们分 配到不同 的频带 上传输， 在 接收端用滤波 器加以 分离。 o f d m的新特性是不同的信号通过一个快速傅立叶变换 ( f f t ) 联合产生，而日 _ 各 信号的频谱是相互交叠的，因而简化了信号的产生过程，提高了系统的频谱效率。 1 9 6 6 年以 来， 不同 的 文献(2 , 3. 4 ， 都 提出 了 频谱交叠的f d m系 统。接下 来就有了 川 第 2页 国防科学技术大学研究生院学位论文 离散 傅立叶 变换(m r ) 实现f i n 系统的 方案 1 5 3 。 最 后， 在1 9 7 1 年， w e i n s t e i n 和e l b e r t 提出了 一个完 整的o f d m系统 ( 6 ) ， 包括用f f t 产生 信号以 及在多径 信道中加 入保护间 隔。 进一步的 发展中， 对o f d m 系统 在平坦 及频率 选择性 衰落信道 下的 性能 进行了讨 论7 。文献n 提出了将o f d m 应用到广播和移动接收中。 与 单载波系统 相比， o f d m 传输技术 最重要的 优越性体 现在频 率选择 性信道上。 由于o f d m 子载波的正交性在无线信道传输之后还被保留，信道干扰的影响就被减小 为在每个子载波上乘以一个复传输因子。因而它的信号均衡变得非常简单，而在相 同的带宽下，传统的单载波传输的均衡则要复杂得多。 o f d m 的主要优点为: 1 . 2. 3. 可以 有效克 服i s i ， 适用于多 径环境 和衰落信道中的 高速数 据传输。 通过各 个子载波的 联合编码，具 有很强的 抗衰落能力。 信道 利用率很高， 这一点在 频谱资 源有限的 无线环 境中尤为 重要。 当 子载 波个数 很大时， 系统的 频谱 利用率趋于2 b a a d / h z e 便于采用自 适应调制技术厂使得频道利用率更高，便于多业务的传输。 o f d m 的不足 之处为: 1 .峰均功 率比 大， 对系统中的非 线性敏感。 2 . 对定时 和频率偏 移敏感。 本课题 研究的o f d m传输系 统参照i e e e 8 0 2 . 1 a 协议 m e ， 传输速率为l o m b p s , 占 用频带l o m h z ， 脉冲 成形使用 升余弦函数。 基带信号 帧结构不 变。 按照i e e e 8 0 2 . 1 1 a 提供 的实 现流程， o f d m 调 制解调的 实现框图 如图1 . 1 所示: 第 3页 国防科学技术大学研究生院学位论文 几agcamplna 一一10 二万 removedet. gi fft r% lev 口“一6 4 ; 图 ， . ，o f d m系统实现流程 o f d m传 输系统的 接收机 在射频 模块之 后， 可以 看做由 中 频接收 机和基带接 收机 两部分组成: . 中 频接收 机主要完 成前端处 理工 作， 其核心 是宽带、 高 速的 模数转换 和数字 下变频，配合射频模块完成空中信号的接收。 . 基带 接收机主要 完成信号的 调 制解调， 其核心是 两片高 速浮点d s p 芯片， 利 用其 强大的数 据运算 功能完成o f d m 信号的 解调与 各种 算法如信 道估计、 均 衡、降p a p r( 峰 均功率比)的 实现。 图1 . 2 描述了 按照模块功能的 不同 对 接收 机的划分。 !黔 v甄 吩飞丁|j rf一-/adc rjjrmsh1m4apa. #w,a 足 一匕一 一- !l !l 日 t .解 调 信道 6 ti 计 中频接收机基带接收机 图 ， . 2 接收机的功能划分 中 频 接收机从 射频接收 模块 接收 到的 信号为中 频7 0 m h z 、 带宽i o m h z f l;j i if i i 频 o f d m信号。在中频接收机中，该信号被采样量化成数字信号，并被数字 f 变频 至基带，经过降速率滤波后，对信号进行偏移校正与定时同步，同步好的信 号以 i o n -m p s 的速 率送至基带接 收机， 进 行后续的处理。 在 o f d m 系统实现 框图中 圈起的部 分即 为中频接 收机负 责完成的功能，见图 第4页 国防科学技术人学研究生院学位论文 ，门 加i n 加n e a , 叩 盈 f 黑lo gf ,o . i e n d 图1 , 3 中频接收机在d f d m 系统中的位置 1 . 3 木文所做的一 f . 作 木课题要求对 o f d m 传输系统的中频接收进行设计与实现。 中 频接收 机采用了 可编程 数字无线电 的宽 带中 频采 样数字 化结构，见 图 1 . 4 0 信 号的处 理过程i i i 采 用的 带通采样以 及多速 率数字 信号处 理技术，作为系 统实现的理 论基础在文中进行了论述。 嗯叫.,p lk d ! dj 一 .t : ij n y 卜 -千 图1 . 4宽带中频带通采样结构的数字无线电 系 统中o f d m信号 带宽为l o m h z , 是一个典 型的宽 带通信系 统。 ， ， 频 接收机的 实 现包括 过采样，数 字下变 频， 抽取 滤波， o f d m 信号 的符号 同 步及载 波同 步竹关 键 步骤。 这些信号处 理环节， 有的适 合用a s i c 来实 现，如 采样 频率为8 0 m h z 的采 样及数字下 变频; 有的涉及 到的 数据量 大， 实时性 要求高，且实 现结构 1 i 对灵活， 如同 步 和抽取滤波， 适合在f p g a中 实 现。 高 性能的a s i c 芯片以 及高 速、 高 集成规 模的现 场可 编程 器件 f p g a ) 的 结合使 用， 使 基于硬 件实现的 信号 处理 方法不但 性 能稳定可 靠， 设 计实 现快 捷有效， 而且 拓展的空 间 i 】 分 广阔。 实践 证明, a s i c 和f p g 八 结合的信号 处理方法是实现高速数字信 u 处理系统的一种高效方法。 木课题的研究工作过程中，作者在对 o f d m 原理、带通采样理论、多速率数. f : 信号 处理理论、 最佳接收 机理论及其主 要实现方法 进行学习和 研究的从础 卜 ， 根据 信号处 理任务的 要求以及a d 9 4 3 3 . g c 1 0 1 2 b等a s i c f l i f p g a x c 2 v 1 0 0 0 的 i 本 特 性， 经过实际 应用的 验证， 给出了 一种 基于a s i c 和f p g a的宽 带中频信号 处理结 构。 该结构充分利用了a s i c的高性能以及 f p g a灵活、快速的优点.实现了o f d m信 号 中 频和基带 之间的 变换， 模 拟和数 字之间的 变换以 及o f d m信号 的 符号 i 1 +j , 1 % 和 载 波同步，构成了一个硬件结构模块化的高速实时系统。本文 r : 点研究了可编程数 ; 代 无线电宽带中频采样数字化结构的o f d m传输系统中频接收机的结构设计和 1 .程化 方法。沦文的第二章研究了带通采样定理及多速率数字信 号 处理的内容、愈义和实 第 5页 国防科学技术大学研究生院学位论文 现方法，对系统工作的背景及需要完成的任务进行了理论上的铺垫;第三章给出了 宽带中 频采样结构的中 频接收机电路的 设计方 案的 论证与分 析， 提出了电 路的具体 结构; 第四 章以 模块 化的 思想对中 频接收机 模拟电 路进 行了 设计， 分析了电 路的性 能; 第五章对 数字下变 频和抽 取滤波 器的实 现进行了 研究，并 归纳了 f p g a的 设计 流 程; 作为一 个重点和 难点， 第六章 详细讲 解了 中频 接收机中 同步 器在 f p g a中的 设计与实现，文中提出了滑窗算法的三种不同结构，并对其进行了性能分析:第 匕 章讲解了p c b设计与系统的调试情况，总结了系统调试的经验。 本文的工作既包括系统的设计和硬件的实现，又包括算法的软件映射:既包括 模拟电路的内容，又包括数字信号处理的内容;要求作者对 o f d m 和数字信号处理具 有一定的 理论基础，同 时 对模拟 数字混合高 速电 路、 实时 系统和f p g a 的 工程设计 1 与 实 现具 有一定的经 验， 有 较强的 难度。 同 时， 中 频接收 机是整 个o f d m 传 输系统的重 要组成部分，它的实现具有重要的工程意义。 第 6页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章带通采样及多速率数字信号处理 数字信号处理中常常需要根据有用信号来调整采样速率。具有不同采样速率的 系统称之为多级系统。本课题设计的中频接收机属于数字无线电多级系统，是一种 以 现代通信理论为 基础、以 数字 信号处理为 核心、以 微电 子技术为 支撑的新型无 线 电通 信系 统。 信号采 样理论及多速率 信号处理理论 ( i ii 构成了 系 统信号 流程的理论从 础。本章将对这两方面的理论进行论述。 2 . 1 带通信号采样理论 2 . 1 . 1 带通采样定理 首 先 引 入 奈 奎 斯 特 ( n y q u i s t ) 采 样 定 理。 n y q u i s t 采 样 定 理设 有 一 个 频 率 带 限 信 号x (t) ， 其 频 带 限 制 在 ( 0 , f , ) 内 ， 如 果以 不 小 于人= 2 几的 采 样 速 率 对x (t) 进 行 等 间 隔 采 样 ， 得 到 时 间 离 散 的 采 样 信 号 x (n ) = x ( n t , ) ( 其 中 t , = 1 / 人 为 采 样 间 隔 ) ， 则 原 信 号x (t) 将 被 所 得 到 的 采 样 值 完 全 的确定。 上述定 理告 诉我们， 如果以 不 低于 信号最高频 率两倍的采 样速率对带限信号 进 行 采样， 那么所 得到的离 散采样 值就能准 确地确定 原信号。 n y q u i s t 采 样定理只讨论 了 频 谱 分 布 在 ( 0 , f , ) 上的 基 带 信号 的 采 样 问 题， 如 果 信 号 的 频 率 分 布 在 某 一有 限的频带 ( 人， f h)上时，仍然按人之 2 f , 的采样速率进行采样，则当 人? a = f , 一 人时 ， 采 样 频 率 会 很 高 以 致 难 以 实 现 或 导 致 后 续 处 理 处 理 速 度 满 足 不 了 要 求。 所 以 ， 中 频 采 样 的 系 统 中 ， 一 般 不 使 用n y q u is t 采 样 定 理的 方 法 进 行 采 样 ， 而使 用所谓的 带通 采样定理的方 法。 带 通 采 样 定 理设 一 个 频 率 带 限 信 号x (t) ， 其 频 带 限 制 在 ( f l , f h ) 内 ， 如 果 其采样速率人满足: 2 ( 人+ f h ) ( 2 n + 1 ) ( 2 . 1 ) 式 中 ， n 取 能 满 足儿全 2 ( 几一 人) 的 最 大 整 数( 0 , 1 ,2 ,. . ) ， 则 用人进 行 等间 隔 采 样所得到的信号 采样值x ( n t ) 能 准 确地 确定原信号x ( t ) . 式 ( 2 . 1 ) 用带通信号的 中心频率f . 和 频带宽度也 可以 表示为: 4 f , h二 二 ， 一 一 丁 乙n 十 1 ( 2 2) 第 7页 国防科学技术大学研究生院学位论文 , fo -_ fl, + f; : n ym x fs ? 2b (b )7 r t ) m r ) .aw a , n f, = f, / 2 . b = fe rf , $k n=0, ya (2.2)y ,0e n yquist x ,i? i 一 m u g r ,可， ( 2 .1 0) 2 .3 信号抽取的多级实 现 根据上一 节的分 析可知， 要进 行无失真的 抽取。 必须首 先进行 一个抗混 叠a w 波， 这 个 抗 混 叠 滤 波 器 的 通 带 宽 度 为 厂/ 2 r 。 对于 实 际 的 移 动 通 信系 统 来说 ， r一 般 为 第 1 0页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 0 0 - 1 0 0 0 ，即 要设计的 数字 滤波器的 带宽非 常窄， 过渡带 要求非常陡 。要实 现这样 的 数字滤波器几乎是 不可能的，因 为滤波 器系数将会达 到几百甚至 上千阶， 由 此引 起的滤波器延迟将会很大，并且系统的特性将会非常不稳定。因此在实际设计中， 无法一次实现抽取，一般都需要多阶的滤波和抽取，逐次降低采样率，同时也降低 了对每一阶抗混叠滤波器的要求。比如可以 使用 r = 4的抽取，因此抗混叠滤波器可 以 设计成归 一化带宽 为0 . 1 2 5 的 低通， 过渡 带宽带为0 .0 3 ， 阻 带为一 5 0 d b ， 用等波 纹 f i r滤波 器设计， 此时滤 波器的阶数 只需8 8 阶。 在每一 阶低通 滤波器的 后面使 用一 个 r =4 的抽取器，这样构成一个每次降低采样率 4 倍的滤波和抽取。使用这样的3 个滤波器的 级联， 就可以 达 到6 4 倍的 数 据抽取， 滤波器总 的延 迟只有2 5 0 阶左右。 当抽取因子很大时，使用多级抽取可以有效地提高滤波器过渡带宽度与采样频 率之比，从 而大大减小滤 波器的阶 数， 使 所需的 计算量比 单级抽 取少很多。 目前，多级抽取通常采用二倍抽取级联的方法来实现。即通过级联一组抽取系 数为 2的半带滤波器达到高倍数抽取的目的。这种滤波器的特点是，它的冲激响应 中有近一半的系数为0 ， 所以可以成倍降低运算降低运算次数。因此， 如果抽取倍数 为2的整数幂 ( 2 k) 的话， 实现起来非常方便， 使用k个二倍抽取器级联就可以了。 如果 抽取倍 数不是2 的整 数幂， 一种常 用的方 法是先级 联一组c i c滤波器， 然后再 级联一个半带滤波器组。 2 . 3 . 1半带滤波器 半带滤 波器在多速率 信号处理中有 着特别重要的 位置，因为 这种滤波器 特别 适 合实 现r =2 k 的 抽取 或内 插， 而 且计算 效率高， 实 时性强。 其频率响 应h ( e 0 ) 满 足 以下关系: w a=汀一w e 氏= 凡 = s ( 2 . 1 1 ) 或 者说 半 带 滤 波 器的 阻 带 宽 度二 一 w a 与w (. 是 相 等 的 ， 且 通 带 阻 带 波 纹 也 相 等。 可以证明，半带滤波器具有如下性质: h ( e l ) = i 一 h ( e j ( 介 一 w ) ) h ( e 1 2 ) r 0 . 5 1 , k h( k) =i - o , k =0 =1 2 , 1 4 , . . . ( 2 . 1 2) 即 半带滤 波器的冲 激响应h ( k ) 除了 零点不为 零外， 在其 余偶数点 全为零， 所以 采 第 i 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 用半带滤波器来实现采样率变换时，只需一半的计算量，有很高的计算率，特别适 合实时处理。 需 要 注 意 的 是， 经 半 带 滤 波 器2 倍 抽 取 后的 信 号 在2 w ,. 一 二 区 间( 对 应 抽 取 前 的 信号频 率为w , 一二 / 2 ) 是混叠的， 位于 这一频 段的信号 经2 倍抽取后 是无法恢复的 。 但在 通带0 一 2 w , 仍无混叠， 或者说 采用 半带滤波 器进行2 倍 抽取后， 位于通带内( 0 - w , . ) 的信号 仍然是可以恢复 的。 2 . 3 . 2积分梳状 ( c i c )滤波器 c i c 滤波器的 冲激响应具 有以 下形式: 1 , 0 :5 ; n d 一 1 h ( n ) = 0 , o t h e r w is e ( 2. 1 3) 式中， d即 为c i c滤波 器的 阶数。 其 z变换为: h( z ) = 1 ， ， _ 一 。 万 一 一 丁 了 ti一z i 一z ( 2 . 1 4 ) 由 上式可知c i c滤 波器的 实现非 常简单。 c i c滤 波器的特点 是: ( 1 ) d值既是滤波器级数又是抽取因子; ( 2 ) c i c 滤波器的处理 增益是常 数d l ; ( 3 ) q级级联可 使阻 带衰减 优化; ( 4 ) q级级联 使通带平坦 度变差。 由 于c i c 滤波器的 系数都是1 ， 因 此， 滤波运算 只是做 加法运算， 如果， 使用c i c 滤波器时滤波和 抽取的 控 制和实 现非常 简单， 只需将 顺序输入的 样本数据按抽取因 子 个数相加后输出 就完成了 滤波和抽取。 考虑到处理 速度和输入 速率的关系， 所以 c i c 滤波器 特别适 合于 抽取系 统的 第 一级抽 取和进行 大的 抽 取因 子的工 作。 而半带滤 波器则适合作第二级滤波和抽取。 内插系统中则相反， c i c滤波器通常被放在最后一 级。 2 . 4 小结 本章对中 频接收 机中a / d 、 抽取 滤波等信号 处理 所依赖的 理论基 础做了 深 入研究， 重 点探讨了带通 采样定理和变 速率数字信号 处理理论及 其意义，并具 体分析了 信号 抽取的多级实现，研究了半带滤波器和 c i c滤波器这两种在实际变速率系统中常用 的滤波器。 第 1 2页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章中频接收机基本原理与设计方案 3 . 1 中 频接收机的指标 根据系统设计中射频模块、基带接收机对中频接收机的性能要求，可以得到中 频接收机的指标，见表 31 。 表 3 . 1中频接收机指标 3 .2 设计难点与解决途径 根据对中 频接收 机的 性能 指标要求， 我们 认为， 在中频 接收机的实 现过程中 存在 的 主要技术难点 有: 1 . 模拟部分电路性能要求高， 对接收机的灵敏度等关键指标有决定性影响。 放大器 组与模数 转换器之间 动态范围 的匹 配必须合 适， 否则 不能完 全发挥a d c 的作用， 得不到预定的精度; 2 .对模数转 换器的性能 要求 较高 ，要 求其能 够对宽带 信号进行8 0 m s p s 的1 2 位以 上的采样，目 前只有少数高性能a d c能达到这样的要求; 3 .数字下 变频器的 工作原理 复杂， 数据运算 量大， 精 度要求高， 要求能 对高速宽 带 信号进 行处理，目 前只 有极少数芯 片能完 成这样的工作， 且价格昂贵; 4 .抽取滤 波器的运算量 大， 性能要 求高，设计与 实现存 在一定难度; 5 同步 器在o f d m系统中 作用 十分重要， 它的结 构复杂， 对系 统结 构依赖 性强， 第 1 3页 国防科学技术大学研究生院学位论文 运算量极 其庞大， 精 度要求高，目 前没有专 用的a s i c 可供使用; 电路中同时存在模拟电路和数字电路，相互干扰较大，实现相对困难。 从上述中频接收机研制的技术难点出发，我们依据所涉及的几项关键技术拟定 了相应的解决途径，归纳起来有: 1 .模块化的设 计流程 采用模块化的设计流程对系统进行设计， 将接收机按照功能划分为若干模块， 然 后对每个模块进行设计， 并将实现的结果约束在预先设定好的区域内， 最后将所 有模块有机的组织起来，完成整个系统的设计。 2 . 采用高性能的a s i c 对于a d c , a g c , d d c( 数字下变频器)等对性能指标要求高、实现原理复杂 的模块采用高性能、 市场可购买的a s i c来实现， 这样电路可以得到设计周期短、 性能稳定可靠的优点。如 a d c使用宽带、高速的 a d 9 4 3 3 ，可以很好的完成过 采样这一步骤。 3 . 使用先进、有效的设计方发 抽取滤 波器的设 计是一 个难点。 然而通 过强大的 数学工 具软件m a ll a b和 可反复 调用的i p的结合使用，其设计变得流程化设计周期大大缩短。 4 . 使用先进的f p g a 技术 对于抽取滤波、同步等算法结构复杂但相对固定，数据运算量大， 实时性要求高 的 模块， 采用先进的f p g a技术 解决。 这些算法 在f p g a中以 硬件的形 式工作， 高速有 效而且易于 修改， 给算 法的 研究、 验证提供了 扩展空间。 5 .高速p c b 布线技 术。 可以 解决由 于体积小， 结 构复杂， 电 路工 作频率 较高 带来的 串扰、噪声等的影响，提高系统在复杂电磁环境中的抗干扰性能。 夸 3 .3 系统设计中所需要解决的关键问 题 o f d m 传输系统中频 接收机是 一个复杂的 系统， 需要实现 对大量数据的 实时高 速 处理、联系系 统各部分之间的 通信接口 以 及对系 统各部分的及时 控制。 另外由 十系 统所处的电磁环境恶劣，对于系统的尺寸、功耗等也有一定的限制，这就要求在有 限 的 空 间 内 利 用 有 限 的 资 源实 现 上 述 功 能 。 总 的 来 说， 在 本 课 题的 研 究 过 程 户 需 要 解决以下关键性问 题: 1 、 系统设计复 杂 系统包括中频信号的放大、滤波、采样等模拟处理部分以及数字下变频、抽取、 同步等数字处理部分，结构复杂。 2 、电路设计中的电磁兼容以及时钟同步等问题 数模电路共处一块电路板，如何很好的进行隔离， 防止相互千扰。系统木身_ 作 频率较高，元件密度很高，实现时布局布线的工作会存在较多的困难。进 1 步还带 来散热、电磁兼容以及系统各部分之间的时钟同步的问题。 第 1 4页 国防科学 技术大学研究生院学位论文 3 、 高速、大容 量数据流的制约 该接收 机对处理 速度要 求较高，而 且数 据量也十分 大， 但是这 两者是有制 约的。 特别是数字 下变频与抽 取滤波、同步 等几个模 块， 算法复杂 度和实时性要 求高， 涉 及数据量大，实现相对困难。 4 、同步算法在 f p g a中的实现 同步算法的实现，主要是相关器和 c o r d i c算法的应用，结构比较清晰，但是山 于要求处理的数据量十分大，ii 用资源十分严重，耗时较长，时序控制较为复杂。 必须使 用高 性能、资 源充 足的f p