（通信与信息系统专业论文）基于fpga的数字收发机信号处理研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在3 g 移动通信网络建设中，如何实现密集城区的无线网络覆盖是目前基站 的发展方向。目前网络覆盖理念的核心思想就把传统宏基站的基带处理和射频 部分分离，分成基带处理单元和射频拉远单元两个设备，这样既节省空间、降 低设置成本，又提高了组网效率。本文研究的数字收发机用于w c d m a 基站系 统的射频拉远单元中，实现移动通信网中射频信号的传输工作。 数字收发机主要由射频处理部分、模数数模转换部分、数字上下变频处理 部分、接口转换以及数字光模块组成。本文研究的重点是数字上下变频处理部 分。设计采用软件无线电的架构和f p g a 技术，所设计的数字上下变频部分可 以在不修改硬件电路的基础上只需修改软件部分的参数则可实现多种频率的变 频处理，极大地降低了开发成本，且缩短了开发周期。 根据系统设计的设计要求，以及现有芯片使用情况比较，本文选用a l t e r a 公司的f p g a 芯片，应用公司提供的d s p b u i l d e r 作为系统级的开发工具，应用 q u a r t u si i 作为综合、布局布线工具实现数字上下变频处理部分设计。 本文的主要研究工作包括以下几个部分： ( 1 ) 对数字收发机的整体结构进行分析研究，确定数字收发机的实现结 构和各个部分的功能； ( 2 ) 通过对数字上下变频的相关理论的研究，分析出数字上下变频的结 构、实现方法及性能； ( 3 ) 通过对数控振荡器、c i c 滤波器、f i r 滤波器进行理论研究、内部实 现结构以及性能分析，得出具体的参数和仿真实现结构； ( 4 ) 使用f p g a 中的i p 核技术来实现数字上下变频，利用m a t l a b 中 d s p b u i l d e r 提供的i p 核分别进行n c o 、c i c 、f i r 的仿真工作；并得出数字上下 变频的总体仿真实现结果； ( 5 ) 对高速收发通道进行了研究和设计，根据系统的要求给出了数据帧 结构，并采用a l t e r a 的第三代f p g a 产品s t r a t i xi ig x 系列芯片实现了数字收发 机的信号的串并并串的接口转换。为后续继续研究工作奠定基础。 关键词：数字上变频，数字下变频，数控振荡器，c i c 滤波器，f i r 滤波器 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t u n d e rt h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kc o n s t r u c t i o n s ，t h ed e v e l o p i n g d i r e c t i o no fb a s es t a t i o n si sh o wt oa c h i e v ec o v e r a g eo ft h ec i t y i n t e n s i v ew i r e l e s s n e t w o r k c u r r e n t l y ，t h ec o r eo fn e t w o r kc o v e r a g ei st os e tt h et r a d i t i o n a lm a c r ob a s e s t a t i o na p a r ti n t ot w oe q u i p m e n t sw h i c ha r eb a s e b a n du n i ta n dr a d i or e m o t eu n i t t h ed i g i t a lt r a n s c e i v e rd i s c u s s e di nt h i st h e s i si su s e dt or a d i or e m o t eu n i ti nt h e w c d m ar a d i ob a s es t a t i o ns y s t e m ，a n dt or e a l i z et h et r a n s m i s s i o no fr a d i os i g n a l si n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k d i g i t a lt r a n s c e i v e ri sc o m p o s e do fr ft r e a t m e n t ，a d d at r a n s f o r m a t i o n ，d i g i t a l u po rd o w nc o n v e r t e r ，i n t e r f a c et r a n s f o r m a t i o na n dd i g i t a lo p t i c a lm o d u l e s t h e f o c u si st od e a lw i t ht h ed i g i t a lu po rd o w nc o n v e r t e r b a s e do nt h es t r u c t u r eo f s o f t w a r er a d i oa n df p g at e c h n o l o g y ，d i g i t a lu po rd o w nc o n v e r t e ro n l yb en e e d e dt o m o d i f yp a r a m e t e r si ns o f t w a r eo nt h e i n v a r i a b l eh a r d w a r ec i r c u i t s ，w h i c hc o u l d r e d u c ed e v e l o p m e n tc o s t sa n ds h o r t e nt h er e s e a r c hc y c l eg r e a t l y a c c o r d i n gt os y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t sa n du s ec o m p a r i s o no fe x i s t i n g c h i p s ，t h i sp a p e rs e l e c t sa l t e r a sf p g aa n du s e sd s p b u i l d e ra st h es y s t e ml e v e l d e v e l o p m e n tt o o l ，q u a r t u si ia st h es y n t h e s i s ，p l a c ea n dr o u t et o o lt od e s i g nt h ed i g i t a l u po rd o w nc o n v e r t e r t h em a i nt a s k so f t h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n g s ： ( 1 ) b a s e do nt h ea n a l y z i n ga n ds t u d y i n g 诮t ht h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fd i g i t a l t r a n s c e i v e r , t h es t r u c t u r eo ft r a n s c e i v e ra n df u n c t i o n sa r ed e t e r m i n e d ( 2 ) b ys t u d y i n gt h et h e o r yo fd i g i t a lu po rd o w nc o n v e r t e r ，t h es t r u c t u r e ， i m p l e m e n t a t i o na n dp e r f o r m a n c eo fd i g i t a lu po rd o w nc o n v e r t e ra r ea n a l y z e d ( 3 ) a c c o r d i n gt os t u d y i n gw i t ht h et h e o r y , i n n e rs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ea b o u t n c o ，c i ca n df i rf i l t e r , s p e c i f i cp a r a m e t e r sa n ds i m u l a t i o ns t r u c t u r e sa r ep r o p o s e d ( 4 ) t h ei pc o r ei nf p g a s i su s e dt ot h ed e s i g no fd i g i t a lu po rd o w nc o n v e r t e r a n du s i n gt h ei pc o r ep r o p o s e db yd s p b u i l d e ri nm a t l a bt of i n i s hs i m u l a t i o na b o u t n c o ，c i ca n df i rs e p a r a t e l y t h ew h o l er e a l i z i n gr e s u l to fd i g i t a lu po rd o w n c o n v e r t e ra r ea c h i e v e di nt h i sp a p e r 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) a f e rr e s e a r c h i n go nt h eh i g h s p e e dt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rp a t h ，t h ed a t a f r a m es 缸1 l c t l l r ei sp r o v i d e db a s e do nt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s s t r a t i xi ig xw h i c hi s t h ea l t e r a st h i r dg e n e r a t i o no ff p g a si su s e dt or e a l i z es e r i a l i z e r ，d e s e r i a l i z e r i n t e r f a c et r a n s f o r m a t i o n t h i si se s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n g - u p r e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：d d c ；d u c ；n c o ；c i cf i l t e r ；f i rf i l t e r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致i 身 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，也不包含为获得武汉理工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了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：签地煎导师签名：兹丕主盏萎日期：型墨：查：乡 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 基站技术的发展和移动通信技术的发展密不可分，移动通信技术走过了从 模拟技术到数字技术的发展过程，也实现了从窄带到宽带的发展，而移动通信 基站技术的发展趋势主要是从模拟向数字发展、从窄带向宽带发展、向标准化 和模块化发展。 在3 g 移动通信网络建设中，网络覆盖质量决定了未来发展用户的速度和运 营商在该网络上的收益，甚至是整个3 g 网络能否健康运行的决定性因素，而决 定3 g 网络质量的关键就在于如何实现密集城区的无线网络覆盖。目前网络覆盖 理念的核心思想就是把传统宏基站的基带处理和射频部分分离，分成基带处理 单元( b b u ) 和射频拉远单元( r r u ) 两个设备，在两者之间采用光纤连接， 其结构如图1 1 所示。在设备部署方面则是把核心网、无线网络控制和基带池设 备集中于一个地点，在规划的站点上部署射频拉远设备以实现无线覆盖【l 】。采用 该解决方案无需任何机房和传输资源，既可满足运营商对3 g 网络建网速度的要 求，也可保证3 g 网络建网和维护成本达至最低。其优势主要有：将繁琐的维护 工作简化到基带处理端；一个无线基带控制可连接几个射频拉远，既节省空间、 降低设置成本，又提高了组网效率；连接两端的接口采用光纤，损耗减少、并 可大幅度降低电力消耗。 图1 1 基于射频拉远的新型建网方案 数字收发机是r r u 设备的核心部分，实现移动通信网中射频信号的传输工 武汉理工大学硕士学位论文 作，使该信号能够符合设备要求通过光纤传输。最初的数字收发机是基带数字 化收发机，信号从射频到中频，再到基带，都是模拟的。收发机仅对基带信号 进行采样量化，变为数字信号进行处理。这种收发机对采样率的要求不高，且 采样数据量较小，后续数字化处理工作量不大。随着软件无线电思想的提出【2 】， 数字化处理( a d 转换) 朝着尽可能靠近天线的方向发展，模拟电路逐步减少。a d 转换技术和大规模集成电路的发展使得数字中频采样收发机的实现成为现实。 数字中频收发机有如下优点： ( 1 ) 在必须同时处理多个信道的接收器( 如基站) 中，数字化i f 可包含来 自多个相关信道的信息，故只需要一个r f 前端，与传统的模拟设计相比显著地 减小了尺寸、功耗，单信道设备的成本也较低； ( 2 ) 中频数字化可去掉传统直接模拟中频正交解调器及模拟基带放大器， 因此电路结构简化； ( 3 ) 采用更多数字器件代替模拟器件，减少了部分机械加工和手工调试的 工作，可提高系统的稳定性和灵活性，且数字器件有利于系统集成； ( 4 ) 模拟部分实现的难度降低。通过适当的设计，可以不需要快速而繁琐 的a g c 控制电路；另外，在中频对信号进行数字滤波可以降低对一前端滤波器 的要求； ( 5 ) 在i f 级采用数字技术可增加处理增益，进而提高系统的信噪比( s n r ) 。 处理带宽增大，有可能更灵活的配置系统，更高效为用户提供多种服务。 1 2 国内外研究的现状及动态 从9 0 年代以后国内相继出现很多关于数字收发机研究方面的报导。根据 d d c 实现手段的差别，国内数字收发机研究大致可以分为a s i c 实现、f p g a 实 现和d s p 实现三类i j j 。下面3 个例子是我国在数字收发机上取得的成果，分别 使用了a s i c 、f p g a 和d s p 实现收发机。电子科技大学电子工程学院于2 0 0 1 年采用a d i 公司的7 0 m s p s ，1 2 b i t 模数转换器件a d 6 6 4 0 和i n t e r s i l 公司的可编 程数字下变频器件h s p 5 0 2 1 4 b 设计实现了一套气象雷达中频数字接收机实验系 统，该接收机系统的设计中应用了镜像频谱搬移技术，其最高工作频率为 6 5 m h z ，最大带宽为1 m h z 。c e t c 3 8 所微波公司推出了基于f p g a 技术的多信 道数字收发机系统，该系统最多可同时处理5 个信道的信号，每个信道的模拟 输入最高频率为4 0 0 m h z ，最高采样率为1 0 0 m s p s ( 1 4 一b i t ) 2 0 0 m s p s ( 1 2 b i t ) 武汉理工大学硕士学位论文 5 0 0 m s p s ( 8 b i t ) ，幅度不一致性小于0 0 1d b ，相位不一致性小干0 1 0 。中国科技 大学于1 9 9 5 年采用t i 公司的d s p 器件t m s 3 2 0 c 3 0 完成了“6 4 k b i t s 基群宽带 m o d e m ”数字收发机的设计，该设计中除了d d c d u c 模块还包括了匹配滤波、 定时提取与载波恢复、信道均衡等功能模块。 纵观我国数字收发机的发展，在过去的十多年里已经在数字收发机的理论 研究、设计实现等方面已经做了大量工作，取得了一些成果，也有成功应用的 例子，可以说近年来国内在数字收发机在理论水平和实现技术手段等方面己经 与国外缩短了差距。但从总体来说，在数字收发机基于s o c ( s y s t e mo f c h i p ) 的 设计思想和产品化等方面还有一定的差距。 国外从2 0 世纪8 0 年代开始就出现了很多有关数字收发机研究方面的报导， 进入9 0 年代以后逐渐出现了基于片上系统( s o c ) 的数字收发机设计思想和基于 软件无线电概念的数字收发机设计思想等先进的设计理念，同时有部分从事数 字收发机研制的国外公司相继推出了成熟的数字收发机产品。 美国d r t 公司是研制数字收发机产品的公司之一，该公司最近推出的一款 数字收发机w p m 2 具有四个1 4 一b i t ，7 0 m s p s 数据输入端，在2 1 8 8 m b p s 码速率 情况下系统可配置成2 4 个独立的窄带数字信道，而在码速率为4 3 7 5 m b p s 情况 下系统可配置成2 个独立的宽带数字信道 4 1 。t r a n s t e c h 公司在数字收发机方 面推出了e c d r 系列，该系列中包含了不同总线类型、不同信道数、不同采样 精度和采样率的数字收发机产品。美国s i g m e t 公司是从事气象雷达数字收发 和处理的专业公司。该公司推出的r v p 8 是数字收发和处理机，其中该系统的数 字收发部分输入中频频率可选：2 0 3 4 m h z ，3 8 5 2 m h z ，5 乱7 0 m h z ，a d c 为 1 2 b i t ，3 6 m s p s ，接收动态范围为8 5 d b 9 5 d b ( 与带宽有关) 。综合看来，国外数 字收发机理论研究深入而全面，设计思想先进，设计实现的数字收发机系统软 件化程度较高，功能灵活；多采用工业标准总线结构以及模块化设计伎系统具 有良好的通用性、兼容性和可扩充性。 1 3 课题来源及论文结构 本文的工作来源于深圳国扬公司研发项目射频拉远单元r r u 的开发研究， 本文设计的数字收发机用于传输w c d m a 频段的射频信号。 在研究相关理论的基础上，分析了数字上下变频的结构和实现方法，重点 研究如何使用f p g a 中的i p 核技术来实现数字上下变频。通过数字上下变频各 武汉理工大学硕士学位论文 个关键模块包括数控振荡器、c i c 滤波器、f i r 滤波器的理论及实现方法的具体 研究，在使用尽可能少的资源前提下考虑到性能要求，选用i p 核中最为合理的 结构和设计方法进行实现。在m a t l a b 仿真中，使用d s p b u i l d e r 提供的i p 核实现 上下变频系统的设计。 全文分为6 章，各章内容如下： 第一章绪论，分析课题研究的目的和意义，阐述数字收发机的国内外研究 的现状和动态。 第二章介绍本文数字收发机的设计方案。对方案中的各个部分作一简单概 述，并提出本文设计指标要求和具体设计结构。 第三章介绍数字上下变频的相关理论研究，主要包括数字上下变频的基本 原理、性能分析，多速率信号处理以及f i r 滤波器相关理论研究。 第四章实现数字上下变频的f p g a 设计与仿真。首先提出设计开发平台和 开发流程，然后根据数字上下变频整体方案，对n c o 、c i c 滤波器、f i r 滤波 器进行相关参数分析、设计与仿真，并得出总体仿真框图和结果。 第五章介绍数字收发机数据信号处理的研究，主要包括f p g a 的高速收发 通道和基带传输组帧相关理论研究。 第六章总结本文的研究工作和应用领域，对本项目完成情况及过程中所获 得的经验做一总结，并提出后续需要继续的开发工作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数字收发机的设计方案研究 2 1 数字接收机设计方案论证 数字发射机功能与数字接收机类似，即将基带信号上变频为中频信号，再 通过d a 处理器转换为模拟信号，再进行处理为射频信号。故此处只介绍数字接 收机的方案。 本文所指的数字接收机也可以叫做中频数字接收机，其核心是将a d 转换器 尽量靠近天线，即把a d 转换器移到中频，使模拟信号尽早数字化。先介绍一下 数字接收机的几种常见方案。 ( 1 ) 射频数字化方案 图2 1 射频数字化方案 本方案是将a d 转换器直接在射频前端数字化，处理过程全数字化，是理想 的接收机设计方案。但目前还存在以下问题： 1 ) 严重影响接收机的选择性和灵敏度，容易造成a d c 超载或者丢失弱信 号； 2 ) 为了适应输入信号的动态范围，要求降低a d c 的量化噪声，这就必然 要求a d c 具有大的动态范围。然而，就目前的a d c 器件水平而言，难度很大； 3 ) a d c 前的抗混滤波器难以适应多频段、多制式的要求； 4 ) 采样频率传较高，采样孔径抖动引起的信噪比恶化相对严重。 ( 2 ) 零中频数字化方案 电h 鲨eh 墼盔h 垦丛h 塑卜 l 捆 皆 勺 图2 - 2 零中频数字化方案 武汉理工大学硕士学位论文 零中频方案也称直接变换方案d c r ( d i r e c tc o n v e r t e rr e c e i v e r ) 。该方案直接 将r f 信号转到零中频，然后在基带进行数字化过程。其优点是：信号转化步骤 少，有灵活的调谐范围和更大的信号带宽。但该方案硬件主体是模拟器件，存 在以下缺点： 1 ) 高增益低噪声混频器存在泄露，实现困难； 2 ) 对模拟器件很难保证极高的动态范围： 3 ) i q 相位难以保证平衡的准确性； 4 ) 直流偏量有待消除。 ( 3 ) 宽带中频数字化方案 图2 3 宽带中频数字化方案 经过模拟下变频，将射频信号变换为中频i f 信号，在宽带a d c 前可用一 个中心频率固定的高性能抗混叠滤波器滤除带外无用信号，并可在中放级实现 自动增益控制a g c ，获得最大信号增益，减轻带内信号过载的可能性。同时， d d c 中采用的滤波器是数字滤波器，提高了系统的灵活性和滤波器的选择性。 另外，就系统的可编程性而言，宽带中频数字化接收机与射频数字化方案相当。 其特点有： 1 ) 支持多频带多制式大动态范围输入； 2 ) 高选择性，高稳定性； 3 ) 信号处理链可重组且硬件复杂度低； 4 ) 调试周期短，成本低。 本设计使用宽带中频数字化方案，将射频信号模拟下变频到9 2 1 6 m 中频， 再进行处理。设计内容主要是处理经过a d 转换后的中频信号如何处理为基带信 号。 2 2 宽带中频数字收发机设计方案 基于上节的方案比较可以得出本设计使用的宽带中频数字化设计方案，系 统结构框图如图2 4 所示。 数字收发机包括数字接收机和数字发射机，该收发系统用于w c d m a 移动 6 武汉理工大学硕士学位论文 通信网络的基站体系中，实现手机信号覆盖和传输。根据信息产业部【5 l 所提出的 w c d m a 数字蜂窝移动通信网的标准可知，w c d m a 的上行频段为 1 9 2 旺1 9 8 0 m h z ，下行频段为2 1 1 0 一2 1 7 0 m h z ，上下行的射频带宽6 0 m h z ， 码片输率3 8 4 m c p s ，占用带宽5 m h z 。数字接收机接收来自一个天线发射塔的 射频信号，通过射频前端放大等处理，通过光纤传输到基带处理单元；数字发 射机接收来自基带处理单元的信号，将信号处理还原为射频信号发射到另一个 天线接收塔。 2 2 1 射频处理 图2 4 数字收发机系统框图 射频段应具有接入多个波段甚至覆盖全波段的功能，它具有频率高、带宽 大的特点。宽带射频前端要求有较宽的频率范围，在发射时主要完成上混频、 滤波、输出功率放大等任务；在接收时实现滤波、放大、混频、自动增益控制 等功能。如果采用射频直接数字化方式，可以进一步简化射频前端的功能，但 对数字处理的要求相当高。要实现射频直接带通采样，要求a d 转换器有足够的 工作带宽，较高的采样速率，而且要有较高的a d 转换位数，以提高动态范围【6 j 。 就目前的硬件性能而言，还无法在射频实现数字化处理，故将数字化处理 设在中频。可以考虑将宽频段的频率范围分成多个频段的可置换标准模块，下 混频到固定的中频，简化射频前端的实现。 接收机中，射频信号通过低噪放大之后，经过混频转到中频频段，使用v g a 武汉理工大学硕士学位论文 作为射频段功率放大和a d c 的动态驱动，然后采样到基带进入数字信号处理单 元进行基带处理。发射机中，基带数字信号通过d a c 转到模拟中频信号，通过 中频放大后直接混频到射频段，然后使用硬件数字预失真系统传到天线上发射 出去。 2 2 2 模数数模转换 本方案的设计思想完全采用软件无线电的思想，将数字化技术尽可能应用 到最接近天线的部件中。只有将模拟信号必须经过采样转化成数字信号后才能 使用软件进行处理。 在接收机中，模数转换( a d c ) 常用于模拟信号的射频或中频的宽带数字化， 而不在基带进行采样，不管是过采样还是欠采样，采样频率越高，可恢复的带 宽潜力越大。根据设计要求，本设计选取的a d 器件为a d 6 6 5 4 。a d 6 6 5 4 e 7 1 是一 款集成有4 , - - 6 路d d c 的a d c 芯片，拥有1 4 b i t 和高达9 2 1 6 m h z 的采样电路， 输入中频频率可以到2 0 0 m h z 。在9 6 m h z 输入时的s n r 大于7 3 d b 。 在发射机中，数模转换( d a c ) 用于将数字信号转换为模拟信号，也是软件无 线电的关键器件之一。经过a d 采样的数字信号有1 4 位，通过数字信号处理部 分处理后的数字信号就变成了1 6 b i t ，所以在发射机中所使用的d a c 需要位数为 1 6 b i t 。根据设计要求，本设计选取a d 9 7 8 6 作为d a 器件。a d 9 7 8 6 t 8 1 是一款1 6 b i t ， 2 0 0 m s p s 输入数据率的d a 处理芯片，可接受处理速率可高达5 0 0 m s p s 。 2 2 3 数字上下变频 在接收机中，经过射频前端处理的射频信号通过a d 转换器转换为数字中频 信号，该信号可以直接进入光模块进行传输。但由于数字处理器的处理速度有 限，往往难以对a d 采样得到的高速率数字信号直接进行各种类别的实时处理， 故需先进行数字下变频处理1 9 1 ，即将高速率的数字中频信号处理成低速率的基带 信号。在发射机中，在d a 转换之前必须进行数字上变频处理，即将低速率的基 带信号处理成高速率的数字中频信号。 数字上下变频可以实现多种频率的变频处理，只需重新修改软件部分的参 数即可实现，这样可以在不修改硬件电路的基础上仅仅通过软件处理实现，极 大地降低了开发成本，且缩短了开发周期。 该部分为本课题的主要设计内容。本设计要求a d 转换后的中频信号，其载 8 武汉理工大学硕士学位论文 波频率为9 6 m h z ，且采样频率要求为9 2 1 6m s p s 。数字下变频将9 6 m h z 的中频 信号转换为基带信号，且基带信号的采样频率降至3 8 4 m s p s 。数字上变频就是 将采样频率为3 8 4m s p s 的基带信号提升到采样频率为9 2 16m s p s ，并将基带信 号频移为9 6 m h z 的中频信号。 2 2 4 接口转换 接口转换部分包括串并并串转换以及信号组帧解帧。数字接收机经过处理 得到的基带信号，需要进行组帧处理进入光模块，转换成光信号通过光纤传输； 同理，发射机收到的信号需要经过解帧处理位原始的基带信号。 在接收端，由a d 转换器转换出来的是多路数字信号，要求将该多路并行的 数字信号串行化( 即并串转换) ，因为在光纤传输中，信号是以串行方式进行传 输的。在发送端，串行信号需要并行处理成多路信号( 串并转换) 才能进行d a 转换。因为串行信号的速率太大，要直接进行d a 转换则要求d a 处理器的处理 速度很快，采样率高，这样的d a 处理器很难找到。因此，该设计需要使用d s p 技术实现信号的串并转换。 2 2 4 数字光模块 本方案所使用的是x f p 光模块，实际上只是一个光电转换器件，只负责完 成光电信号之间的转换，其他功能如复用解复用、编解码等由电路板上的芯片 实现。x f p 光模块可轻松实现高端口密度的应用，与电路板的接口采用2 5 g b p s 串行电路接口。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章数字上下变频的相关理论研究 3 1 数字上下变频理论 本课题设计主要实现中频与基带之间的转换，信号的转换通过上下变频来 实现。 3 1 1 正交变换 自然界的物理可实现信号都是实信号，而实信号的频谱具有共轭对称性， 也就是说实信号的正负频率幅度分量是对称的，而其相位分量正好相反，所以 对于一个实信号，只需由其正频部分或负频部分就能完全加以描述，不会丢失 任何信息，也不会产生虚假信号【1 0 1 。如只取原信号x ( t ) 的正频部分z ( t ) ( 由于z ( t ) 只含有正频分量，故z ( t ) 为复信号) ，那么就把z ( t ) n q 做x ( t ) 的解析部分，即： z ( ，) = x ( f ) - i - ，日 石( f ) ( 3 1 ) 其中，h x ( t ) l n 做信号x ( t ) 的h i l b e r t 变换。 即 h i 删：三r 望d r ( 3 - 2 ) 咒。卅) i t 由于h i l b e r t 变换是正交变换，所以解析信号z ( t ) 的实部和虚部是正交的1 1 。 那么，就可以很容易的从解析信号中获得信号的三个特征参数：瞬时幅度、瞬 时相位和瞬时频率。由于这三个特征参数是表征一个信号重要信息，所以信号 的正交分解对信号处理、信号分析、调制解调有着及其重要的作用，也是数字 上下变频器中采用的基本处理方法。 对于一个实的窄带信号： x ( t ) = a ( t ) c o s c o j + 妒( r ) 】( 3 3 ) 式中a ( t ) 、缈( f ) 分别为信号的幅度调制分量和相位调制分量，婢为信号的 载频。 可以证明x ( t ) 的h i l b e r t 变换为： x ( ，) 】= 口( ，) s i n c o j + c o ( t ) 】 ( 3 4 ) 所以窄带信号的解析表示为： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 z ( f ) = a ( t ) c o s c o j + 缈o ) 】+ j a ( t ) s i n c o c t + c o ( t ) 】 ( 3 5 ) 用极坐标形式可以表示为： z ( f ) = a ( t ) e 儿略+ 妒1 = 口( f ) p 伊p 心( 3 - 6 ) 式中p 脚称为信号的载频分量，它作为信息载体不含有用信息。将上式乘以 p 一掣，把载频下移鳞，得到基带信号( 或称为零中频信号) ，记为z b ( t ) ，有： z ( f ) = a ( t ) e 。烈 = a ( t ) c o s 缈o ) + j a ( f ) s i n 缈( f )( 3 7 ) = ，( f ) + q ( f ) 其中i ( t ) = a ( t ) c o s o ( t ) ，q ( f ) = a ( t ) s i n o ( t ) 分别称为基带信号的同相分量和 正交分量。基带信号为解析信号的复包络，是复信号，即基带信号既有正频分 量，也有负频分量，但其频谱不具有共扼对称性，若随意剔除基带信号的负频 分量，就会造成信息丢失。从以上分析可以看出，一个实的窄带信号既可用解 析信号z ( ，) 表示，也可用其基带信号( 零中频信号) z b ( t ) 来表示。 但是，由于在实际中难以实现理想的h i l b e r t 变换的阶跃滤波器，所以准确 的解析表示要在实际应用中得到是非常困难的。因此，在数字信号处理中常常 采用数字混频正交变换来进行数字信号的正交分解，即将原信号x ( t ) 分别与两个 正交本振序列c o s ( c o o t ) 和s i n ( c o o t ) 相乘后，再通过数字低通滤波来实现。由于两 个正交本振序列的形成和相乘都是数学运算的结果，所以其正交性完全可以得 到保证，只要确保运算精度即可。 3 1 2 数字上下变频原理及实现 数字上下变频f 1 2 1 是指将信号的频谱搬移到更高或更低的频率上，若待变频信 号为x o ( t ) ，变频信号x ( ，) 用公式表示为： x ( r ) = x o ( t ) e 爝( 3 8 ) 其中鳞为搬移的频率，将基带信号搬到该频率上称为上变频( 啡为负) ，而 从该频率上搬移到基带称为下变频( 鳞为正) 。数字上下变频就是对上式进行数字 化。若满足采样定理的采样周期t ，数字上变频和数字下变频就可以写为： x ( n t ) = x o ( n t ) e 掣7 ( 3 - 9 ) 即x ( n ) = x o ( n ) e ” ( 3 1 0 ) 对于数字下变频( d d c ) 来说，x o ( n ) 一般为实信号，就有： x ( 门) = x o ( n ) e o s ( c o 。n ) + j x o ( n ) s i n ( c o 。n ) ( 3 1 1 ) 经过低通滤波后得到的就是基带信号的正交分解信号，x o ( n ) c o s ( a i n ) 为同相分 武汉理工大学硕士学位论文 量，x o ( n ) s i n ( c o c n ) 为正交分量。 对于数字上变频( d u c ) 来说，基带信号x o ( n ) 一般为复信号，表示为 戈( 玎) = l ( n ) + q ( ) ，通常上变频后的信号只需要取其实数部分就足够了，即： x ( ”) = r e 【( 门) p 7 嗥”】( 3 - 1 2 ) = i ( n ) c o s ( c o c n ) 一q ( n ) s i n ( c on ) 从工作原理上讲，数字上下变频就是将输入数字信号与一个本地振荡数字 信号进行乘法运算，完成频谱的搬移。主要包括：数字混频器、数字控制振荡 器( n c o - - n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e do s i l l a t o r ) 和低通滤波器( l p f ) ，如图3 1 和 3 2 所示。 图3 1 数字下变频基本功能框图图3 2 数字上变频基本功能框图 其中滤波就是从连续( 或离散) 输入数据中滤除噪声和干扰以提取有用信 息的过程，它不但是软件无线电系统的基础，也是整个数字信号处理的基础理 论。滤波器性能的好坏将直接影响系统处理的效果和其实时处理的能力【l3 1 。数 字滤波器可以用两种形式来实现，即有限冲激响应滤波器f i r 和无限冲激响应 滤波器i i r ，由于f i r 滤波器相对于i i r 滤波器有许多独特的优越性，如线性相 位、稳定性好等特点，所以在本系统设计中主要采用f i r 滤波器进行处理。本 文上下变频设计中的l p f 是f i r 滤波器、c i c 滤波器和半带滤波器共同作用实 现。 3 1 3 数字上下变频性能分析 从数字上下变频的原理可知，数字上变频和下变频是完全相反的两个过程， 其性能也是完全相同的。 影响数字上下变频整体性能的指标有五个主要因素：一是数控本振所产生 的正交本振信号的频谱纯度；二是数字混频器的运算精度；三是各种滤波器的 运算精度( 包括二进制表示的滤波器系数的精度) ；四是滤波器的阶数；五是数 字下变频器的系统处理速度。前三点因素其本质可以归到一点，就是有限字长 效应，由于有限字长，带来了数控本振的相位截断效应，也带来了整个d d c d u c 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 器件所有模块的样本值近似效应，根据截断和近似的程度，d d c d u c 性能会受 到或多或少的影响。要提高d d c d u c 的性能，就要加宽运算字长，但字长不 可能无限加宽，这就需要在d d c d u c 性能和硬件资源开销之间作一个折衷。 至于滤波器的阶数，同样涉及到的是硬件资源消耗的问题。在处理速度这个问 题上，可以通过利用规模换速度和采用优化算法两种手段提高系统处理速度。 总的说来，性能的提高是以资源的消耗为代价的。 3 2 多速率信号处理 多速率数字信号处理中插值理论和抽取理论是软件无线电发射机和接收机 的理论基础【1 4 i 。因此深入理解多速率数字信号处理对于数字上下变频的理解和实 现都是十分重要的。所谓的多速率就是指在系统中有两个或两个以上的采样率。 然而，采样数率的提高带来的一个问题就是采样后的数据流速率很高，很难满 足后续的信号处理的实时性要求。在这种情况下，通常需要进行降速处理，多 速率信号处理技术为这种降速处理的实现提供了理论依据，其中最为重要的理 论是抽取和内插，它们为数字上下变频的成功实现奠定了重要的基础。 3 2 1 抽取和内插 ( 1 ) 整数倍抽取 整数倍抽取就是把原始采样序列x ( n ) 每隔( d 1 ) 个数据取一个，以形成一个新 序列y ( n ) 。 其中，输入输出函数时域关系： y ( ，z ) = x ( d n )( 3 1 3 ) 输入输出函数频域关系： y ( e 归) = 去州e j ( w - 2 k z ) d 】 ( 3 - 1 4 ) 上k = 0 式中d 是整数，称为抽取因子。如果x ( n ) 序列的采样速率为，其无模糊 带宽为z 2 ，则经过d 倍抽取得到的抽取序列y ( n ) 的采样速率为z d ，其无 模糊带宽为z 2 d ，当x ( n ) 含有大于z 2 d 的频率分量时，y ( n ) 就必然产生频谱 混叠，导致从y ( n ) 中无法恢复出x ( n ) 中小于z 2 d 的频率分量信号。 从式( 3 1 4 ) 中可知，抽取序列的频谱y ( e p ) 是抽取前原始序列频谱x ( e 归) 经 过频移和d 倍展宽后d 个频谱的叠加和，通过抽取提高了信号的频域分辨率。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3 给出了抽取前后的频谱结构变化图。 一2 万 0 图3 3 抽取前后的频谱结构( d = 2 ，混叠) 2 刀缈 由图3 - 3 可见，抽取后的频谱y ( e 7 。) 很可能产生严重混叠，使得从y ( e 7 。) 中 无法恢复出x ( e p ) 中所感兴趣的信号频谱分量，所以可以首先用一数字滤波器 ( 滤波器带宽为z r d 对x ( e - 。) 进行滤波) 使x ( e j a ) 中只含有小于z r d 的频率 分量( 对应的模拟频谱为7 r 丘d ) ，再进行d 倍抽取，则抽取后的频谱就不会发 生混叠，如图3 4 所示。 j 猁。) 一万d ；万d ； 一2 万 o 2 万 图3 - 4 抽取前后的频谱结构( d = 2 ，无混叠) 而此时，( p 归) 可以准确地表示x ( e 7 。) 中小于z r d 或万，d 的频率分量信 号，所以这时对y ( e 7 。) 进行处理等同于对x ( e 7 。) 的处理，但前者的数据流速率 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 只有后者的d 分之一，大大降低了对后续信号处理速度的要求。完整的抽取器 如图3 - 5 所示，如果原始信号x ( e j 脚) 的频谱分量本身小于万d ，则前置低通滤 波器可以省去。 坐i 匝丑趣丑一p ， i一i：一 图3 5 抽取倍数为d 的抽取器框图 ( 2 ) 整数倍内插 整数倍内插是指在两个原始采样序列x ( n ) 抽样点之间插入i 1 个零值，形成 一个新序列y ( n ) ，其中： 输入输出函数时域关系 砌) ：k ) 当予_ 整数( 3 - 1 5 ) io其他 输入输出函数频域关系 y ( e 删) = x ( e 肿)( 3 1 6 ) 即经i 倍插值后新序列y ( n ) 的问隔是原序列x ( n ) 间隔的i 倍。内插后的序列 频谱】，0 归) 相对原始序列频谱x ( e j m ) ，其结构保持不变，但由于其采样率提高i 倍，使得y ( e 归) 不仅含有x ( e j 口) 的基带分量，而且还含有频率大于z r i 的高频 成分( 称其为x ( e 归) 的高频镜像) 。为了从y ( e j w ) 中恢复出原始谱x ( e j 。) ，则必 须对内插后的信号进行低通滤波( 滤波器带宽为万i ) ，则原来插入的零值变为 x ( n ) 的准确内插值，经过内插序列大大提高了时域分辨率，如图3 - 6 所示。 ： o甲( p 归) - 内插后i i 金乡刀、以 滤波后； 一万， 备，。歹， ； | 国7 mi 姒；m 图3 - 6 内插前后的频谱图( i = 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 由上述分析得出一个完整的i 倍内插器的结构如图3 7 所示，图中的滤波器 为带宽小于 ，的低通滤波器。 型p 2 昏1 图3 7 完整的i