（信息与通信工程专业论文）矢量测向系统中频数字接收机设计.pdf

国防科学技术大学研究生院j 学硕士学位论文 摘要 本文介绍了应用于某空间谱无线电监测与测向系统中的中频数字接收机的设计过程。 该中频数字接收机以软件无线电思想为核心，采用d s p + f p g a 的硬件结构，在信号处理能 力方面比以往的系统有了很大的提高，能够精确的完成信号正交解调和抽取滤波和特征信 息的提取。主要包括以下四个方面的内容： 一、中频数字接收机理论基础。首先介绍了中频数字接收机采用的过采样数字混频数 字接收方案，然后给出数学模型，从理论上论证了该方案的可行性； 二、数控振荡器设计与实现。首先阐述了数控振荡器的工作原理、优点和噪声分析， 接着具体阐述了数控振荡器的硬件实现。 三、过采样条件下的f i r 抽取滤波器设计与实现。介绍了f i r 抽取滤波器的工作原理、 设计原则和设计过程，然后具体阐述f i r 抽取滤波器的硬件实现。 四、d s p 对系统的全局控制。从d s p 信号的预处理、存储单元的读写操作实现、滤波 结果数据从f p g a 到d s p 的传送和中频数字接收机软件设计等几个方面具体说明d s p 对 系统的全局控制过程。 最后，针对存在的问题和以后改进的方向，做出几点思考。 关键字：中频数字接收机正交解调数控振荡器f i r 抽取滤波器d s p f p g 国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g np m c e s so fi m 唧e d i a t en q u e n c y ( i f ) d i g i t a lr e c e i v e r u s e di ns p a c es p e c t r u mr a d i os u p e r v i s i n ga i l dm e a s 嘶n gs y s t e m n l ei fd i g i t a l r e c e i v c r b 船e do n s o n w a r er a d i ot e c h n o l o g ya d o p t st h es t n l c t u r eo ff p g a p l u sd sp ，w h i c hi sm o r ep o w e r f u lt h a n o t h e rs y s t e m si ns i g n a lp m c e s s i n g ，a j l di sa b l et oc o m p l e t ei qd e m o d u l a t i o na c c u r a t e l ya n d a c q u i r ec h a r a c t e “s t i co f t h es i g n a i t h ef o l l o w i n gf b u ra s p e c t si si n c l u d e d ： f h 苫t ly t h et h e o r yb a s i so fi fd i g i t a lr e c e i v e ri si n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d e so v e r s a m p l i n g d i g i t a lm i x i n gr e c e i v i n gs c h e m ea n dm a t h e m a t i cm o d e lw i t hw h i c ht h es c h e m ei sp m v e d c o r r e c i l y s e c o n d l y ，t h en 啪e c a 儿yc o n t r o j l e do s c j l l a t o r ( n c o ) i sd e s i g n e da n dr e a l i z e d f j r s t ，t 1 1 e t h e o 畎t h em e ta n dn o i s ea 1 1 a l y z i n gi se x p “a t e do n ，a n dt i l e nt | l eh a r d 愀r e a l i z i n gp r o c e s so f i fd i g i t a lr e c e i v e ri si n t r o d u c e dc o n c r e t e l m t h i r d l y ，t h ef l rd e c i m a t i n gf j l t e ru n d e ro v e 卜s 锄p l i n gi sd e s i g n e da i i dr c a l i z c d t l l e w o r l ( i n gt h e o r y ；t h ed e s i g np r i n c i p l ea n dd e s i g np r o c e s si se x p a t i a t e do n ，a i l dt h eh 帕w a r e f e a l i z j n gp r o c e s so f t l l ef l rd e c i m a t i n gf i l t e ri sc o n c r c t e l yi n t r o d u c e d f o u r t h ly t t l es y s t e mi sc o n t r o l l e db yd sp t h ea l l - c o m r o lp r o c e s so fd s pt ot h es y s t e mi s s h o w ni nf o l l ra s p e c t si n c l u d i n gt h ep r e p r o c e s s i n go fd s p s i g n a l ，t l l er e a d - w r i t er e a l i z i n gt o m e m o r yu n i t s t i l ef i l t 嘶n gr e s u l td a t a 仃趾s p o f tf h nf p g a t od s pa i l dt 1 1 es o f t w a f ed e s i 印o f i f d i g i t a lr c c e i v e l f i n a l l y ，s e v e r a lc o n s i d e r a t i o n sa r eg i v e nt os o l v em ep r o b l e m s 觚dl a t e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：i fd i g j t a ir e c e i v e r ， i qd e m o d u l a t i o n ，n c o ， f i rd e c j m a t i n gf i i t e r d s pf p g 国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 图目录 空间谱估计测向系统示意图2 中频过采样数字混频数字接收机数学模型5 中频数字接收机结构框图8 a d 6 6 4 5 的内部结构框图1 0 n e x i i 的体系结构1 1 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 结构1 3 中频数字接收机系统结构框图一1 4 d s p 和f p g a 的接口1 5 n c o 一般原理图1 6 n c 0 原理说明示意图1 7 n c o 结构功能框图1 9 通道选择器接口结构图2 2 n c 0 工作流程图2 3 n c o 典型特性曲线2 4 中频数字接收机单路结构简图2 6 阶i l 类f i r 线性相位滤波器结构图2 7 ( a ) a d 采样后的频谱：( b ) 数字混频后的频谱2 8 f i r 抽取滤波器频率响应2 9 抽取滤波后的信号频谱2 9 抽取滤波器顶层原理图3 l 抽取滤波器仿真波形图一3 5 第四级可编程f i r 抽取滤波器结构3 7 第四级可编程f i r 抽取滤波器工作流程图3 7 d s p 异步存储器读时序图4 0 d s p 异步存储器写时序图4 0 d s p 控制信号预处理一4 1 d s p 数据信号预处理一4 l = ： ：暑 铊 躬 “ 勉 ” 潞 油 = = 娩 为 m 刚酏勘郾郾酊郾郾卧卧酊卧酣卧郾郾酏郾郾郾郾酏醣酞酞醣酿 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图6 5 用于写操作的地址译码模块结构图4 1 图6 6 读操作编码模块4 2 图6 7 读操作解码模块4 2 图6 8 全局控制寄存器结构图4 3 图6 9 全局控制寄存器读写控制逻辑实现4 4 图6 1 0 数字本振存储器读写控制逻辑设计4 5 图6 1 1滤波结果数据存储格式4 6 图6 1 2 中频数字接收机工作程序流程图4 7 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表5 1 前三级f i r 抽取滤波器的阶数和抽取率3 6 表5 2 第四级可编程滤波器的技术参数一3 6 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师稽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 其他入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： 学位论文作者签 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阋；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 学位论文作者 作者指导教师签名 望越舞 日期：彬年月1 日 国防科学技术火学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 本课题来源于军用、民用通信电磁频谱监测。电磁频谱监测主要用于两个方面：一是 检测辐射源的存在；二是分析辐射源的特征，包括调制方式、调制参数、信号功率、信号 频率和测向定位。 众所周知，无线电频谱是种不可缺少的有限自然资源，应该合理利用，并进行有效 的管理。因此，电磁频谱监测和无线电测向不论在军事领域还是在其它领域都具有重要意 义。随着数字化、自适应和调制等新技术的迅猛发展，现在空问电磁坏境与以前相比发生 了深刻的变化，出现了同频多源重叠、多径干扰、大带宽( 3 0 m 一3 g ) 、大动态范围等一 些新的问题，针对这些问题，传统的测向系统由于受到测向原理的限制存在种种缺陷而无 法满足需求。空间谱估计测向技术应运而生。 传统的测向技术和测向设备都是基于以入射到测向天线阵的无线电波的波阵面的法 线方向作为来波方向的。因此不管是采用何种测向体制和测向机，由于其测向原理的限制， 一般都不同程度地存在以下缺点： ( 】) 测向精度与阵元及阵列的几何尺寸有关。一般地说，与波长相比，阵列几何尺寸大 时测向精度高，反之测向精度低。 ( 2 ) 空间分辨率与波束宽度有关。一般不能分辨波束宽度内的两个以上方向来的信号。 ( 3 ) 不能对由多径效应造成的多个信号进行测向。也就是说，以传统测向原理为基础的 测向设备一般不适用于多信号电磁环境。 ( 4 ) 对阵元和阵列的结构要求严格。传统的测向设备通常要求其射频前端( 主要是天线 阵) 具有高度对称性，任何不对称都会造成测向误差。 ( 5 ) 对测向场地要求严格。由于场地的不平整、周围一定距离内有反射物等等不良场地 条件也都会引起测向误差。 出于存在上述种种弱点，传统测向设备的性能尚不尽人意。这些弱点是原理上的弱点， 也是本质的弱点，因此，在传统测向原理基础上开发的测向机，性能不可能有革命性的改 变。 空日j 谱估计测向技术是近二十几年发展起来的新型测向技术，它主要是根据在不同位 置的天线所接收到的空间来波信号样本( 通过采样获得) 、天线位置参数和阵元的特性参 第l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 数，应用现代谱估计理论和统计学理论及相应的数学运算，对来波的频谱空间分布进行估 计，并分析频谱能量的分布状态，以确定空间来波的方向。空间谱估计测向技术与传统的 测向技术相比有杰出的优点，传统测向技术的不足，几乎可以用空间谱估计技术克服。首 先，空阳j 谱估计测向技术分辨率高，它可以对方向上靠的很近的、处于阵列宽度咀内的两 个以上信号进行测向：其次，空间谱估计测向技术具有高精度的特点。空间谱估计测向技 术采用了特殊的算法，很多算法都具有渐进无偏的估计结果，因此与其它测向技术相比测 向精度有较大的改善；第三，空间谱估计测向技术可以多信号测向，这是它最主要的优点。 空间谱估计测向技术不但可以对不相关、部分相关的多个信号同时测向，也可以对几个相 关信号同时测向。正是由于这种技术具有上述种种优点，使其在军事领域以及其它领域获 得越来越广泛的重视。 1 2 空间谱估计测向的系统组成 空问谱估计测向系统有多元天线阵、多信道接收机、数字信号处理设备和终端显示单 元四个部分组成。如图1 1 所示。 咂巫卜一数 咂 ， 字 终 信端 号 显 天线阵j 处 一 不 理单 设兀 ，丽1 各 i，一 图1 1 空间谱估计测向系统示意图 其中多元天线阵主要用于接收空中的无线电信号，并将电磁波信号转化为电信号送给 接收机。多元天线阵有线阵排列和圆阵排列两种形式，线阵排列的天线单元均匀分布在一 条直线上。山于其数学关系比较简单，介绍空间谱估计测向原理多以此为例。与干涉仪测 向体制要求相同，天线问距与电磁波波长之比不能大于o 5 ，否则分出现相位模糊。此要求 在高频段将导致天线问严重互稻，影响测向系统的精度。而圆阵天线相对来说不存在相位 模糊问题，因此在超短波频段被广泛采用。 第2 页 国防科学技术人学研究生院i ：学硕士学位论文 多信道接收机的主要功能为将多元天线阵接受的射频信号放大、在变频为便于a d 采 样的中频信号。一般来说天线阵有几个单元，对应的接收机就有几个信道，并且要求多信 道接收机必须采用同一本振。对接收机的要求为动态范围大，相位一致性好。 数字信号处理设备包括d 变换器和信号处理设备。a ，d 变换器的主要作用是将中频 信号采样变换为数字信号，提供给信号处理设备，信号处理设备按照人们预先编写的算法 程序对数字信号进行处理，求出空中无线电信号的来波方向。 终端显示单元为人机交互界面。它接受操作人员对设备发出的指令，按指令要求完成 测向功能或其他功能，并将处理结果按照人们的要求进行显示。 1 3 本文所做的工作 本文介绍了某空间谱无线电监测与测向系统中频数字接收机的设计过程。该系统由8 单元三波段天线系统、8 通道接收机、8 路数字中频接收处理单元、工控机系统组成。接 收机接收天线的高频信号( 3 0 m h z 一3 0 0 0 m h z ) ，经过两次下变频得到l o 7 m h z 的中频信 号。信号带宽为2 m 1 1 z ；数字中频接收处理单元完成中频模拟信号的高速率宽带采样、数 字1 0 解调、抽取滤波、信号特征量的提取、f f t 运算、接收机与天线控制、数据的传输 等预处理任务；工控机系统通过p c i 总线与数字中频接收处理单元交换数据，承担了8 个 接收通道的管理和控制、频谱分析、信号分析、信道分析、频谱管理、无线电测向、显示、 存储、打印等功能。 本文主要研究数字中频接收处理单元中的中频数字接收机设计，实现中频模拟信号的 高速率宽带采样、数字i o 解调、抽取滤波等功能。所做工作有： ( 1 ) 中频数字接收机设计理论基础； ( 2 ) 中频数字接收机结构设计； ( 3 ) 数控振荡器( n c o ) 设计与实现； ( 4 ) 过采样f i r 抽取滤波器设计与实现； ( 5 ) d s p 对系统的全局控制： 第3 页 国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 第二章中频数字接收机理论基础 目前，中频数字接收机的设计方案较多。就采样技术而言，有采用欠采样技术的中频 带通采样数字接收机，也有采用过采样技术的中频过采样数字接收机。中频带通采样数字 接收机以远低于抽样定理的n y q u i s t 采样率进行模数转换，从而降低对a d c 的要求，减轻 了后端数字处理部分的负担。但这种接收机只允许一个频带上有信号，不允许在不同的频 带上同时有信号，而且，信号的中心频率( 中频) 和带宽一般要求固定不变。这使其在对 信号的适应性、扩展性和灵活性方面存在明显不足；中频过采样数字接收机的采样率远高 于抽样定理的n y q u i s t 采样率，从而对a d c 要求较高，由于数据处理量较大，增加了后端 数字处理部分的负担，但这种接收机精度高，由良好的适应性和灵活性。 就正交变换而言，有的接收机采用数字混频实现i q 解调，也有的接收机采用基于多 相滤波的正交变换。采用数字混频可以使i q 解调有足够高的精度，但对后续数字低通滤 波器要求较高；基于多相滤波的正交变换不需要正交本振，对后续数字低通滤波器要求较 低，但中频要求固定。 综合考虑各种因素，我们确定用过采样数字混频数字接收方案实现中频数字接收机， 这有三个方面的原因：首先，空问谱无线电监测与测向系统为了能够实现对弱小目标的监 测，要求系统的各个组成部分都要有很高的精度，不论是模拟部分还是数字部分，而采用 过采样技术和数字混频实现l q 解调有利于提高数字接收机的精度。第二，在空间谱无线 电监测与测向系统中，中频数字接收机要接收的中频信号带宽较窄，只有2 m l l z ，这种信 号特性有利于过采样数字接收方案的硬件实现。第三，近年来，随着电子技术的迅猛发展， 电子器件的性能有了显著的改善，已出现了采样率l o o m 以上、分辨率在1 4 位以上的a d c ； 很多逻辑器件不仅有大规模可编程逻辑单元，而且还集成了硬件乘法器，单个时钟就可以 完成一次乘法运算。这些新的变化使中频信号在过采样条件下进行数字化接收变为可能。 2 1 中频数字接收机数学模型 中频数字接收机数学模型是对中频数字接收机进行理论分析、工程设计以及专用集成 电路设计的基础和i j 提，也是深入理解中频数字接收机概念，形成系统性理论框架的最佳 途径。中频过采样数字混频数字接收机数学模型如图2 1 所示： 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 叫二竺h：二i 二二i f 。1 趣亟习 亘 争”， i ，： fff f - - l - - i - i - _ - 一赳叠丑屯豆p 。m ， i 一一一一一一一一： 图2 1 中频过采样数字混频数字接收机数学模型 任何一种实的调制信号x ( t ) 均可表示为： x p ) = 口( f ) c o s 【丘，+ 占( f ) 】( 2 1 ) 经d 转换后得到： x ( 胛) = 日( 疗) c o s 【玎+ 口( 聍) 】( 2 2 ) 式中，n ( ”) 为信号的幅度调制分量，占( 开) 为信号的相位调制分量，为信号( 数字) 载频 或中心频率。如果上式用三角函数展开，则可写为： z ( ) = 口( 丹) c o s 【珊。疗+ 口( 疗) 】 = 口( 盯) c o s 【目( 玎) 】c o s ( o 门) 一s i n 【口( 玎) 】s i n ( 甜。以) = 口( 珂) c o s 【口( 胛) 】c o s ( o ) 一口( 圩) s i n 【口( 一) 】s i n ( o ”) = ，( 甩) c o s ( o 疗) 一q ( 行) s i n ( 脚o n )( 2 3 ) 式中， ，( 疗) = 口( ，) c o s 【口( 一) 】( 2 4 ) g 胛) = 口( 胛) s i n p ( ，力】( 2 5 ) 分别称为信号的同相分量和正交分量。由于载频不含信息，所以用同相分量，( 疗) 和正交 分量q ( n ) 即可完全描述给定信号的特征，而对信号进行l q 解调的目的实际上就是提取这 两个正交分量。x ( 丹) 然后分两路与来自数控振荡器的正交数字本振进行数字混频，得到两 路i q 信号，其中i 信号为： 工( 盯) c o s ( 吐，o 玎) = 口( ”) c o s 珊。疗+ 疗( 拧) 】c o s ( o 疗) = 口( 疗) c o s 【o 玎+ 口( 门) + 珊。九】+ c o s 珊。订+ 口( 丹) 一o 订】 = 三日( 肝) c o s 【2 n ”+ 口( 聆) 】+ c o s 【口( 门) 】) = 吾咖) c 。s m 。”+ 鼬) 】+ 丢咖) c 。s 妒( 纠 第5 页 国防科学技术火学研究生院工学硕士学位论文 = 三咖) c 。s m 。”删”) 】+ 三坳) ( 2 6 ) q 信号为： x ( 以) s i n ( 国。甩) = d ( 九) c o s 【甜o h + 口( 胛) 】s i n ( 珊。以) = 妄d ( 胛) s i n 【国。疗+ 口( 打) + c p o 卜s i n 【c p o 玎+ 口( 胛) 一吐刀】 = 日( 打) s i n 【2 丘n + p ( 胛) 】一s i n 【口( 甩) 】) = 三n ( ”) s i n 【2 。一+ 口( ”) 卜三日( 肝) s i n 【p ( 肝) 】 = 三口( n ) s i n 2 n 0 一+ 护( 一) 卜三q ( ”) ( 2 7 ) 由上两式可见，i q 两路信号不仅含有正交分量，而且还含有2 倍载频的高频分量。接下来 i q 两路信号通过一组抽取滤波系统，如图2 1 虚线框所示，低通滤波器和后接的抽取器一 起构成了一个标准的抽取滤波系统。这里采用抽取滤波系统的目的有三：第一，降低数据 率，减轻后端数字处理单元的负担；第二，滤除数字混频后的高频分量：第三：滤除高频 噪声，防止高频噪声在抽取过程中混叠到基带信号中去。如果抽去因子d 很大时，可以采 用多级抽取滤波结构( 如图2 1 所示) ，这有利于硬件实现。图中共采用了m 级抽取，每 一级的抽取因子分别为以= l ，2 ，肘) ，总的抽取因子为： d = 兀d 。 ( 2 8 ) i q 两路信号经抽取滤波后得到正交基带信号，( 加) 和q ( 小) ，再送到瞬时特征提取单元进行 瞬时幅度口( 肌) ，瞬时相位目( 删) 和瞬时频率厂( 阴) 的计算，计算公式如下： 口( m ) = ，2 ( m ) + q 2 ( m ) ( 2 9 ) 口( 脚) ：a r c 粤婴 ( 2 1 0 ) 、7 ，( 卅1 、 厂( m ) = 口( m ) 一目( m 1 ) ( 2 1 1 ) 晟后把这三个瞬时特征连同两个基带信号( m ) 和q ( 朋) 一起送到后续的解调分析模块完成 信号的识别、解调等功能。 2 2 采用过采样技术的优势 中频数字接收机采用过采样技术会带来三个好处。首先，可以提高信噪比，由于存在 第6 页 国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 量化误差，a d c ( 模数转换器) 的信噪比可用下式近似表示： 黜娟“舶删g 别。：， 式中，h 为a d c 的位数，t 为采样频率，b 为模拟信号的带宽。由上式可以看出，如果 a d c 的采样速率远大于信号带宽的两倍，就能带来可观的信噪比，具体来说，采样率每提 高一倍，信噪比增加3d b 。其次，有利于防止高频噪声在采样过程中混叠到信号中去。第 三，高速采样还可降低对抽取滤波器性能的设计需求，因为高的采样率意味着长的频谱周 期，即抽样频域中信号频谱的各个拷贝相距较远，这样会使低通滤波器有相对较长的过渡 带，从而使低通滤波器有很少的阶数就可以满足要求，这非常有利于硬件实现。 2 3 本章小结 中频数字接收机的设计方案较多。就采样技术而言，有采用欠采样技术的中频带通采 样数字接收机，也有采用过采样技术的中频过采样数字接收机。就正交变换而言，有的接 收机采用数字混频实现i q 解调，也有的接收机采用基于多相滤波的正交变换。本章介绍 了采用过采样数字混频数字接收方案实现中频数字接收机的数学模型，从理论上论证了该 中频数字接收机的可行性，同时也说明了中频数字接收机采用过采样的优势。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第三章中频数字接收机总体设计方案 本章介绍中频数字接收机总体设计方案。从硬件结构、主要芯片结构、特点以及系统 结构三方面加以介绍。 3 1 中频数字接收机硬件结构 本文所研究的中频数字接收机要实现中频模拟信号的高速率宽带采样、数字i q 解调、 抽取滤波等功能。为此，中频数字接收机有四个部分组成：首先是模数转换部分，实现中 频模拟信号到中频数字信号的转换：第二部分是i q 解调部分，提取两个正交分量；第三 部分是抽取滤波部分，把两路正交分量搬移到基带；最后一部分是控制部分，实现对整个 中频数字接收机系统的控制。 近年来，随着电子技术的迅猛发展，d s p ( 数字信号处理器和) f p g a ( 现场可编程逻 辑阵列) 的性能日益提高。采用d s p + f p g a 数字硬件结构显示的优越性正愈来愈得到人们 的重视。d s p 算法控制结构复杂，运算速度高，寻址方式灵活，通信性能强大；f p g a 容 量大，资源丰富，工作速度高，具有重复可编程性。把二者的优点结合在一起，兼顾速度 和灵活性，既能满足低层信号处理要求，又能满足高层信号处理要求。为此，本文的中频 数字接收机采用d s p + f p g a 数字硬件结构，结构框图如图3 1 所示。 p c l 总线 图3 1 中频数字接收机结构框图 该数字接收机可以同时对两路中频模拟信号进行接收。l o 7 m h z 模拟中频信号经a d ( a d 公司的 d 6 6 4 5 ) 以8 0 洲z 的采样率转换后直接进入f p g a ( x i l i l l ) 【公司的x c 2 v 1 0 0 0 ) ，在 f p g a 内完成数字l q 解调和抽取滤波，s r a m ( c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 2 1 ) 作为查找表存 第8 页 国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 放正交本振数据。正交基带信号在d s p ( t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ) 中完成信号特征信息 的提取，处理后的数据在由p c i 总线进入工控机。同时，d s p 还作为系统的控制器。对整 个系统进行全局控制。 3 2 主要芯片介绍 3 2 1 模数转换器a d 6 6 4 5 ( 1 ) 概述 a d 6 6 4 5 是美国a d 公司继a d 9 0 4 2 、a d 6 6 4 0 和a d 6 6 4 4 之后推出的第四代宽带模， 数转换器。包括跟踪保持放大器( 1 ) 和基准电压源等在内的所有功能都集成在片内， 以实现完整的，d 转换设计。为满足多通道、多模式接收机的要求，a d 公司在高速互补 双极工艺( x f c b ) 的基础上，采用1 种先进的多路径结构，将a d 6 6 4 5 设计成为1 种高 速、高性能的单片1 4 位a d 转换器。标准采样率达到8 0 m s p s ，双音无杂散动态范围( s f d r ) 为1 0 0 d b ：噪声性能也相当好，典型的信噪比为7 4 5 d b 。数字输出采用2 的补码形式，电 平与l ，v c m o s 兼容。 a d 6 6 4 5 适用于宽带系统( 如多载波的3 g 蜂窝系统和无线通信) 中的单信道和多信道 数字接收机，其很高的s f d r 和过采样性能，可以降低系统对前端射频元器件的要求，从 而降低系统的复杂性，也能降低生产成本。 a d 6 6 4 5 的主要特点是： 高采样速率。标准采样率达到8 0 m s p s ，其高性能的输入级电路可以保证对频率 高达2 0 0 m h z 的信号进行中频采样； 高分辨率( 1 4 位) 和宽动态范围( 1 0 0 d b ) ： 模拟信号差分输入方式； 输出数据格式采用2 的补码形式； 完整的解决方案，片内包含跟踪保持放大器和基准电压源； 采用+ 5 v 和+ 3 3 v 两组电源分别为模拟部分和数字部分供电，功耗约为1 5w ； 采用增加散热的5 2 引脚l q f p - p q 4 型封装。 f 2 ) 工作原理 图3 2 是a d 6 6 4 5 的内部结构框图。采用3 级转换结构，这种设计可以满足转换精度 和速度的要求，同时又能保证低功耗和小尺寸。a d 6 6 4 5 采用差分输入方式，有a i n 和 a i n 两个互补的模拟输入引脚，每个输入都以+ 2 4 v 的基准电压为中心，围绕该参考电压 第9 页 国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 可以有0 5 5 v 的摆幅波动，因此，差分模拟输入的信号幅度为2 ，2 v p 枷 v d v r i n dd m m o v rd r y 8 & d 2 d r ) o 胂撒f ) d 6 d 5d | d 3 d 2 n 。 图3 2a d 6 6 4 5 的内部结构框图 模拟输入经过缓冲后送到第一级取样保持( t h l ) 电路，在e n c o d e 脉冲的高电平期 问，t h l 置为保持模式。t h l 的保持值送到5 位的a d c l 进行粗转换，a d c l 的输出驱动 数模转换器d a c l 。d a c l 采用激光修整技术使精度达到1 4 位。d a c l 的输出被延迟的 模拟信号相减后得到第一级剩余信号，经放大后输入到t h 3 。t h 2 作为模拟流水工作以抵 消a d c l 产生的延迟。第一级剩余信号送到第二级进行转换，第二级包括1 个5 位的a d c 2 、 d a c 2 和延迟流水线t h 4 。d a c 2 具有1 0 位精度。由t h 4 保持的第一级剩余信号减去d a c 2 的量化输出信号后得到第二级剩余信号。第二级剩余信号作为t h 5 的输入，t h 5 驱动最后 一级的6 位a d c 3 。a d c l 、a d c 2 和a d c 3 的输出在数字误差校正逻辑电路中合并，并加 以校币，产生最后的1 4 位并行数据，以2 的补码形式输出。 3 2 2现场可编程逻辑门阵列( x c 2 v l o ) ( 1 ) v i r t e x i i 结构 v i r t e x i i 系列是x i j i n x 公司近几年研发的具有高性能、高速度和低功耗特点的新一代 f p g a 。它一问世，就备受界内人士的青睐。该系列f p g a 基于i p 核和专用模块设计，能够为 电信、无线电、网络、视频和数字信号处理领域的应用提供完全解决方案。n e x i i 系列 f p g a 的具体结构如图3 3 所示，主要由以下几部分构成“”； c l b ( 可配置逻辑块) ，提供构造逻辑的配置单元。每个c l b 资源包括4 个s c e 和两个三态缓冲器，每个s l i c e 包括两个函数发生器，两个存储单元，两个算数 逻辑快速进位逻辑链等，其中两个函数发生器可配置成4 输入的l u t ，1 6 位移位 寄存器，及1 6 字节的分匆式r a m 。 i o b ( 输入输出块) ，提供封装引脚到c l b 的接口。 第1 0 页 | 三 腿邢 皇a 型圭i 国防科学技术火学研究生院工学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = = 2 。2 2 。亍2 。2 2 2 2 。2 2 。2 2 2 2 2 2 哥2 2 。2 2 2 。 块r a f 资源，呈柱形排列，形成嵌入式存储块，可以配置成单端口或双端口模式 的同步r a m 。 图3 3v i r t e x i i 的体系结构 d c m 时钟管理，提供一个高速的时钟管理：产生新的系统时钟，其相位同输入时 钟相同，并消除了时钟分布延迟；对输入时钟进行分频、倍频，产生多频率时钟； 对输入时钟进行相位延迟：本文在设计各种时序时，充分利用了d c m 对输入时钟 进行倍频、分频的功能，使设计的时序稳定、可靠。 g 蹦是个出水平和垂直布线通道节点构成的布线开关阵列。提供c l b 、1 0 b 、 s e l e c t b r a m 、d c m 之间的护连。 f 2 1v i r t e x 1 i 主要性能 v ir t e x i i 系列f p g a 具有以下方面的主要性能： 容量大：目前最大容量可达到8 0 0 万门； 速度快：4 2 0 m h 的内部时钟速率，商达8 4 0 m h z 的i o 速率； 丰富的内部r 心：最大容量为3 m b ； 高性能的时钟管理电路：每个v i r t e x i i 器件都有十六个预先设计好的低相偏时 钟网络( 1 0 w s k e wc l o c kn e t w o r k s ) ，省却高性能设计中复杂的时钟树分析。此 外，v j r t e x 一器件还包含十二个数字时钟管理器( d c m ) ，可产生运作范围内任何 频率的时钟，并且提高了时钟边缘配置( c l o c ke d g ep l a c e j i 】e n t ) 的准确率，使 误差降到百分之一。 支持1 9 种单端i o 和6 种双端差分i o 标准； 内嵌1 8 x 1 8 b i t 乘法器； 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 具有部分重构功能； x c 2 v l o o o 是v i r t e x 儿家族的一员，具有如下主要特点： l o o 力个系统门： 4 0 x 3 2 个可配置逻辑单元( 512 0 个s l i c e ) ； 4 0 个1 8 x 1 8b i t s 乘法器，一个工作时钟内即可完成乘法运算； 7 2 0k b j t sr a m ，可灵活配置( 单口、双口、有使能或无使能等) ； 8 个d c m ( d i g i t a lc l o c km a n a g e r ) 模块； 3 2 8 个用户i o 。 此外，x i l i n x 公司还为丌发者提供了功能强大的开发平台( i s e ) ，开发者可通过该平 台完成全部没计。 3 2 3信号处理器( t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ) t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 芯片是1 9 9 7 年美国t i 公司推出的d s p 芯片，包括定点和浮 点两种系列t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 是该系列高端定点数字信号处理器。业界领先的高性能 1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p s 已成为第三代( 3 g ) 无线通信基础设施、宽带通信和图像处理领域事实 上的首选器件。1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 结构如图3 4 所示，它主要由三部分组成：c p u 、外围设 备和存储器。存储器包括片内程序存储器和数据存储器，外围设备主要包括直接存储访问 ( d m a ) 控制器、低功耗逻辑、外部存储接口( e m i f ) 、串行接口、扩展总线或主机端口( h p i ) 、 定时器和锁相环时钟发生器。它具有以下特性： 多功能单元：在c p u 内有8 个并行的处理单元，分为相同的两组。8 个功能单元最多 可以在一个周期内同时执行八条指令。由于多功能单元的并行操作，使d s p 在相同 的时问内完成更多的操作，因而提高了d s p 执行的速度。 v l l w 体系结构：d s p 体系结构采用超长指令( v l l w ) 结构，单指令字节长3 2 b i t ， 8 个指令组成一个指令包，总字长为8 x 3 2 = 2 5 6 b i t ，芯片内部设置了专门的指令分 配模块。可以将2 5 6 b i t s 的指令包同时分配到8 个处理单元，并由8 个处理单元同时运 行。 修正的哈佛总线：d s p 采用了独立程序总线和数据总线的哈佛结构总线结构，这样 d s p 就能够同时耿指和取操作数。而且很多的d s p 甚至有两套或两套以上的内部数 据总线，这种结构称为修正的哈佛总线结构。c 6 0 0 0 系列正是采用了这种修正的哈 佛总线结构：一套2 5 6 位的程序总线、两套3 2 位数据总线和一套3 2 位的d m a 专用总 线。 第1 2 页 囡防科学技术人学研究生院l ：学硕士学位论文 a d 图3 4t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 结构 很强的外部接口能力：c 6 0 0 0 系列的d s p 的e f ( 外部存储器接口) 是外部存储器 与c 6 0 0 0 片内其它单元的接口，它具有很强的接口能力。其数据总线宽度为3 2 b i t ， 可寻址空间为4 g b ，数据的吞吐能力可高达9 3 2 m b y t e s 。e m i f 支持多种器件类型包 括：同步静态r a m ( s b s r a m ) ，读写速度可以达到1 2 或1 个c p u 时钟频率；同 步动态l 认m ( s d r a m ) ，接口速度为l 2 c p u 时钟频率：异步器件，与t i 前几代 d s p 相比，c 6 0 0 0 在异步接口上更显的方便。用户可以灵活的设置读写周期，实现 与不同速度类型的异步器件接口，包括异步s r a m 、r o m 和f l a s h 、f p g a 以及 f i f o 等。 具有4 个d m a 通道：c 6 0 0 0 的d m a 控制器具有四个相互独立的编程的传输通道， c 6 0 0 0 内部的d m a 控制器可以在没有c p u 参与的情况下完成映射存储空间的数据 搬移。这些数据搬移可以是在片内存储器、片内外设或是外部器件之间。其特点 是：后台操作，d m a 控制器可以独立于c p u 工作：高吞吐率，能以c p u 时钟的速 率进行数据吞吐。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 3 3 中频数字接收机系统结构 如何在f p g a 中实现i q 解调和抽取滤波是最终要解决的问题。具体包括三个方面的 内容：用于i q 解调的数控振荡器( n c o ) 的设计与实现；用于抽取滤波的抽取滤波器设 计与实现；d s p 对中频数字接收机系统的控制设计与实现。在对f p g a 的资源和系统可实 现性进行分析和论证后，确定如罔3 5 所示中频数字接收机系统实现方案。 模拟竹v l 模批信q2 数字澍颠 f 】r 抽吼滤波嚣 ( 系数固定，抽2 ) 三主二兰- _ 一 f l r 抽耻滤波措 ( 乐嚣i 目定抽4 ， f i r 抽取墟波器 ( 系觳耐定抽2 二亚 兀r 抽取滤波器 ( 可蝙程) 二匹 结果储存 ( 1 0 2 4 x 3 2 ) 地址发生 逻辑 夸局控制寄存嚣 叛串控$ g 字寄存嚣 翱位控制卒寄存嚣 f i r 仙取率寄存嚣 f l r 阶投奇存器 轴山控制寄存罂 存储状态寄存嚣 f l r 泵簸存镄器 f l r 系羲存铀器 教字丰振存储嚣 结果存储器 f p g a 拙宁本振) p c i 总线 图35 中频数字接收机系统结构框图 在图3 5 的系统实现方案中，用于i q 解调的数控振荡器( n c o ) 由f p g a 内部的地址 发生逻辑和f p g a 外部的数字本振查找表( s r a m ) 组成，数字混频器用f p g a 内嵌的1 8 x 1 8 b i t s 乘法器实现。 抽取滤波用四级f i r 抽取滤波器实现，前三级f i r 抽取滤波器系数固定，用l i 类f i r 线性相位滤波器实现；第四级是可编程f i r 抽取滤波器，它的系数，阶数和抽取率都可控， 采用直接型