（信号与信息处理专业论文）基于fpga的宽带数字接收机技术研究.pdf

摘要 摘要 随着近年来软件无线电理论和应用趋于成熟与完善，软件无线电技术已经被越 来越广泛地应用于雷达通信及各种军用和民用的无线通信系统中。作为软件无线 电的核心技术之一，数字接收机技术也得到了越来越普遍的应用。 本论文正是运用现场可编成逻辑器件( f p g a ) 设计与实现数字接收机问题开 展研究，结合坐标旋转数值计算( c o r d i c ) 算法实现数控振荡器( n c o ) ，得到一种 免乘法器高效可移植性好的数字接收机f p g a 实现结构，并在现有的硬件平台上 进行了接收机系统的调试，测试结果表明该接收机能够达到系统指标要求。本文 的主要内容为： 1 、首先介绍了数字接收机的基本理论和结构，对完成各级数字信号处理所涉 及到的c o r d i c 、分布式算法( d a ) 、多相滤波等关键算法做了适当介绍和分析。 2 、对接收机各个模块算法进行分析，确定各模块的实现方式，并改进了基于 经典正则带符号码( c s d ) 的共用子模块( c s e ) 算法的f i r 滤波器设计，以提高滤波 器的实现速度。根据某宽带数字接收机的具体指标要求，对经典的接收机结构进 行了改进，设计出一种高效的数字接收机结构，并通过计算机仿真验证了方案的 可行性。 3 、对电压转换、抽取滤波器和混频器等接收机各子模块进行了算法仿真及 v h d l 代码编写、仿真和调试。 4 、在现有硬件平台上完成了对该数字接收机系统的调试和测试，测试结果表 明该宽带数字接收机能够正常工作并满足所需技术指标要求。 关键词：c o r d i c ，二次混频结构，c s e ，d d c ，高效d d c 结构 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o m i n go fs o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ( s d r ) r e d e f i n e st h ew a yt oi m p l e m e n t r e c e i v e r s w i t ht h et h e o r yg e t t i n gm o r em a t u r e da n dc o m p l e t e d ，s d rt e c h n o l o g yh a s b e e nw i d e l yu s e di nc e l l u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma sw e l la so t h e rc i v i la n dm i l i t a r y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a so n eo ft h ec o r et e c h n o l o g i e so fs d r ，d i g i t a l r e c e i v e ri sa l s og e t t i n gm o r ea n dm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em e t h o dt od e s i g na n dr e a l i z et h ed i g i t a lr e c e i v e ri nt h ef 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 ) h a sb e e nd i s c u s s e d ；c o m b i n i n gc o o r d i n a t er o t a t i o n d i g i t a lc o m p u t e ( c o m m i e ) t od e s i g nn c o ，w eg e tae f f i c i e n ts t r u c t u r ew i t h o u t m u l t i p l i c a t i o n s 1 1 1 em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i si n c l u d e ： 1 _ i n t r o d u c i n gb a s i ct h e o r ya n da r c h i t e c t u r eo fd i g i t a lr e c e i v e ra n ds u m m a r i z i n g v a r i o u sk e ya l g o r i t h m ss u c ha sc o r d i c ，d a ，p o l y p h a s ef i l t e r i n g ，e t c ，t h a ta r eu s e db y d i f f e r e n tf u n c t i o nu n i t s ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sa na r c h i t e c t u r eb a s e do nf p g a i m p l e m e n t a t i o na n dc o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i s 2 a n a l y z i n ge a c hm o d u l ea l g o r i t h mo f t h er e c e i v e r , a n di m p r o v i n gt h et r a d i t i o n a l c o m m o ns u b e x p r e s s i o ne l i m i n a t i o n ( c s e ) a l g o r i t h mw h i c ht h ef i rf i l t e rd e s i g n sb a s e d o nt h ec a n o n i c a ls i g n e d - d i g i t ( c s d ) t oe n h a n c e st h ef i l t e rt h er e a l i z a t i o ns p e e d a c c o r d i n gt or e q u i r eo ft h ew i d e b a n dd i g i t a lr e c e i v e r , i m p r o v i n g t h et r a d i t i o n a l a r c h i t e c t u r eo fd i g i t a lr e c e i v e rt od e s i g nae f f i c i e n ta r c h i t e c t u r e ，a n dc o n f i r mt h e a r c h i t e c t u r ef e a s i b i l i t yt h r o u g ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n 3 s i m u l a t i n gt h ed i g i t a lr e c e i v e rs u b m o d u l e p r o g r a m i n ga n dd e b u g g i n gt h e v r d lc o d e 4 c o m p l e t i n gs y s t e md e b u g g i n ga n dt h et e s ti nt h ee x i s t i n gh a r d w a r ep l a t f o r mo f t h ed i g i t a lr e c e i v e r , t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h i sw i d e b a n dd i g i t a lr e c e i v e rc a nw o r ka n d s a t i s f i e sn e e d st h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nr e q u e s t k e yw o r d s ：c o r d i c ，t w o - t i m e sm i x e gc s e ，d d c ，e f f i c i e n ta r c h i t e c t u r e i i 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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：j 金i 绛硅日期：御缉r 月留日 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：韬芭蛙导师签名：这哕 日期：一么年厂月彦日 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 随着近年来现场可编程门阵列( f p g a ) 器件和通用数字信号处理器( d s p ) 在芯片逻辑规模和处理速度等方面性能的迅速提高，用硬件编程或软件编程方式 实现无线功能的软件无线电技术在理论和实用化上都趋于成熟和完善。软件无线 电技术只需通过软件上的更新就能够选择不同的业务或调制方式、追加和修改功 能，具有传统硬件方式所无法比拟的灵活性、开放性和可扩展性。因此，软件无 线电技术已经被越来越广泛地应用于各种军用和民用的无线系统中。软件无线电 的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能的直接数字化，将其变换为适合 d s p 器件或计算机处理的数据流，然后通过软件来完成各种功能。在现阶段，由 于受各种关键器件，特别是受模数变换器( a d c ) 采样速率、工作带宽和通用d s p 器件处理速度的限制，数字中频软件无线电正成为理想软件无线电的一种经济、 适用的折中选择。在目前大多数软件无线电接收机中，一般先经模拟下变频至适 当中频，然后在中频用a d c 数字化后输出高速数字中频信号，再经数字下变频 器( d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r - - d d c ) 的变频、抽取和低通滤波处理之后变为低速的 基带信号，最后将基带信号送给通用d s p 器件作后续的解调、解码、抗干扰、抗 衰落、自适应均衡等处理。这样大大降低了对a d c 和d s p 器件性能的要求， 便于实现和降低成本。数字下变频器在这里起到前端a d c 和后端通用d s p 器 件之间的桥梁作用。因此，数字接收机成为软件无线电的核心技术之一。 1 2 数字接收机产品的现状 目前，国外在d d c 产品上技术领先的公司有美国的i n t e r s i l 公司( 前身为 h a r r i s 公司) 、a d i 公司和g r a y c h i p 公司。他们的单通道d d c 代表产品有 i n t e r s i l 公司的h s p 5 0 0 1 6 、h s p 5 0 2 1 4 b ；a d i 公司的a d 6 6 2 0 ；g r a y c h i p 公司的 g c l 0 1 l 、g c l 0 1 2 等。这些器件都具有较优异的性能参数和较强的功能。许多型 号的d d c 芯片( 如i n t e r s i l 公司的h s p 5 0 2 1 4 b ) 事实上其功能己远远不只是下 变频，还包括了成形滤波器、定时同步内插滤波器、重采样n c o 、坐标变换、数 电子科技大学硕士学位论文 字a g c 等功能，其芯片内部的各个功能模块均是可编程的，将其与通用d s p 器 件结合，便可构成一个标准的数字化多模式软件无线电接收机硬件平台，“数字 下变频”在软件无线电中的意义已不再仅仅是简单的下变频概念了。 但是这些d d c 专用芯片由于输入与输出数据速率的限制使得它并不能作为宽 带接收机的下变频模块。 宽带数字接收机系统是对系统输入的宽带信号直接进行带通采样，系统中的 数字下变频( d d c ) 模块需要在高输入数据率和高带宽的条件下工作，目前还没 有合适的专用d d c 器件能满足这些要求，为此我们必须另觅途径。 当前复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和可编程门阵列( f p g a ) 等现场可编程 器件的发展非常之快，无论是在规模、处理速度还是功耗上，都有了长足的进步， 有鉴于此，我们在系统设计时期望采用f p g a 来完成d d c 模块的功能。但是在高 数据率情况下，用f p g a 来实现多位乘法运算存在相当大的困难，所以需要寻求 高效的d d c 实现结构，尽量让滤波和混频这些需要乘法运算的部分能以较低的数 据率完成，从而可以直接采用f p g a 技术实现。 近年来f p g a 器件在工艺方面的进步和设计思想上的创新为之带来了前所 未有的逻辑规模和强大的处理性能。例如，x c 2 v 2 0 0 0 有2 m 个系统门( s y s t e m g a t e s ) 。其中有5 6 x 4 8 个可编程逻辑块( c l b ) 阵列，每个c l b 由2 个逻辑片 段( s l i c e ) 组成，共计有1 0 7 5 2 个s l i c e 。一个4 输入的查找表被称作一个逻辑单元 ( l o g i cc e l l s ) ，x c 2 v 2 0 0 0 有2 4 1 9 2 个l o g i cc e l l 。同时还有2 1 5 0 4 个寄存器( c l b f l i p f l o p s ) ，这样，有足够的逻辑资源来设计完成d d c 模块中的抽取滤波器组等 功能模块。 随着f p g a 性能越来越强，规模越来越大，成本不断降低，利用f p g a 实 现高速数字下变频器已经成为雷达和通信系统设计中常用的手段。在经过f p g a 充分验证的基础上，还可以将f p g a 设计转为a s i c ，降低芯片成本，使其市场 化。如a l t e r a 公司最新推出的h a r d c o p y i i 技术，可以在1 0 1 2 周内将一个成熟 的f p g a 设计转成量产的a s i c ，并且保证a s i c 的功能和时序与f p g a 芯片 完全一致，p i nt op i n 的管脚兼容，大大减少了设计者验证和仿真的工作量，免除 使用者重新l a y o u tp c b 的麻烦，其1 0 0 的流片成功率大大减少了从设计到产品 的移植周期。 2 第一章引言 1 3 本文的主要工作 1 、根据某宽带数字接收机的具体指标要求，对经典的接收机结构进行了改进， 设计出一种高效数字接收机结构。并确定了系统结构和实现方法，并通过计算机 仿真验证了方案的可行性。 2 、对接收机各个模块算法分析、对比和选择，确定模块的实现方式，并改进 了f i r 滤波器设计的经典基于c s d 码的c s e 算法，以提高实现速度。 3 、对抽取滤波器和混频器子模块算法仿真、性能分析及v h d l 代码编写、仿 真和调试。 4 、在现有硬件平台地基础上，完成了对数字接收机系统的调试和测试，测试 结果表明该宽带数字接收机能够正常工作并满足所需技术指标要求。 1 4 本文的主要内容及结构 本文主要讨论基于软件无线电技术的宽带数字接收机系统的研究，包括数字 化理论、数字接收机的系统仿真与方案论证、高效数字下变频模块的f p g a 实现、 系统调试及结果分析以及接收机各个模块在f p g a 中进行优化的算法等内容。 论文共分六章，基本结构如下： 1 、介绍本论文的背景，说明了本论文理论和实际意义。 2 、第二章介绍了数字化接收机的原理和实现方法以及多采样率数字信号处理 中关于数字化的理论，包括采样量化理论、正交解调、数字滤波、抽取理论、自 动增益控制及其在f p g a 中进行优化的算法等内容。 3 、第三章介绍了三种高效数字下变频结构的原理，并完成基于该高效结构的 某宽带数字化接收机的具体方案设计以及相应的计算机仿真。 4 、第四章介绍了本系统所需的f p g a 、a d c 器件，并完成了采用高效数字接 收机结构的各功能模块的f p g a 设计。 5 、第五章在现有硬件平台的基础上，设计调试方案，进行系统的调试。 6 、第六章将全文的研究进行了总结及展望。 电子科技大学硕士学位论文 第二章宽带数字接收机相关理论 典型数字接收机的结构如图2 1 所示，该结构主要包括模数转换、混频、抽取 滤波及抽取功能，与此相关的理论有采样定理、滤波器设计、多相滤波等软件无 线电理论。 模拟 图2 - 1 典型数字接收机结构框图 2 1 带通信号采样理论川钔 n y q u i s t 采样定理讨论了频谱分布在( o ，厶) 上的基带信号的采样问题，如果信 号的频率分布在某有限的频带( ，厶) 上时，根据n y q u i s t 采样定理，可以按 兀2 厶的采样速率来进行采样。但是当厶b = 厶一五时，按n y q u i s t 采样频 率来采样的话，则采样频率会很高，会难以实现；即使能实现，其采样出来的高 数据率对后处理增加了很大的压力。对于这样的带通信号的处理则可以利用带通 采样定理。 带通采样定理：设一个频率带限信号x ( r ) ，其频带限制在( 无，矗) 内，如果采 样速率满足： f ：! 丝塑：监( 2 _ 1 ) “ 2 n + l2 聆+ 1 式( 2 一1 ) 中，n 取能满足工2 ( 厶一五) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，) ； ，o = 血些 ( 2 2 ) 则用矗进行等间隔采样所得到的信号采样f f i x ( n f s ) 能准确地确定原始信号x ( f ) 。 第二章宽带数字接收机相关理论 式( 2 一1 ) 用带通信号的中心频率五和频带宽度b 也可以表示为： f = 蔫( 2 - 3 ) f2 焘 式( 2 3 ) 中，n 取能满足五2 b ( b = 厶- a ) 的最大正整数。 显然，当f o = 厶2 、b = 厶时，取 = 0 ，式( 2 - 3 ) 就是n y q u i s t 采样定理。当频率 带宽b 一定时，为了能用最低采样速率即两倍带宽速率( z = 2 b ) 对带通信号进行 采样，带通信号的中心频率必须满足： 五：里尝口( 2 - 4 ) 或厶+ 五= ( 2 n + 1 ) b ( 2 5 ) 也即信号的最高( 或者最低) 频率是带宽的整数倍，其采样过程的频谱图如图2 - 2 所示。位于图2 - 2 任何一个中心频率为五。( ”= o ，1 ，2 ，3 ，) 带宽为b 的带通信均可 以用相同的采样频率石= 2 b 对信号进行采样，这样的采样均能准确地表示位于不 同频段( 中心频率不同) 的原信号x o q ) ，五o ) ，( r ) ，。 0 矗 b矗2 b 启3 b 矗4 b 图2 - 2 带通采样定理的频谱图 2 2数字下变频器( d d c ) 由于接收机后端的数字信号处理器( d s p ) 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。为了解决这一矛盾，需 要采用数字下变频( d d c ) 技术，将采样得到的高速率信号变成低速率基带信号， 以便进行下一步的信号处理。数字下变频技术在软件无线电和各类数字化接收机 中得到了广泛应用。 数字下变频技术是数字接收机的核心技术之一，它包括数字混频正交变换、 数字滤波及抽取等。其中数字混频正交变换部分完成频谱搬移工作，抽取可以降 电子科技大学硕士学位论文 低数据率，而数字滤波则用来解决信号抽取后可能发生的混叠问题。其结构框图 如图2 - 3 所示。 数 图2 - 3 典型d d c 结构 2 3数控振荡器( n c o ) 原理及在f p g a 中的实现算法巾1 从图2 3 的典型d d c 的结构中可以看出，数控振荡器( n c o ) 是d d c 中很重 要部分，n c o 的性能是决定d d c 性能的最主要的因素之一，它的目标就是产生 一个理想的正弦或余弦波，也就是一个频率可变的正弦波样本，如下式所示： 跏) = c o s ( 2 石鲁竹) ( 肛o ，1 ，2 川( 2 - 6 ) 式中，五。为本地振荡频率，矗为d d c 输入信号的采样频率。n c o 产生的本振信 号输入到数字混频器( 乘法器) 与输入信号相乘即完成混频。 2 3 1 查找表法 n c o 产生离散正弦信号最简便、最直接的方法就是查表法，即事先根据正弦 波的各个相位计算好相应的正弦值，并以相位角度作为地址存储各相位的正弦样 本。d d c 工作时以1 ，f 的采样时钟周期每输入一个数据，n c o 的相位累加器就 增加一个2 万元的相位增量，然后以累加后的相位作为地址，输出该地址上的数 值，得到的就是该点的正弦样本值，其中兀为本地振荡频率：正为n c o 输入信 号的采样频率。用查表法实现的n c o 结构如图2 - 4 所示。其中的初始相位控字 用来设置本振信号的初相，相位步进控制字用来设置本振信号的频率。 6 第二章宽带数字接收机相关理论 2 3 2c o r d i c 算法 图2 4 查找表方式的n c o 基本结构图 弦 查表法用来产生离散正弦信号需要占用大量的r o m 资源，作为产生离散正弦 信号的另一种有效途径，坐标旋转数值计算( c o o r d i n a t er o t a t i o nd i g i t a l c o m p u t e - - c o r d i c ) 算法己受到了越来越多的青睐。 c o r d i c 算法最初是由j v o i d e r 于1 9 5 9 年提出来的，包括旋转和向量两种基 本模式；而后，j w a l t h e r 于1 9 7 1 年提出了统一的改进型的c o r d i c 算法。该算法 仅利用加法和移位两种运算通过迭代方式进行矢量旋转，不仅可以用来计算正弦、 余弦、极坐标和直角坐标变换与反变换、反正切、矢量求模，而且通过对c o r d i c 算法的逆运算还可以实现反正弦和反余弦函数的计算。c o r d i c 算法只采用加法 和移位运算，因此很适合在f p g a 中实现，可以用来实现数字下变频中的n c o 、 混频器和坐标变换等功能。 如图2 5 所示矢量旋转，起点矢量为k = k ，卫r ，经过口旋转后得到的矢量 v 。= k ，y i ，。 由三角函数的理论可知： 心邛0 8 研一- y itano(2-7) 【_ y 。= c o s o y i + x it a n o 】 c o d i c 算法中的旋转角度曰是通过i l 次微旋转来 近似完成的，即0 可以近似用下试来表示： 礅 一、燃 乡一 目：一n - i4 吒die 一1 ，1 ) ( 2 - 8 ) 图2 5 矢量旋转原理 i = o 其中因子4 用来确定第i 次微旋转的方向，吐= 1 表示逆时针旋转，d i = 一1 代表 是顺时针旋转；而q 表示第i 次微旋转的量，且q 总是非负的。 c o r d i c 算法的递推可以通过选择吒来完成，我们选择某些特殊的口。，使乘 7 电子科技大学硕士学位论文 法运算可以通过移位来完成。若取： = a r c t a n 2 1( i = o ，1 ，2 ，3 )( 2 9 ) 设矢量巧= k ，咒】7 旋转角度口，后z 1 4 + = k 。m + 。】7 ，则旋转方程可以简化 为： jx i “5t 【t m z 2 1 1 ( 2 - 1 0 ) 【心。= t + x f l , 2 1 】 其中t = c o s ( a r e t a n 2 1 ) = 1 1 + 2 。2 。，此式既是c o r d i c 算法所依据的基本递 推方程，矢量y ，= 一，咒r 可以通过( 2 - 1 0 ) 式的n 次递推得到，从( 2 1 0 ) 式可知， 每次微旋转时向量范数都乘以了因子t 。一旦确定q 和总的旋转次数1 1 ，就可以得 到总的补偿因子k 为： k = 兀墨= n 1 1 + 2 - 2 。 ( 2 一1 1 ) 又因为 m r c t a n 2 “9 9 8 8 3 。 ( 2 1 2 ) 由式( 2 1 2 ) 可知，如我们初始矢量巧= t ，咒】7 是x 轴的话，只要迭代的次数足 够大，我们可以实现一9 9 8 8 3 。9 9 8 8 3 。的任意角度的旋转，也就可以通过加法和移 位运算得到目标角的直角坐标值，每次旋转后得到的实际矢量角和目标角的误差 为： z l + l = z i d sa r c t a n 2 “ ( 2 - 1 3 ) 其中z 0 为目标角，当五 0 时，4 = l ；当z i a l ，吗，吒，a i ，a 3 ，a 2 e 2 一 a 3 ，a 2 ，q ，a 3 ，a 2 ，a 1 易一 0 2 ，q ，口3 ，a 2 ，a i ，q 毛一 a i ，a 3 ，a 2 ，a i ，a 3 ，1 7 1 2 ) - ) ( 3 - 9 ) ) ) 由上式可以看出，各个分支的周期都是相同的，其周期是由抽取倍数d 和混 频数据n 共同决定的。通过总结可以看出分支前混频数据序列的周期由式( 3 - 8 ) 决 定，其中l c m 代表最小公倍数： 瓦。：l c m ( n , d ) ，k n 6 - 1 0 ) 井奇= = 一 l u ， u 由此，改变传统的d d c 结构为图3 5 最小公倍混频的d d c 结构框图，因为 混频的数据序列为固定值，可以把这些数据提前存储到r o m 中，其r o m 的读取 时钟为皂。当数据以逆时针的顺序分配给各个滤波器分支通道时，数据率也就降 u 为了原来的d 倍，其数据率也就是冬，而从r o m 读取混频数据送到各个滤波器 u ， 前的乘法器速率也为冬。各个多项滤波器前的乘法操作的速度也就是睾，这就大 u 大的降低了乘法器的速率，有利于多项滤波结构的d d c 在f p g a 中实现，同时也 降低了对高速f p g a 的依赖，符合软件无线电的设计思想。对于这种改进方法我 们称其为最小公倍数法。 最小公倍数法虽然可以降低乘法器的速度，但是与图3 - 4 高效滤波器相比可以 看出，图3 5 的最小公倍数的结构i q 两路都需要多项滤波器，图3 - 4 高效滤波器 只需要一组滤波器；考虑到高阶f i r 滤波器在f p g a 中由改进的d a 算法实现是 需要占用大量的逻辑资源的，对于整个d d c 而言，其抽取f i r 滤波器的逻辑资源 的消耗是起决定作用的。最小公倍数法得到的d d c 结构在f p g a 中资源消耗这就 增加了一倍，也是最小公倍数相对于图3 - 4 的高效d d c 结构的不足之处。 第三章宽带数字接收机方案设计 d 图3 - 5 最小公倍混频的d d c 结构框图 3 3 3 二次混频的高效d d o 结构 基于d d c 逻辑资源的优化，应该尽可能的把混频器放到滤波器的后面，因此 可以考虑，如五：兰，如果没有合适的采样频率正与工。组，使其满足n = d ，则 | ： n 不能用图3 4 的高效d d c 结构：但是如果满足五! ! ：旦时，其中a ，表示一个 l 。d 小的频率偏移，则可以通过如图3 - 6 的二次混频d d c 结构图实现。由于a ，的加 入使得一次混频不能使信号搬移到基带，必须通过两次混频，得到基带信号。 图3 - 6 二次混频高效d d c 结构图 以本课题设计的d d c 参数指标为例，介绍一下，二次混频d d c 结构，本课 题要求对中心频率2 0 0 m h z 带宽5 0 m h z 的线性调频信号进行数字下变频处理。任 何合理的z 和厶，选取都不能满足d = n 的条件，也就不能用图3 4 高效d d c 的 结构，但是可以满足图3 - 6 的二次变频的d d c 高效的d d c 结构。选取的参数下 式( 3 1 1 ) ； 电子科技大学硕士学位论文 = 2 5 m h z z = 2 7 0 m h z 厶，= 6 7 5 m h z 五= 2 0 0 m h z t o 七& m 3 ； n4 d = n = 4 3 3 4 三种结构的应用范围和性能分析 ( 3 1 1 ) 通过上述三种情况的综合分析我们可以得到式( 3 1 2 ) ，其包含了上述的三种情 况。其中m ，n ，d 都为自然数。 巡：竺 ： n 五一， d j o l t 融 眩一 臁 5 0 m s p s ，又基于上述条件与 利用二次变频高效d d c 结构的考虑。选取采样f = 2 7 0 m s p s ，抽取倍数d = 4 ， 输出数据率，= 6 7 5 m s p s ，这样的采样速率不会引起采样后的频率混叠现象， 用m a t l a b 仿真如图3 7 。 2 9 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 7l f m 时域与采样后的频域图 3 4 2 滤波器设计及仿真 3 4 2 1 滤波器设计 f i r 滤波器设计的方法很多，p a r k s 和m c c l e l l a n 推导的p a r k s m c c l e l l a n 算法 采用c h e b y s h e v 逼近理论和r e m e z 交换算法，可以设计出理想与实际频率响应之 间最优吻合的滤波器，使得理想和实际的频率响应之间的最大误差最小。因此我 们采用p a r k s m c c l e l l a n 算法，借助m a t l a b 中相应的函数来设计滤波器。 由于在本设计采用了图3 - 6 所示的二次混频的高效d d c 结构，系统的抽取因 子是4 ，所以我们期望所设计的f i r 滤波器的阶数是4 的整倍数，综合考虑系统的 各种参数后设计出的滤波器参数如下： 通带截止频率 阻带截止频率 通带波纹： 阻带衰减： 阶数： 掣砌；一2 7 5 m h z 砌 工。， 土x2 口：3 3 7 5 m h z 2 ，r ； 正 2 7 0 m h z 按照上述参数借助m a t l a b 设计出来的f i r 滤波器的频谱如图3 8 所示 3 0 第三章宽带数字接收机方案设计 辘波器的翔谴 f ， 、 7 、 图3 - 8f i r 滤波器的频域谱线 3 4 2 2 基于c s d 码的c s e 算法及其改进设计。”一。” 为了进一步的提高f i r 滤波器在f p g a 中的计算效率和减少资源消耗，一种基 于c s d ( c a n o n i c a ls i g n e d d i g i t ) 的c s e ( c o m m o ns u b e x p r e s s i o ne l i m i n a t i o n ) 算 法，成为了近年来研究的一个热点，出现了很多有优化算法，这些方法主要分为 两大分支：基于c s d 的图形方法【2 4 】和基于c s d 的c s e 的方法 2 5 1 1 2 6 1 。 标准二进制码用两重值 0 ，1 来表示数字，带符号二进制码是用三重值 0 ，一l ， 十1 ) 来表示一个数字，有最少的非零位，且两个非零位不相邻时的带符号二进制码 被定义为正则带符号码( c s d ) 。c s d 码和标准二进制码一一对应【2 ”。 如9 3 ，。= 1 0 1 1 1 0 1 ：= 1 0 1 0 0 1 0 1 c s o ，其中“t ”表示 一1 ，则乘法操作9 3 xn - - 以有下 面几种表示方法： 标准二进制乘法操作实现方式：9 3 x = 2 6 x + 2 4 x + 2 3 x + 2 2 x + x ； c s d 码乘法操作的实现方式：9 3 x = 2 7 x 一2 5 x 一2 2 x + x ； 基于c s d 码的c s e 算法的实现方式：9 3 x = ( 2 2 z x ) 2 5 一( 2 2 x x ) ； 上式的三种实现方式中2 ”x 在f p g a 中用线性移位操作实现；式中主要是加法 操作占用逻辑资源，因此在实现乘法运算时，减少加法器数目是减少逻辑资源消 耗的关键，c s d 码就是通过减少非零位来减少加法器数。在实现高阶滤波器时， c s d 码相对标准二进制码可减少近3 3 的逻辑单元消耗。 3 1 o 们 加 ； 柏 己 s ： 耍h 霹 电子科技大学硕士学位论文 滤波器系数的加法器阶数a s 是指在实 现这个系数乘法操作时数据通道所经过的 加法器的深度，如在系数等于9 3 时，有如 图3 - 9 的三种实现方式，其中“”表示 线性左移操作。如a 所示，a s 为3 ；如( b ) 和( c ) 所示，a s 为2 。由于图3 - 9 ( b ) 、( c ) 加法器阶数降低，逻辑电路延时也随之减 少，实现速度要优于图3 - 9 ( a ) 。 关于加法器阶数a s 有下面两个定理o 。 定理1 如e 表示第i 个系数的c s d 码， 阶数m ，满足：j 1 0 9 ：k ，】： 一s 2 3 i ( 口) 图3 - 99 3 的加法器阶数 有k ，个非零位，则这个系数的加法器 定义滤波器的加法器阶数f a s ( f i l t e r