（信号与信息处理专业论文）宽带可变速率数字下变频技术研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 卫星通信业务的不断发展要求卫星通信设备具有更好的灵活性和开放性，采 用软件无线电技术设计卫星通信系统中的调制解调设备已成为满足技术与需求 不断发展的最佳选择和必然趋势。目前，卫星通信信号解调器正面临着从现有模 拟中频数字基带解调技术向新一代数字中频解调技术的跨越。本文研究了适用于 卫星通信解调器的宽带可变速率数字下变频器( d d c ) 的设计，并对其性能进 行了仿真和分析。 本文主要工作包括： 1 )建立了基于软件无线电的卫星信号数字解调器模型，并设计了相应 的硬件平台； 2 )针对宽带信号和信号速率连续可变的特点，重点研究了d d c 中抽 取滤波器设计和数字重采样技术，并提出了相应的实现算法； 3 ) 通过软件完成了解调器浮点及定点设计，并通过接收实际信号测试 了数字解调器的性能； 4 ) 将解调器定点设计软件移植到硬件中，并完成了主要功能模块的调 试。 关键词：软件无线电数字下变频解调 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 ed e v e l o p m e n to fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s ，i ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t f o rt l l e e q u i p m e n t st o b ef l e x i b l ea n do p e n i n g ，i th a sb e c o m et h eb e s tc h o i c ea n d c e r t a i nd i r e c t i o nt ok e e pu pw i mt h ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g ya n d r e q u i r e m e n t t h a tu s i n gs o f t w a r er a t i o ( s r lt e c h n i cd e s i g nm o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o ri ns a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m n o wd e m o d u l a t o ri s f a c i n g t h e c h a n g e w h i c he n a b l e a n a l o g - t o - - d i g i t a l c o n v e r t e r a c t i v a t i n g f r o mi nb a s e b a n d t oi ni n t e r m e d i a t e f r e q u e n t y ( 、) t h i sa r t i c l em a i n l y f o c n s e do nd e s i g n i n g d i g i t a ld o w n c o n v e r t e r ( d d c ) i ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nr e c e i v e rw h i c hr e c e i v e db r o e d b a n da n dr a t ec h a n g e a b l e s i g n a l i na d d i t i o n 。t h ea r t i c l es i m u l a t e d a n d a n a l y z e dt h e r e c e i v e r sp e r f o r m a n c e t h em a i nc o n t e n to f t h i sa r t i c l ei n c l u d e s ： f i r s t l y , a u t h o rf o u n d e dt h em o d e lo fd i g i t a ld e m o d u l a t o rw i t l lt h es o f t w a r er a d i o a r c h i t e c t u r et or e c e i v es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s i g n a la n dd e s i g n e dt h eh a r d w a r e ； s e c o n d l y , a u t h o rm a i n l yi n v e s t i g a t e dt h ed e c i m a t i o nf i l t e ra n dd i g i t a ls a m p l i n g r a t e c o n v e r s i o n ( s r c ) i nd d c a u t h o rp r e s e n tac o n c e p t i o nf o rm u l t i - s t a g ed e c i m a t i o n i m p l e m e n t a n dam e t h o dt or e a l i z es r c 丽t h p o l y p h a s e f i l t e rf o rh i 曲e r d e m o d u l a t i n g p e r f o r m a n c e ； t h i r d l y , a u t h o rr e a l i z e dad i g i t a ld e m o d u l a t o rb ys o f t w a r ei n c l u d ef l o a t i n g - p o i n ta n d f i x e d - p o i n t ，a n d t e s t e dt h ep e r f o r m a n c e b y d e m o d u l a t e dt h er e a ls i g n a l ； f i n a l l y ，a u t h o rp u tt h ef i x e d p o i n ts o t w a r ei n t of p g a ，a n dd e b u t e dt h ei m p o r t a n t m o d u l e s k e y w o r d s ：s o f t w a r e r a t i o ，d i g i t a ld o w n - c o n v e r t e r , d e m o d u l a t 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魄确的说明并表示谢意 签名：墓壹n j t i l 洲f 年r 月m o 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：墓壹导师签名： 日期：均千年r 月2 0 日 电子科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章引言 当今通信技术发展迅猛，在互联网、个人移动通信等新的通信技术快速发展 的冲击下，整个通信体制发生了巨大变化。卫星通信由传统的以干线传输为主的 电信传输及广播电视业务迅速向专网服务、卫星移动通信和基于卫星的宽带网络 接入等新的业务领域扩张。在这一扩张进程中，各种新的通信信号不断涌现，作 为通信链路中重要环节的接收解调设备为了能很好地适应多载波、多速率甚至多 制式的要求，需要硬件更加通用化，功能实现更加软件化。最近几年发展迅速的 软件无线电技术正好满足了这方面的发展需求。按照软件无线电思想设计的解调 器因其硬件的通用性和软件的灵活性，可以很好地适应信号变化的要求，保证设 备对新通信协议的适应性和传统通信信号的兼容性。因此，基于软件无线电的解 调技术研究已经成为当前设计卫星通信解调设备的发展方向。 基于软件无线电的数字解调器主要包括数字下变频和数字基带处理两大部 分，其中数字下变频是解调系统中数字处理运算量最大、运算速度要求最高，也 是最难实现的部分。目前市场上虽然有国外公司提供的数字下变频芯片产品，但 是由于其研发背景主要是无线移动通信应用，因此在针对高速、宽中频带宽的卫 星数字下变频应用中往往有一定限制，目前国内外卫星解调器市场上成熟的产品 都采用的零中频数字化解调方案，其中一个重要原因就是数字解调技术中的数字 下变频技术不成熟。因此数字下变频已经成为采用软件无线电结构卫星解调的技 术瓶颈，研究基于宽中频带宽的数字下变频技术也就成为当前的一个重点。本课 题就是为解决这一技术而展开研究，为研发基于软件无线电的卫星通信解调器提 供技术支持。 1 。2 国内外解调产品技术现状 调制解调设备的应用及其技术的发展是通信技术发展的重要部分。近年来新 解调产品层出不穷，可以按规模的不同从三个层次分析当前解调技术的发展状 况：解调器设备、解调板卡和解调芯片。i l l 1 2 1 解调设备 当前了解到的美国两家主要卫星通信设备提供商是r a d y n e c o m s t r e a m 公司和c o m t e c h e f d a t a 公司，它们最新推出的两款卫星信 号解调器是d m d 2 0 ( r a d y n ec o m s t r e a m ) 和c d m 6 0 0 ( c o m t e c h 电子科技大学硕士学位论文 e f d a t a ) ，这两款解调器产品基本上代表了目前市场上成熟解调器产品的最高 水平。再参考市场上应用的其他一些通用解调器，如d m d l 5 、s d m 8 0 0 0 、c m 7 0 1 等，通过对它们的功能、性能以及部分解调器的实现方案进行分析比较，发现它 们具有以下特点：1 ) 目前通用卫星解调器支持的调制方式集中为b p s k 、q p s k 、 o q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m ( 其中一部分解调器1 6 q a m 用于l 波段信号解调) 范围内，这实际上与目前卫星信号调制方式应用有关；2 ) 最高时钟速率一般不 超过2 0 m h z ，d m d 2 0 和c d m 6 0 0 速率范围最宽都达到4 8 k 一2 0 m h z ，而其他两 款解调器处理的时钟速率最高不超过1 0 i h z ；3 ) 就解调方案而言，除d m d 2 0 现在既无资料，也无设备，无法了解其解调方案外，其他设备都采用模拟变频， 基带数字化的方案。根据公开的资料，目前国内成熟的卫星信号解调器仍处于模 拟变频基带数字化的技术水平，其中作为成熟产品提出的解调器最高信道时钟速 率为1 0 m h ，支持的调制方式最多为b p s k 、q p s k 、8 p s k 。虽然国内有通过中 频直接采样技术实现解调器的应用。但是这些解调器的中频变频核心部分往往采 用国外专用芯片，受限于芯片能力，这些解调器往往接收信号速率较低。 1 2 2 解调板卡 目前信号解调平台或板卡产品代表着软件无线电在解调技术中综合应用的 最高水平。 加拿大i c s 公司最近为中频信号的数字化处理推出了两种1 4 b i tp c i 卡 i c s - 6 5 2 ( 用于接收) 和i c s 一6 6 0 ( 用于发送) ，据其公司声称是业界内第一块 1 4 - b i t 高速中频变换板。这些板卡可以通过软件设定中频频率和带宽。其中 c s - 6 5 2 是一块2 - 通道1 4 - b i t6 5m f z ，通道的a d 变换板，它可插入数字调谐器 模块，目前对应于宽带和窄带信号的可编程的数字下变频器d d c ，其调谐器模 块有四种不同的选件，该公司的这些选件都是采用g r a y c h i p 公司生产的变频解 调芯片。其最大处理带宽为2 6m h z 。 美国p e n t e k 公司推出的m o d e l 6 2 3 5 和m o d e l 6 2 3 6 两种双路宽带信号 接收卡的最高采样速率都达到了1 0 5 m h z ，其中6 2 3 5 采用a d 9 4 3 2 ( 1 2 位) 采 样、6 2 3 6 采样a d 6 6 4 5 ( 1 4 位) 采样。两种板卡上都带有g c l 0 1 2 b 作为下变频 选件，另外6 2 3 6 还可以采x i l i n x 公司的x c 2 v 3 0 0 0 做下变频处理。据公司公开 资料称，采用g c l 0 1 2 b 做下变频处理时，采样率达到1 0 0 m h z ，最大处理带宽 为4 0 m h z 采用f p g a 处理时，采样率达到1 0 5 m h z 时，最大处理带宽为4 2 m h z 。 1 2 3 变频解调芯片 第三类反映当前解调技术发展的产品为数字变频解调芯片。这类芯片的主要 2 电子科技大学硕士学位论文 应用领域为移动通信，其接收处理信号速率普遍较低，但是其在低速卫星通信信 号的接收处理中也可以有很好的应用。它们包含数字变频和解调两类芯片，其中 对解调模式最具决定意义的是变频芯片。在这领域比较著名的芯片有h a r r i s 公司的h s p 5 0 2 1 4 系列和多通道处理芯片h s p 5 0 2 1 6 ；g r a y c h i p 公司的g c l 0 1 2 和多通道处理芯片g c 4 0 1 6 ；a n a l o gd e v i c e s 公司a d 6 6 2 0 和多通道处理芯片 a d 6 6 2 4 以及a d 公司最新推出的集成了a d 变换器和下变频器的a d 6 6 5 2 。目 前多通道处理下变频芯片往往是将某一型号的单通道处理芯片集成而来的。这类 芯片的最大数据输入速率往往在几十兆，其处理信号速率最高一般在几兆。因此 在卫星信号解调应用中有较大的限制。但是这类芯片的发展速度很快，其应用于 常规卫星通信信号解调领域的前景看好。 1 3 课题研究内容 本课题是“0 1 m 1 0 m b d 全数字卫星解调终端通用平台”预先研究课题的 一部分，主要研究宽带速率连续可变信号的数字下变频技术及其硬件实现，以解 决目前数字下变频芯片无法支持基带信号速率最高到1 0 m b d 的问题，其关键技 术主要包括抽取滤波、数字重采样和硬件平台设计。 采用数字中频解调方案时，采样后的数字频谱必须保证关心的所有中频信号 频谱都在其中，并且无混叠，当中频带宽很宽时，要求的采样速率远远高于基带 采样时的采样率，这对数字处理器件提出了很高的速度要求。而另一方面，最后 数字变频到基带带宽与最初的采样速率之间又远超过了n y q u i s t 采样定律的混叠 要求，即中频采样速率对基带处理而言并非必需。因此需要采用抽取滤波器在保 证信号频谱处理不失真的前提下尽量降低处理速率，从而获得最大处理效率。 另一方面，在基带数字化处理时采样时钟与基带信号相关，保证采样到最佳 采样点。而在中频采样处理时，中频采样时钟固定，特别本课题要求接收信号速 率连续可变，不可能与基带信号相关，如果没有特殊处理，就不能提取到最佳采 样点，从而降低解调性能。因此要求在处理中加上数字重采样环节，实现从非相 关时钟采样的基带信号中恢复出基带信号时钟，并且提取出最佳采样点值。这是 目前数字下变频研究的一个难点和热点。 论文的具体内容安排如下：第二章研究了基于中频带通采样技术的数字解调 模型，分析了相关的高速a d 采样技术，并阐述了相应的硬件平台设计；第三 章设计了d d c 中的一组抽取率可变的抽取滤波器组，研究分析了基于拉格朗日 插值和多相滤波插值的数字重采样算法的原理、实现以及性能比较，并在此基础 上设计数字变频解调软件并对性能进行仿真；第四章阐述了解调软件进行定点设 电子科技大学硕士学位论文 计并采用f p g a 实现的设计及调试过程，并测试其性能。 1 4 课题研究成果和贡献 通过本课题的研究，完成了适用于卫星通信解调器的宽带可变速率数字下变 频器的设计，并对其性能进行了分析。作者在本课题的研究中主要贡献体现在以 下方面： 1 ) 建立了基于软件无线电的卫星信号数字解调器模型，提出了输入信号速 率连续可变的数字下变频实现框架，并设计和调试了基于这一模型的硬件平台， 对主要模块的性能进行了测试； 2 ) 针对宽带信号的特点，研究了抽取滤波算法，以硬件实现为目标，提出 了多级抽取的具体实现方案，并对其性能进行了仿真和分析； 3 ) 针对信号速率连续可变的特点，研究了任意比例数字重采样算法，在分 析讨论了拉格朗日插值算法的基础上，提出了基于多相滤波的数字重采样算法获 取了性能更高的数字重采样方法： 4 ) 通过软件实现了整个数字解调器，仿真比较了基于不同数字下变频结构 的解调性能，并仿真测试了解调器接收窄带和宽带中频信号性能； 5 ) 将整个软件用f p g a 实现，并对用于f p g a 设计的定点软件通过接收解 调实际信号验证了性能。 4 电子科技大学硕士学位论文 第二章基于软件无线电的数宇解调平台 软件无线电已经成为解调技术的发展方向，软件无线电体系结构已经成为新 型解调器模型设计的重要依据。软件无线电的一个重要目标是尽可能地将宽带模 数和数模转换器靠近天线；尽可能通过对数字器件编程来实现各种通信功能。目 前软件无线电的结构基本上可以分为三种【2 】：射频低通采样数字化结构、射频带 通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。在当前器件和技术水平下， 处于实用阶段的是第三种结构，本课题选择该结构为卫星信号数字解调器的框 架。在这结构下，中频数字解调处理部分方案的选择显得非常重要，它是这一 结构的核心环节。本章讨论中频数字解调设计方案，中频宽带采样技术，并设计 基于中频带通采样结构的硬件处理平台。 2 1 基于软件无线电的数宇解调模型 目前实用的卫星通信解调设备仍处于模拟中频数字基带处理的技术水平，当 前卫星解调技术研究的重点是采用软件无线电技术的中频数字处理的解调器实 现。这种中频数字化的解调器设计的主要环节是依托于高速a ，d 及高速数字处 理技术的数字中频变频解调处理算法及其硬件平台的实现。 在卫星通信信号处理中，射频变频后的信号中频一般在7 0 m h z 和1 4 0 m h z ， 目前在7 0 m h z 中频针对宽带信号直接进行数字处理已经具备了器件条件和实现 可能。按照软件无线电宽带中频带通采样结构构建的解调模型如图2 - 1 所示。在 这一模式下，中频a d 应将中频尽可能宽的信号有效采样，这样要求a i ) 采样 速率较高，当要求处理信号带宽为3 6 m h z 时，采样速率最低不能低于8 8 m h z ， 这就意味着采样之后的高速数字处理芯片应该具备处理速率不低于8 8 m h z 信号 的能力。另一方面，常规卫星通信信号的速率一般在1 0 m h z 以内，常用解调算 法下，采样速率为信号速率4 倍时，信号就可以很好地解调处理了。因此在构建 数字中频解调器对，有必要将解调部分分解成高速的数字下变频和低速的数字基 带解调处理两个模块。数字下变频模块实现从输入的宽带数字信号中提取所需的 窄带信号，并将其下变频为数字基带信号，由于要求信号处理速度高，该模块一 般采用专用a s i c 或高速f p g a 实现。数字基带解调处理模块实现某一数字基带 信号的信号特征提取及信息恢复，其实现途径的选择范围较宽，可采用专用 a s i c 、f p g a 、d s p 甚至在信号速率很低可以直接采用纯软件方式实现。 5 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 中频带通采样结构下的解调模型 构建了中频解调的基本模型后面临的基本问题是整个变频解调处理采用闳 环还是开环方式。两种方式的明显分界点在数字下变频模块与数字基带解调处理 模块之间是否有反馈控制信息存在。 采用闭环方式时，数字基带处理模块提取出载波误差信息和时钟误差信息回 控数字下变频模块。其中载波误差信息反馈给数字下交频模块的n c o ，改变本 地载波频率和相位，从而保证下变频后的基带信息不含载波误差；时钟误差信息 回送到数字下变频部分的重采样处理电路中，使信号经过重采样电路后得到包含 最佳采样点的基带采样序列。 采用开环方式时，数字下变频部分的本地载波为固定频率，此时经过交频到 基带的信号包含有载波频差和相差，在数字基带处理模块，需要做相位估计，补 偿频差和相差。另方面，经过数字下变频的基带序列并非最佳采样序列。数字 基带处理模块需要从基带信息中提取出信号时钟，恢复出最佳采样信号。 但是这一方式下解调处理部分往往要求提供比闭环方式下采样率更高基带 数据流，这使高速信号的数字下变频应用有一定限制。 就性能而言，两者各有优势，闭环处理方式应用成熟，目前主流模拟中频数 字基带解调产品都是采用的这一处理方式。由于闭环处理方式采取锁相方式提取 载波和时钟，所以这一方式的抗噪声能力强，解调误码性能好，入锁门限低。但 它相对开环方式而言，入锁速度慢，并且载波和时钟的捕捉范围窄，实用中需要 加辅助捕捉措施。开环处理方式在上世纪九十年代以来受到研究领域的重视，这 一方式下，解调处理各部分接口简单，不存在反馈可能带来的复杂的控制问题； 并且开环方式入锁快，在没有辅助揞施的情况下，捕捉范围宽。但是其入锁门限 高，误码性能也不容易达到闭环方式的水平，不过开环方式下解调算法研究有进 一步深入的空问。另外，采用这一方式需要付出数字变频处理模块处理复杂度倍 增的代价。 其实，实际处理中，可以根据需要采用闭环与开环相结合的方式，从而实现 在减小变频处理部分硬件规模的同时，尽量降低解调算法复杂度，这一方式在多 6 电子科技大学硕士学位论文 通道处理中作用更加明显。在多通道处理中，每个通道都有独立的正交变频、抽 取滤波和重采样模块，其中每个重采样模块在闭环方式下需要有独立的d d s 控 制和外部固定晶振。如果每个通道都有一套独立的d d s 和固定晶振，则下变频 部分要用单片数字器件实现资源就非常紧张。如果能够将时钟处理部分用开环方 式完成，将时钟产生分摊到数字下变频后的数个解调处理芯片中，则资源分配就 合理得多。而另一方面对于载波交频处理部分，因为某些高速f p g a 产品可以提 供足够数量变频及载波产生所需要的乘法器和块r a m ，所以载波跟踪采用闭环 处理又是一种很好的选择。 本课题研究在宽带中频带通采样结构下的解调器设计。目前只接收单信道连 续信号，实现硬件采用x c 2 v p 2 0 ，硬件资源充足，因此拟采用闭环处理方式。 整个解调器包含数字下变频和数字基带解调两大部分。数字下变频包含正交混 频、抽取滤波和重采样三个基本功能模块。数字基带解调部分包含时钟同步、载 波同步、基带滤波和数据判决等模块。这些都是数字解调器的关键技术。 其中数字基带解调部分的载波恢复和时钟恢复问题已经得到非常深入的研 究。自上世纪7 0 年代，特别是9 0 年代来，随着数字解调接收技术研究的不断深 入，国内外提出了很多数字时钟、载波恢复算法和应用方法。其中 k u r t h m u e l l e r 和m a r k u s m t j l l e r ”于1 9 7 6 年提出的用于数字接收机的时 钟恢复算法以及由f l o y d m g a r d n e r “3 于1 9 8 6 年提出的针对b p s k q p s k 信号，用 于数字采样接收机的时钟误差提取算法非常具有代表性，被后来很多研究人员所 采用，的本课题采用的就是g a r d n e r 算法。而采取闭环方式的载波恢复环路 比较典型的是数字c o s t a s 环路和数字t a n l o c k 环，数字c o s t a s 环采用正 弦型鉴相器，该环路应用已经非常成熟和广泛，数字t a n l o c k 环采用反正切 型鉴相器，h s p 5 0 2 1 0 就是采用的该形式的载波恢复算法【卯，目前本课题采用 c o s t a s 环。鉴于本课题中这一部分主要是已有算法成果的应用，因此不做详细 论述。 本课题研究的重点是数字下变频部分的抽取滤波和数字重采样，这两部分的 算法设计将在第三章中详细讨论，最终的f p g a 实现将在第四章重点讨论。本章 的后半部分将讨论数字下变频中采样时钟的选择，介绍整个数字解调器的硬件平 台设计及电路调试工作。 2 2 采样时钟选择 软件无线电的数字解调首先面临的问题就是如何对工作频带信号进行数字 化的问题，传统的模拟中频数字基带解调模型都采用满足n y q u i s t 采样定理的低 7 电子科技大学硕士学位论文 通采样方式。本课题需要完成在7 0 m h z 中频上直接对3 0 v l h z 宽带信号进行数字 采样，并且中频采样的最佳目标是实现对整个转发器3 6 m h z 带宽信号全部采样。 输入模拟信号频谱如图2 - 2 ( a ) 所示。 图中工为采样频率； 正为模拟中频信号中心频率，工= 7 0 m h z ； 和 分别为模拟中频信号正频率部分低和高截止频率，中频带宽为3 6 m h z 时：= 5 2 m h z ，：i = 8 8 m h z 。 如果采用低通采样模式，如图2 2 b 所示，要保证采样后信号频谱无失真， 则 则 工2 则中频带宽为3 0 e - i z 时，有 正1 7 0 m h z 中频带宽为3 6 m h z 时，有 工1 7 6 m h z 如果采用带通采样方式，如图2 2 c 所示， ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 要保证采样后信号频谱不失真， m y , + 石( m + 七) 工一石 m y , + ( m + k + i ) l 一 六2 ( 一正) 其中 i 为任意整数，k 为正整数，计算t , - - j - 得正应满足 m a x 2 ( a 一石) ，2 j ( k + 1 ) 】正2 f , k 代入当前约束条件，可得k = 1 ，因此有 l h s t 量2 f , 中频带宽为3 0 m h z 时 8 5 m h z 工1 i o m h z 中频带宽为3 6 m h z 时 8 8 m h z 正1 0 4 m h z 8 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 。8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 电子科技大学硕士学位论文 念i么 - f h f o 一 o 日l 目， a 未采样信号频谱 i么念i么念i ， - 一时- f , + f h - r - 6 0 6e f , - f hf , - f ,， b 低通采样君信号频谱 一b- 啪- f , 十r 0 - s - 觚 ， c 带通采样后信号频谱 一- f h - 辨o ( f b - f # 2 d 正交变频后信号频谱 图2 2 信号采样交频前后的频谱 比较( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 与( 2 - 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 式，不难得出结论，就目前的a d 及数字器件水平而言，只能采取带通采样模式，因此a d 的最大转换速率应不低 于8 8 m h z 。 实际硬件设计时，采样率选为9 3 3 m h z ，这一采样率保证采样后数字频谱间 距最大。实际硬件调试时发现，这个频率可以再降低些，因为采样后的本地载波 产生由f p g a 中的n c o 产生，公司推荐输出频率最好不要大于采样率的1 3 ，而 降低采样率可以降低这个比例。本课题要求中频中心频率范围为7 0 i o m h z ，则 在9 3 3 m h z 采样率下，本地载波最大输出频率为3 3 3 m h z ，比例为3 5 ，如果采 样率降为9 0 m h z ，则最大输出频率为3 0m h z ，相应比例降为i 3 。但是这也要取 决于中频带通滤波器的带外抑制性能，如果该性能不好，则降低采样率很可能会 反而引入带外干扰。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 3 硬件处理平台设计 整个解调器硬件框图如下，采用1 u 机箱结构 图2 - 3 解调器硬件框图 本课题涉及其中的中频采样单元和变频解调单元。中频采样单元包括中频信 号调理和高速a 巾两部分。中频信号调理部分完成信号的带通滤波和电平调整， 其电路框图如下： 信号信号 入 图2 4 中频调理电路框图 中频部分信号频率高，信号幅度小，很容易引入干扰，硬件电路设计需要非 常小心，在设计中一方面尽量降低地噪声，另一方面尽量不把信号电平降得太低。 针对第一点，实际设计中采取了以下措施： 硬件设计采用6 层板，尽量降低数字信号对模拟电路的干扰，具体措施是将 模拟地与数字地分开，模拟电源与数字电源分开； 中频电路尽量集中，信号线尽可能短，线宽放宽，所有中频信号在电路板同 一层走线，尽可能避免过孔，以减少信号辐射。 1 0 电子科技大学硕士学位论文 针对第二点，重点考虑放大环节分配，由于中频带通滤波器带宽为3 0 m h z ， 其插入损耗较大，达到3 0 d b ，因此在其前端先对信号进行放大，但是由于在带 通滤波之前信号带宽可能很宽，如果设计不好，前端放大器很容易饱和，因此选 择饱和电平比较高的放大器，并且预留一定的放大量防止饱和，将一部分放大量 转移到带通滤波之后。 a d 采用a d 公司的a d 9 4 3 3 ，该芯片为1 2 位精度，采样率最高达到 1 2 5 m s p s ，其中频采样带宽可以达到3 5 0 m h z 。根据手册提供数据，该芯片采样 率为1 0 5 m s p s 时，采样7 0 m h z 信号的有效位数能够达到1 0 9 b i t s ，本课题对实 际使用的a d 电路做了测试，实际电路中到达f p g a 的a d 有效位数为7 5 b i t s ， 其测试方法是通过信号发生器产生7 0 m h z 信号，送到a d 电路的输入变压器端， 调整输入信号幅度是a d 输入端达到满刻度，然后将输出信号传送到f p g a 中， 通过f p g a 中的b l o c k r a m 将采集数据保存，通过软件将采集数据回读，通 过m a b l a b 计算其信噪失真比s i n a d ，再通过公式( 2 1 1 ) 计算出有效位数 e n o b e n o b = s i n a d 一1 7 6 d b - 1 0 1 9 ( f , 2 工) 】，6 ，0 2 ( 2 1 1 ) 其测试框图为 图2 - 5a d 性能测试框图 采集数据的频谱特性如下图所示 朔串眦2 图2 - 6 采样信号频谱 电子科技大学硕士学位论文 计算得到有效位数为7 。5 b i t s 。 变频解调单元硬件设计：该单元实现a d 采样后数据的变频、解调处理工作， 核心为一片f p g a ，实际设计时，基于成本考虑，该模块做成了一个单独的电路 模块，使用时，背在母板上。电路框图为： 解调数 据输出 图2 - 6 变频解调单元硬件框图 设计中，f p g a 采用x i l i n x 公司的v 2 p 2 0 f g 6 7 6 5 ，该器件有8 8 个l k * l 8 b i t s 块r a m 和8 8 个1 8 * 1 8 b i t s 硬件乘法器，完成包括数字下交频和解调工作。 频率合成单元由a d 9 8 5 1 与1 8 0 m h z 固定晶振组成实现接收信号时钟的产生 工作。f p g a 内部可以设计出d d s 合成器，本课题选择采用片外d d s 的原因是： 片内d d s 虽然可以产生周期为所需速率的正弦波信号，但是其同步于输入采样 时钟，要得到稳定的方波时钟，需要将多位信息输出通过d a 变换和判决产生， 这样需要外加电路。并且片内采用d d s 时，片内d d s 的系统时钟为1 8 0 m h z 虽然有可能达到，但是显然大大提高了对f p g a 的速度要求。 电源模块完成f p g a 的供电工作，x i l i n x 公司的v i r t e x i ip r o 系列 f p g a 芯片需要三组电源供电：1 5 v 内核电源、2 5 v 辅助电源和3 3 v 接口电源， 其中1 5 v 内核电源功耗最高，对稳压电源输出电流要求较大，决定其功耗主要 有两个因素：内部处理时钟速率和资源用量。通过测算，本课题中芯片1 5 v 电 源要求电流在2 a 以内。因此选择t i 公司的t p s 7 5 7 1 5 ，该芯片最大输出电流为 3 a 。在v i r t e x i i 系列f p g a 芯片中如果不使用d c m 可以不接2 5 v 辅助电源， 但是在v i r t e x i ip r o 系列中要求v c c a u x 管腿接2 5 v 电源，本课题采用线 性电源m i c 3 9 1 5 0 2 5 b t 。3 3 v 电源负责接口供电，本课题设计时，还同时要求 该电源为1 5 v 和2 5 v 稳压片提供电源输入，这样有两点好处：保证1 5 v 和2 5 v 电子科技大学硕士学位论文 稳压片输入输出压降小，从而降低稳压片上的功耗；采用经过稳压处理电源作为 下一级电源输入，进一步避免电源冲击以损坏器件。因此这里选择线性电源 l t l 5 8 5 c t - 3 3 ，其最大输出电流达到5 a 。 由于变频解调单元做成了独立模块，该单元需要接收在母板上的a d 单元 的a d 并行数据输入，该数据为9 3 3 m h z 的l v 订l 电平数据，硬件设计中采用 a m p 公司的高遮总线接插座，实际应用显示该并行信号能够有效的传输。不过 把a d 与该部分做在一个卡上最稳妥。 2 4 本章小结 目前实用的软件无线电技术主要采用中频带通采样结构。本章基于此结构建 立了当前软件无线电应用于卫星信号的解调器模型；分析比较了采用开环方式和 闭环方式解调的利弊，开环方式入锁速度往往比闭环方式快，但是性能稍差，多 用于突发信号接收，而闭环方式在连续信号接收中应用广泛，确定了本课题采用 闭环方案。进而设计了基于中频带通采样结构的数字解调平台，并对关键模块进 行了调试和测试。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第三章数宇下变频器设计 基于带通采样结构的解调器设计的一个重要环节就是数字下变频。新的数字 解调器与传统模拟中频数字基带解调器的区别就是前者在数字电路中实现了后 者模拟实现的正交变频和基带滤波功能。 i 、q 基带 数据 输出 图3 - 1 数字下变频结构示意图 数字下变频的基本结构如上图所示，包括三个基本部分：正交变频、抽取滤 波和数字重采样部分。 正交变频包括数字混频正交变换和基于多相滤波的数字正交变换两种方法 7 1 ，其中第二种在中频采样率与输入信号中心频率成特殊关系时才能采用，不适 用于本课题信号环境，因此本课题采用第一种方法。数字混频方法就是将模拟载 波产生和混频换成数字n c o 和乘法器实现，数学原理成熟，本文直接在第四章 讨论其硬件实现问题。 本章重点讨论抽取滤波和数字重采样技术。目前市场上已经有成熟的数字下 变频产品。但是这些产品的最高处理基带速率比较低，达不到1 0 m h z ，这是本 课题研究的一个重要原因。 本课题的抽取滤波结构借鉴了目前成熟下变频器件的滤波分级结构，结合 f p g a 的速度和资源设计了三级结构实现抽取滤波为从2 1 2 8 变换。数字重采样 部分则首先研究了采用拉格朗日插值算法实现数字重采样，并对重采样本身进行 了性能分析，在此基础上，采用多相低通滤波结构对数字重采样算法进行，并最 终通过c 语言设计数字下变频即解调软件对它们的性能进行仿真比较，得出采 用多相低通滤波方式性能更优的结论。 3 1 抽取滤波器设计 采样信号经过数字正交变频后，关心的频谱成分被搬移到零中频，此时需要 低通滤波将关心的低通带宽以外的噪声以及不关心的高频成分滤除。由于采用带 1 4 电子科技大学硕士学位论文 通采样结构，正交变换时的信号采样率工相对于关心信号带宽而言往往很高， 远远超过了n y q u i s t 采样率。这导致包括低通滤波在内的后续处理可能因为运算 量太大而不能有效处理数据。因此设计变频解调器时考虑在保证关心信号不失真 的前提下尽可能降低信号采样率，减少运算量，这就是抽取滤波器的作用。 当抽取系统的抽取率很高时，采用多级抽取系统比单级实现效率更高，采用 多级实现时可以显著降低运算量和存储量；可以简化滤波器设计问题，即允许每 一级归一化的过渡带比较宽；可以减小有限字长效应( 即舍入噪声和系数灵敏 度) 。文献【4 】通过实例详细论述了对一个初始采样率为1 0 k h z ，抽取因子为1 0 0 的抽取系统，采用第一级抽取因子为5 0 ，第二级为2 的两级抽取系统的运算量 是单级设计的1 8 。 从性能与运算量折衷的角度出发，在设计抽取系统时，充分利用高效滤波器 的特性。c i c 滤波器无需乘法运算，可以实现高速滤波，但是其通带、阻带特性 的可控性不强，所以c i c 滤波器一般用在抽取系统的第一级。半带滤波器虽然 需要乘法运算，但是其运算量只有普通f i r 滤波器的一半，因此其往往作为抽取 系统的中间级。经过c i c 滤波器和半带滤波器后，信号采样率往往已经降到比 较低的水平，在资源允许的前提下，最后一级可以采用普通f i r 滤波器，以获得 很好的信到匹配特性。下图所示为常用的软件无线电接收机基带抽取滤波通道的 数学模型。 图3 - 2 基带抽取滤波模型 下面首先介绍一种经典多级系统滤波器方法：9 滤波器法，然后分析目前专 用片的滤波器设计方案。 3 1 1 多级抽取滤波经典设计 根据c i c 滤波器和半带滤波器的特点，d j g o o d m a n 和m j c a r n y 于1 9 7 7 年提出了9 滤波器法【9 】【m 。该方法首先设计了9 个抽取滤波器，其中一个为c i c 滤波器，作为抽取系统中的第一级使用，其他8 个为半带滤波器，为抽取系统的 第2 到k 1 级，最后一级用一般的方法实现。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 表3 - 19 滤波器法滤波器系数 滤波器n h ( o )h ( 1 )h ( 3 ) h ( 5 )h ( 7 ) h ( 9 ) f 1 拄8n11 f 232i f 371 691 f 473 21 9 3 f 51 12 5 6 1 5 02 53 f 61 13 4 6 2 0 8“9 f 71 15 1 23 0 2- 5 37 f 81 58 0 24 9 01 1 6 3 36 f 91 98 1 9 25 0 4 2 1 2 7 74 2 9i 1 6 1 8 注a ：f 1 为个n 个抽头的c i c 滤波器。 这些滤波器有以下特点： 1 ) 梳状滤波器f l 可以用于任何整数变换因子的抽取器，而半带滤波器f 2 到 f 9 只能用于抽取比为2 的级； 2 ) f i 、f 2 、f 3 和f 5 通带响应单调，其适用性决定于给定的阻带波纹，其他 滤波器通带和阻带波纹指标同样重要： 3 ) 表中系数都可以用很少的比特数来表示，因此这些滤波器的实现比一般的 半带滤波器效率可能更高。 对于给定的滤波器指标巴、只、占矿疋，定义两个滤波器指标参数： 电平波纹因子p ； p = 一2 0 1 9 ( 8 , ) ( 3 1 ) 对滤波器f 1 、f 2 、f 3 、f 5 ( 单调响应) ，或 p = - 2 0 1 9 【m i n 睾】 ( 3 彩 1 6 电子科技大学硕士学位论文 对滤波器f 4 、f 6 到f 9 ( 非单调响应) 第掳女输入端的“过抽样”频率比胄，为 耻每= 哮 。， 文献1 8 】画出了每个滤波器在( r ；，p ) 平面上满足指标的边界。在决定各滤波 器级所选用的滤波器以及相应的抽取比的方法是：对第一级，先定下坐标点 ( r ，p ) 的位置，如果滤波器f l 的边界线位于该坐标点的左边，滤波器f 1 就 用在第一级中，而这一级的抽取率d 1 是使坐标点( r 。d 。，p ) 仍然位于e 边界 线右边的最大整数。第2 级以及后面各级使用的抽取比为2 ，需要的滤波器是边 界线位于( r ，2 ，p ) 坐标点左边的那个滤波器。最后一级一般需要使用普通的 f i r 滤波器以保证达到阻带衰减的要求。 3 1 2 专用数宇下变频芯片中的多级抽取滤波器结构 目前已有数字下变频专用芯片，通过研究h s p 5 0 1 i o ! 】、h s p 5 0 2 1 4 8 1 1 2 1 、 a d 6 6 2 0 1 1 3 埽口g c 4 0 1 6 f 1 叼几款比较经典的芯片，归纳其抽取滤波器结构特点如下。 h s p 5 0 1 1 0 从前向后为抽取率为2 - 4 0 9 6 的3 级c i c 滤波器和1 5 阶f i r 补偿 滤波器，整体的抽取率变化范围为1 - 4 0 9 6 。输入最高采样率为5 2 m s p s ，实际使 用时发现处理低通速率高于2 5 m h z 时，解调性能不佳； h s p 5 0 2 1 4 b 从前到后依次为抽取率为4 3 2 的5 级c l c 滤波器，5 级半带滤 波器和抽取率为1 1 6 的2 5 5 阶f i r 滤波器，整体的抽取率变化范围为4 - 1 6 3 8 4 。 输入最高采样率为6 5 m s p s ，处理低通速率最高为9 8 2 k h z ； a d 6 6 2 0 从前向后为抽取率为2 1 6 的2 级c i c 滤波器、抽取率为1 3 2 的5 级c i c 滤波器和抽取率为1 3 2 的2 5 5 阶f i r 补偿滤波器。输入最高采样率为 6 7 m s p s ： g c 4 0 1 6 从前向后为抽取率为4 - 4 0 9 6 的5