数字下变频器的FPGA设计实现PPT课件.ppt

1 第十讲实验五 数字下变频器的设计实现 龚玉萍讲师 理工大学通信工程学院 无线通信系通信对抗教研室 现代电子系统设计 2 实验目的与实验要求 实验目的理解数字下变频器的基本原理掌握数字下变频器的设计方法学习如何用Matlab辅助完成FPGA设计实验要求根据给定的数字下变频器性能指标要求 利用Matlab辅助完成各功能模块的参数设计完成数字下变频器的FPGA设计 进行时序仿真 并对结果进行分析 3 实验背景知识 相关先修课程数字信号处理软件无线电实验涉及到的相关基本原理数字下变频器多速率信号处理CIC抽取滤波器FIR滤波器 4 本讲主要内容 一 数字下变频器的基本原理 三 数字下变频器的FPGA实现 二 数字下变频器的Matlab设计 5 一 数字下变频器的基本原理 1 数字变频与软件无线电数字变频是实现软件无线电的核心技术之一 模拟变频VS 数字变频模拟变频 混频器具有非线性 模拟本振的频率稳定度 相位噪声 温度漂移 转换速率等性能指标较差 数字变频 载频与数字滤波器系数具有可编程性 数字混频不存在非线性失真 数字滤波频响特性好 思考 软件无线电可采用哪几种类型的数字化方式 从工程实现角度出发 现阶段那种方式比较合适 6 一 数字下变频器的基本原理 2 数字下变频组成数字下变频器 DigitalDown ConvertersDDC 由数字混频器 数字频率合成器和低通滤波器三部分组成 7 一 数字下变频器的基本原理 3 数字下变频功能进行频谱搬移 降低采样速率 通过抽取将高速采样信号降低为低速基带采样信号 8 一 数字下变频器的基本原理 4 如何设计数字下变频器中的低通滤波器 单级实现 采样速率高 过渡带宽窄导致滤波器阶数巨大 工程上难以实现 多级实现 分级抽取 每一级设计不同的过渡带宽 可有效减小各级所需滤波器的阶数 进一步改进措施 采用积分梳状 CascadedIntegrator CombCIC 滤波器 降低对计算量的要求 带来的问题 通带内的衰减 由CIC补偿滤波器对幅频相应进行补偿 9 一 数字下变频器的基本原理 4 如何设计数字下变频器中的低通滤波器 X n CIC 补偿FIR FIR CIC FIR AD X t 补偿FIR 10 二 数字下变频器的Matlba设计 1 UHF波段战术电台数字下变频器设计指标 11 二 数字下变频器的Matlba设计 2 设计步骤步骤一 确定数字频率合成器输出频率fc 21 4MHz步骤二 确定总抽取率DD 57 6MHz 720kHz 80步骤三 确定各级滤波器设计参数CIC滤波器 抽取率 级数补偿滤波器和FIR滤波器 抽取率 阶数及系数 12 二 数字下变频器的Matlba设计 3 CIC抽取滤波器设计抽取对数字频谱的影响分析 频谱扩展 频谱叠加 13 二 数字下变频器的Matlba设计 3 CIC抽取滤波器设计 CIC滤波器幅频响应 D 8N 5 CIC滤波器幅频响应衰减值 最大混叠出现在什么位置 14 3 CIC抽取滤波器设计抽取率D1级数N 二 数字下变频器的Matlba设计 15 二 数字下变频器的Matlba设计 3 CIC抽取滤波器设计 hcic mfilt cicdecim R M N IWL OWL 16 二 数字下变频器的Matlba设计 3 CIC抽取滤波器设计 CIC滤波器幅频响应 D 40N 5 17 4 CIC补偿滤波器设计补偿CIC滤波器通带内的衰减完成D2 2的抽取 d fdesign decimator D ciccomp M Nsecs Fpass Fstop Apass Astop Fs in 二 数字下变频器的Matlba设计 18 4 CIC补偿滤波器设计 补偿效果图 二 数字下变频器的Matlba设计 19 4 CIC补偿滤波器设计 2级滤波器级联后的幅频响应特性 二 数字下变频器的Matlba设计 20 5 FIR滤波器设计通带波纹指标 小于0 1dB阻带衰减指标 60dB d fdesign decimator 1 lowpass N Fp Fst N Fpass Fstop Fs fir 二 数字下变频器的Matlba设计 21 3级滤波器级联后的幅频响应特性 二 数字下变频器的Matlba设计 22 二 数字下变频器的Matlba设计 23 二 数字下变频器的Matlba设计 实验设计指标 你感兴趣的数字下变频器设计 24 本讲主要内容 一 数字下变频器的基本原理 三 数字下变频器的FPGA实现 二 数字下变频器的Matlab设计 25 三 数字下变频器的FPGA实现 1 Top down的功能模块划分 26 2 实现数字下变频器可使用的IP核 xilinx 数字混频器 乘法器IP数字控制振荡器 DDSIPCIC滤波器 CICFILTERIP补偿滤波器与FIR滤波器 MACFIRIP时钟产生 DCM 三 数字下变频器的FPGA实现 思考 IP核使用的要点有哪些 27 数字混频器 乘法器IP端口数据类型 有符号 无符号输入 输出数据位宽 三 数字下变频器的FPGA实现 28 数字混频器 乘法器IP端口数据类型 有符号 无符号输入 输出数据位宽 三 数字下变频器的FPGA实现 29 三 数字下变频器的FPGA实现 数字控制振荡器 DDSIPDDSclockrate DDS输出数据时钟数率SFDR 对DDS输出产生的带外噪声的要求FrequencyResolution 频率分辨率设置为10Hz 则DDS的最低分辨率可调至10Hz数量级OutputFrequency 输出频率fc 可固定或周期性变化 30 三 数字下变频器的FPGA实现 数字控制振荡器 DDSIP 31 三 数字下变频器的FPGA实现 数字控制振荡器 DDSIP 32 三 数字下变频器的FPGA实现 数字控制振荡器 DDSIP 33 三 数字下变频器的FPGA实现 CIC滤波器 CICFILTERIP输入数据位宽CIC滤波器级数差分延迟抽取 内插因子 34 三 数字下变频器的FPGA实现 补偿滤波器与FIR滤波器 MACFIRIP滤波器类型 单速率 内插 抽取滤波器设置 内插次数 抽取次数 多通道数量系数设置 系数位宽 系数类型 有符号 无符号 时钟设置 系统时钟及数据输入速率 35 三 数字下变频器的FPGA实现 补偿滤波器与FIR滤波器 MACFIRIP系数设置 36 三 数字下变频器的FPGA实现 补偿滤波器与FIR滤波器 MACFIRIP时钟设置 37 3 实现时需要注意的细节系统工作时钟速率的选择必要条件 满足信号输入速率对计算的要求时钟速度对系统性能的影响 思考 如何优化 三 数字下变频器的FPGA实现 3 实现时需要注意的细节严格考虑溢出问题CIC抽取滤波器内部字长 Bmax N log2 D M Bin 1 在我们的设计参数下 Bmax Bin 15 三 数字下变频器的FPGA实现 39 3 实现时需要注意的细节数据位宽的确定与数据截取 三 数字下变频器的FPGA实现 CIC 补偿FIR FIR AD 14 28 43 62 85 注意 输出位宽 输入位宽 系数位宽 log2 滤波器阶数 1FIR滤波器系数位宽为16比特 40 3 实现时需要注意的细节数据位宽的确定与数据截取 三 数字下变频器的FPGA实现 CIC 补偿FIR FIR AD 14 16 43 62 85 41 3 实现时需要注意的细节数据位宽的确定与数据截取 三 数字下变频器的FPGA实现 CIC 补偿FIR FIR AD 14 16 31 50 73 42 3 实现时需要注意的细节数据位宽的确定与数据截取 三 数字下变频器的FPGA实现 CIC 补偿FIR FIR AD 14 16 18 50 73 注意 MACFIRIP核的输入数据位宽最大为18比特 43 3 实现时需要注意的细节数据位宽的确定与数据截取 三 数字下变频器的FPGA实现 CIC 补偿FIR FIR AD 14 16 18 37 60 44 3 实现时需要注意的细节数据位宽的确定与数据截取 三 数字下变频器的FPGA实现 CIC 补偿FIR FIR AD 14 16 18 18 60 45 3 实现时需要注意的细节数据位宽的确定与数据截取 三 数字下变频器的FPGA实现 CIC 补偿FIR FIR AD 14 16 18 18 41 46 3 实现时需要注意的细节数据位宽的确定与数据截取 三 数字下变频器的FPGA实现 CIC 补偿FIR FIR AD 14 16 18 18 41 注意 FIR滤波器输出数据的截取 max output max input sum abs coef 47 实验目的与实验要求 实验目的理解数字下变频器的基本原理掌握数字下变频器的设计方法学习如何用Matlab辅助完成FPGA设计实验要求根据给定的数字下变频器性能指标要求 利用Matlab辅助完成各功能模块的参数设计完成数字下变频器的FPGA设计 进行时序仿真 并对结果进行分析 48 实验目的与实验要求 实验目的理解数字下变频器的