第四讲：软件无线电的数字前端的实现_20130316_范玉衡

1、第四讲第四讲 软件无线电的数字前端的实现软件无线电的数字前端的实现 范玉衡范玉衡 1 主要内容主要内容 n数字上数字上/下变频基础实验下变频基础实验 n数字上数字上/下变频基础验证实验下变频基础验证实验，观察并记录，观察并记录 上上/下变频后信号时域和频域波形的变化；下变频后信号时域和频域波形的变化； n数字上数字上/下变频扩展实验下变频扩展实验：编写：编写VHDL程序程序 ，完成基于，完成基于FPGA的数字上的数字上/下变频实验。下变频实验。 2 数字上数字上/ /下变频基础实验下变频基础实验 n项目需用仪器设备：项目需用仪器设备： 计算机、软件无线电实验箱、信号发生器、示计算机、软件无线电

2、实验箱、信号发生器、示 波器、波器、DSPDSP仿真器、仿真器、FPGAFPGA仿真器、仿真器、5 5V V电源电源 n所需主要元器件及耗材：所需主要元器件及耗材： 连接线、计算机串口连接线连接线、计算机串口连接线 3 实验原理实验原理 1、数字上、数字上/下变频的理论基础下变频的理论基础 n通常的无线通信都是通过载波调制信号来实现。通常的无线通信都是通过载波调制信号来实现。 n上变频和下变频的概念分别是指把信号搬移到上变频和下变频的概念分别是指把信号搬移到 更高或更低的频率上。更高或更低的频率上。 n这可以通过信号这可以通过信号c(t)与一个复旋转向量相乘得到与一个复旋转向量相乘得到 2 (

3、 )( ) c jf t s tc t e c f代表搬移的频率代表搬移的频率 4 1、数字上、数字上/下变频的理论基础下变频的理论基础 通常我们把无线频率称为载波频率，把基带信通常我们把无线频率称为载波频率，把基带信 号搬移到该频率叫上变频，从该频率搬移到带号搬移到该频率叫上变频，从该频率搬移到带 通信号称为下变频。通信号称为下变频。 复数信号的实部和虚部也可以分别称做同相分复数信号的实部和虚部也可以分别称做同相分 量或正交分量。量或正交分量。 数字上变频和下变频就是对上式进行数字化。数字上变频和下变频就是对上式进行数字化。 这就意味着信号和复向量都要用量化的样本来这就意味着信号和复向量都要

4、用量化的样本来 表示。表示。 5 1、数字上、数字上/下变频的理论基础下变频的理论基础 n引入满足采样定理的采样周期引入满足采样定理的采样周期T，这样数字，这样数字 上变频和下变频可以写为：上变频和下变频可以写为： 2 ()() c jf kT s kTc kT e 进行上变频还是下变频是由频率进行上变频还是下变频是由频率fc的符号决定。的符号决定。 因此只要对其中一种情况进行讨论即可。我们以下因此只要对其中一种情况进行讨论即可。我们以下 变频为例，分别讨论其时域和频域分析。变频为例，分别讨论其时域和频域分析。 6 1、数字上、数字上/下变频的理论基础下变频的理论基础 n为了分析方便，我们假设

5、中频信号为单频形式，为了分析方便，我们假设中频信号为单频形式， 暂不考虑邻道及其他干扰。暂不考虑邻道及其他干扰。 1）数字下变频的时域分析：）数字下变频的时域分析： n数字下变频的目的是把所需的分量从载波频率加数字下变频的目的是把所需的分量从载波频率加 搬移至基带。搬移至基带。 n模拟中频信号为单频形式：模拟中频信号为单频形式： 0 cos c c tt 0 表示信号频率，表示信号频率， 表示信号初始相位表示信号初始相位 0 c 7 1 1）数字下变频的时域分析）数字下变频的时域分析 n同时假设用于正交解调的两路数字本振的初始相同时假设用于正交解调的两路数字本振的初始相 位为位为0，那么模拟中

6、频信号经过，那么模拟中频信号经过A/D后得到的信后得到的信 号形式为号形式为 k T kTtkTctPtckTC 0 cos c c kkT0, 1, 2,k 那么，此信号经过正交数字解调后的信号形式那么，此信号经过正交数字解调后的信号形式 ( (设信号频率和本振频率相同，即设信号频率和本振频率相同，即 ) )可以可以 表示为表示为 cp 8 1 1）数字下变频的时域分析）数字下变频的时域分析 0 coscoscos Ipcp skc kkTkTkT 00 1 cos 2cos 2 ckT 0 coscossin Qpcp skc kkTkTkT 00 1 sin 2sin 2 ckT I路：

7、路： Q路：路： 可以看出：数字正交解调输出包括两项，其中第可以看出：数字正交解调输出包括两项，其中第1项为解调过程项为解调过程 中引入的高频分量，第二项为所需要的低频分量。中引入的高频分量，第二项为所需要的低频分量。 9 1 1）数字下变频的频域分析）数字下变频的频域分析 n输入模拟中频信号的频谱为：输入模拟中频信号的频谱为： 00 jj ccc Fee 此信号经此信号经A/D变换后的输出信号频谱为：变换后的输出信号频谱为： 1122 22 sTcc k k FPFF TT 12 c k k F TT 10 1 1）数字下变频的频域分析）数字下变频的频域分析 n经过数字正交解调后的频谱经过数

8、字正交解调后的频谱： 122 2 Ispp k k F TT 22 pp k kk TTT 122 2 Qspp k k F jTT 22 pp k kk jTTT I路路 Q路路 11 2、VHDL实现数字上实现数字上/下变频下变频 n在程序中，我们先对在程序中，我们先对AD输入的信号进行采样，然输入的信号进行采样，然 后将采样后的数据与内部的后将采样后的数据与内部的1MHz正弦载波信号正弦载波信号 值表相乘，再通过值表相乘，再通过DA发送出去发送出去. n以上变频为例，我们重点介绍以上变频为例，我们重点介绍基于基于FPGA的的 n1MHz载波信号的产生；载波信号的产生； n再介绍信号的上变

9、频过程再介绍信号的上变频过程。 12 1）1MHz正弦载波信号的产生正弦载波信号的产生 n由于实验箱中输入信号的采样率是由于实验箱中输入信号的采样率是16MHZ，要产生，要产生1MHz 的正弦载波信号，我们可将的正弦载波信号，我们可将1MHz的正弦信号离散化为的正弦信号离散化为16 个样本，等效于用个样本，等效于用16MHZ的时钟采样，即：的时钟采样，即： sin(2*pi*f*n/fs)，其中其中f=1MHz，fs=16MHZsin(2*pi*n/16) n其中，其中，n的取值为的取值为0到到15，也就完整地表示了这个调制正，也就完整地表示了这个调制正 弦信号的一个周期。弦信号的一个周期。

10、n在离散化之后，我们再进行一个幅值上的放大，即乘以在离散化之后，我们再进行一个幅值上的放大，即乘以 511，最终得到的一个样本用，最终得到的一个样本用10bit长的向量来表示。长的向量来表示。 n在程序中，我们用变量在程序中，我们用变量dc_array来表示调制正弦信号来表示调制正弦信号 modulation_signal，它是一个包含，它是一个包含16个元素的数组，个元素的数组， 每个元素都是一个长度为每个元素都是一个长度为10bit的向量。的向量。 13 2）上变频过程）上变频过程 n上变频过程其实就是输入信号上变频过程其实就是输入信号uc_din（经过（经过 AD之后长度也为之后长度也为

11、10bit）与调制信号）与调制信号 modulation_signal的相乘过程。的相乘过程。 n参考实验指导书上的关键代码。参考实验指导书上的关键代码。 14 实验内容实验内容 （1）数字上）数字上/下变频基础验证实验，观察下变频基础验证实验，观察 并记录上并记录上/下变频后信号时域和频域波形下变频后信号时域和频域波形 的变化；的变化； （2）数字上）数字上/下变频扩展实验：编写下变频扩展实验：编写VHDL 程序，完成程序，完成基于基于FPGA的数字上的数字上/下变频实下变频实 验。验。 15 实验内容实验内容1 1 数字上数字上/ /下变频基础实验下变频基础实验 1 1）启动软件无线电实验

12、平台基础实验数字上）启动软件无线电实验平台基础实验数字上 / /下变频实验；下变频实验； 2 2）选择选择“2”，按，按“Enter”后，进入数字上变频实验仿真后，进入数字上变频实验仿真 实验窗口实验窗口； 3 3）将能产生正弦信号的函数信号发生器与实验平台的将能产生正弦信号的函数信号发生器与实验平台的RXI 端口连接，正弦单频信号的幅度不要超过端口连接，正弦单频信号的幅度不要超过2V，信号频率，信号频率 设为设为1MHz；(模拟接收的信号模拟接收的信号) 4 4）按照软件无线电实验平台软件界面的提示进行后续操作；按照软件无线电实验平台软件界面的提示进行后续操作； (软件无线电平台产生本振信号

13、软件无线电平台产生本振信号) 16 实验内容实验内容1 1 数字上数字上/ /下变频基础实验下变频基础实验 5 5）将示波器分别观测实验平台将示波器分别观测实验平台TXI和和TXQ端口，通过示波端口，通过示波 器观察输出波形和频谱。器观察输出波形和频谱。 6 6）根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录发送波形根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录发送波形 经过上变频后的频谱特征经过上变频后的频谱特征 ： 谱线个数谱线个数谱线分别所处频段（谱线分别所处频段（kHz） 原始单频信号原始单频信号 上变频后信号上变频后信号 按照以上同样的方法，观察并记录下变频的波形及频谱。按照以上同样的方法，观察

14、并记录下变频的波形及频谱。 17 实验内容实验内容2 2 数字上数字上/ /下变频扩展实验下变频扩展实验 1）在）在ARM界面选择进入界面选择进入-扩展实验扩展实验-FPGA扩展实验扩展实验-上下上下 变频实验；变频实验； 2）在）在ISE中编译中编译uc_dc工程，然后通过工程，然后通过JTAG仿真口将比特文仿真口将比特文 件下载到件下载到FPGA中；中； 3）用信号发生器发送）用信号发生器发送600KHz正弦波到平台的正弦波到平台的RXI端口；端口； 4）在）在ARM控制端的显示界面中按控制端的显示界面中按ENTER； 5）用示波器观测平台的）用示波器观测平台的TXI、TXQ端口，查看变频前后的波端口，查看变频前后的波 形和频谱。形和频谱。 18 实验内容实验内容2 2 数字上数字上/ /下变频扩展实验下变频扩展实验 6）改变数字调制信号频率，将代码中固化的改变数字调制信号频率，将代码中固化的1MHZ 的正弦信号换为的正弦信号换为2MHZ，并采取相同的幅度放大。，并采取相同的幅度放大。