基于fpga技術的抽取器設計與實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 .....................................43圖 43 原信號頻譜圖（線性幅度） ................................................................................................43圖 44 測試信號波形 ........................................................................................................................44圖 45 測試信號頻譜（線性幅度） ................................................................................................44圖 46 輸出結果的波形 ....................................................................................................................45圖 47 輸出結果的頻譜（線性幅度） ............................................................................................46圖 48 未通過 FIR 濾波器時信號的波形 .......................................................................................46圖 49 未通過 FIR 濾波器時信號的頻譜（線性幅度） ...............................................................47圖 410 ISOP 濾波器后信號的波形 .................................................................................................47圖 411 ISOP 濾波器后信號的頻譜（線性幅度） .........................................................................48表列表 21 兩級半帶濾波器系數 ............................................................................................................23表 22 FIR 濾波器系數 .....................................................................................................................24浙江工業大學本科畢業設計論文0第 1 章 緒論 課題的來源及背景軟件無線電思想是 20 世紀 90 年代以后逐漸興起的一種全新的設計思想。它是針對無線通信領域現存的一些問題而提出的，如：多種通信體系并存，頻率資源緊張，多種標準競爭等。而無線個人通信系統的發展又使新系統層出不窮，產品生產周期縮短，原有的以硬件為主的無線通信體制難以適應這一局面，軟件無線電的概念應運而生。軟件無線電最初起源于軍事研究。其電臺一般只能完成單一的功能，各種電臺之間結構差異大，限制了互相之間的通信。為了保證不同設備之間的互通性，使軍種間更高效可靠的協同通信，美國軍方展開了對三軍通用無線電臺的研制，并制定了發展計劃和目標。而在民用市場，當前多種通信體制并存，新體制不斷涌現。模擬體制與數字體制共存，TDMA 體制和 CDMA 體制并存。由于各體制硬件平臺不同，使得他們之間的互相通信比較困難，隨著無線通信的發展，使得人們對各通信體制之間互通的要求日趨強烈 [2]。軟件無線電的完整概念和結構體系是由 MITRE 公司的美國科學家 Joseph Mitola 于 1992 年 5 月在 NTC（National Telesysems Conference，美國電信系統會議）上明確提出 [1]其核心思想是：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件來完成，并使寬帶 A/D 和 D/A 轉換器盡可能的靠近天線，以研制出具有高靈活性和開放性的新一代無線通信系統。根據其思想，軟件無線電直接在信號射頻進行采樣，將模擬信號轉換成數字信號，射頻以下其它的所有處理功能全部采用軟件模塊來實現。而 AD 之后的數據速率往往過高，無法滿足后續實時處理的需求，這就要求我們提出一種降低數據速率而又不損失有用信息的解決方案。為了達到這一目的，抽取器應運而生。浙江工業大學本科畢業設計論文1 研究的目的與意義上文已經提到，當前通信標準繁多，各電臺工作頻率從幾十 KHz 到幾十GHz 不一。在軟件無線電的實現時，如果按照 Nyquist 采樣定律，ADC 的抽取頻率要大于被采樣信號的最高頻率的兩倍以上，所得到的離散采樣值才能準確的確定原信號。這樣勢必導致 ADC 后的數據速率很高，帶來的問題就是后續DSP、FPGA 等器件的處理速度跟不上，特別是對有些同步解調算法，如果其數據吞吐率太高是很難滿足實時性要求，所以有必要對數據流進行降速處理 [3]。目前使用的通信信號多數都是帶通信號，其帶寬一般不會超過幾 MHz，對于帶通信號如按照帶通采樣定理，采樣速率不需要大于信號最高頻率的兩倍，用較低的采樣速率也可反映帶通信號的特點，當帶通信號的采樣頻率 和中心頻率sf滿足 時（ 取能滿足 的最大整數， 為頻帶寬度） ，由0f??0421sfn??2sfB?B采樣信號可以準確地恢復原信號。如此，減少了抽樣點數，大大減少了后續 DSP對信號進行處理的負擔。對采樣后的數據進行處理就可以得到基帶信號，這也就是數字下變頻，抽取技術和采樣后數字下變頻技術是軟件無線電實現的基礎，對其進行研究并在硬件上加以實現有著十分重要的意義 [23,30]。 國內外在該領域的研究現狀及分析軟件無線電被稱為是繼模擬通信到數字通信，固定通信到移動通信之后的第三次技術革命，使從硬件無線通信到軟件無線通信的革命。而且其不僅在民用、軍用無線通信領域獲得應用，在電子戰、雷達、信息化家電等領域也得到推廣，世界各國都在對其進行深入研究 [33]。1990 年 8 月，美國國防部與 Hazeltine 公司簽訂合約，開始研制 Speakeasy軟件無線電系統第一期工程 [4]，1994 年 8 月 Speakeasy I 型樣機研制成功并進行了技術演示。在 1995 年，啟動了 Speakeasy 二期工程，1999 年更名為為冗貼(聯合戰術無線電系統)系統繼續進行開發研究。在民用方面 [2]，美國 800/900MHz 的專用移動無線電(SMR)系統采用了軟件無線電技術。1996 年 11 月，美韓合資的 AIRCOM 公司在北京召開的國際通信展覽會上展出了它的軟件無線電基站。2020 年 6 月，Motorola 公司公布它己著浙江工業大學本科畢業設計論文2手研制用于蜂窩通信的軟件無線電終端。在亞洲方面，日本的 ARIB 于 1996 年就開始了軟件無線電接收機的研究，并己制作出樣機。電子情報通信學會也成立了軟件無線電研究會。NTT 開發了可以雙向和實時處理的軟件基站和終端。韓國的 KEES（Korea Elecbomagletic EngZneellng Socjety）成立了軟件無線電工作室。ETIR（EIecbonics Telem Mnications Research lnstjtute）正在研究可能實現IMT2020 功能的軟件無線電設備。而我國在 1996 年 10 月將軟件無線電正式列入了國家 863 高技術計劃通信主題的研究項目。 “九五” 期間，該技術己成功地在軍用單兵短波數字通信系統中得到應用。1998 年 7 月，我國向 ITU 提交的第三代移動通信提案 TDSCDMA 中就采用了軟件無線電技術。我國研究開發的第二代同步軌道航天測控設備的方案中，其核心就是引入了軟件無線電技術 [2]。在軟件無線電的標準化方面，1996 年 3 月設立的 SDR 協會(軟件定義的無線電協會，原 MMITS 協會)目前的活動仍很活躍。它是唯一的一個國際性標準化組織，任務是促進軟件無線電的普及和制定故障標準，目前已有 100 個以上的團體加入了該組織，進行有關方面的研究。2020 年 3 月，美國 FCC(美聯邦通信委員會)聽取了關于建立軟件無線電法規方面的意見。同年，ITUT 的 WP8F 小組也開始了有關軟件無線電的討論。 論文主要研究內容本論文所研究的抽取器，是軟件無線電系統的重要組成部分。論文所要完成的主要設計工作是實現一個基于 FPGA 技術的抽取器，實現的主要功能是對輸入的高速率數據在保留所需頻段的前提下，進行降低速率的操作（即抽取） ，輸出較低碼率的數據，便于后續的數字信號處理。本論文主要工作內容如下：在廣泛收集相關資料的基礎上，熟悉和研究抽取器的實現理論和各種實現結構，特別是其中各類抽取濾波器的結構、優缺點、實現方式等。然后運用 MATLAB 設計抽取器結構，如圖 11 所示，并計算其中各濾波器參數，然后進行仿真，以驗證理論，并為指導后續的 VHDL 設計做好準備。在理論和仿真的基礎上，在 Quartus II 開發平臺上，運用 VHDL 語言進行設計，實現基于 FPGA 技術的抽取器，其中所使用的 FPGA 芯片為ACEX1K：EP1K30TC1443。在 Quartus II 上進行功能仿真和時序模擬后，將在浙江工業大學本科畢業設計論文3FPGA 硬件平臺上調試，最后通過示波器和頻譜分析儀來檢驗最終成果。32 倍抽取器輸出序列輸入序列 4 級 8 倍抽取 CIC濾波器HB 濾波器ISOP補償濾波器FIR 濾波器HB 濾波器圖 11 設計結構圖論文的第 1 章介紹了軟件無線電的發展現狀以及抽取器設計的目的與意義，并給出了本文的內容安排。第 2 章對抽取器的基本理論和各種實現結構進行了介紹，并分析和設計了多種抽取濾波器，最后得到了本論文所要采用的抽取器結構。同時使用 MATLAB對所提出的抽取器結構進行了具體的設計，使用濾波器設計分析工具箱（FDATOOL）進行了抽取濾波器設計。然后通過程序模擬了整個抽取器結構，得到信號通過抽取器前后的波形以及頻譜的仿真。第 3 章在前面的基礎上，在 Quartus II 開放平臺上，使用 VHDL 語言進行抽取器的實現。討論了各模塊的具體實現細節，以及其中各種出現的問題和解決方案。在各模塊經過測試后，將它們綜合成最終的系統，進行了功能仿真和波形模擬，初步分析了所設計的抽取器的性能。第 4 章進行了最終的硬件調試，使用示波器與頻譜分析儀，檢驗了本論文所設計的抽取器的性能，證明了 FPGA 技術應用于抽取器的可行性和靈活性。最后一章是對論文工作的一些總結。 本章小結本章介紹了課題的來源與背景，并在目前發展狀況的基礎上，給出了本設計的目標，最后介紹了全文的內容結構。浙江工業大學本科畢業設計論文4第 2 章 抽取器理論研究及 MATLAB 仿真實現前一章已經總體上給出了我們對整個設計的規劃，在這一章我們將從基礎理論開始一步步討論、研究并仿真整個抽取系統。 抽取的基本原理將抽樣序列 的速率降低 D 倍的過程稱為抽取，在抽取過程中，為了避??Xn免產生頻譜混疊，需要對原序列進行低通濾波。設濾波后的序列為 ，??Wn序列中的每 D 個樣點保留一個樣點得到一個新的樣點序列 ， 就??Wn Y是 經過 D 倍抽取后的樣點序列，這一過程 [29,32]如圖 21 所示。X ??Yn ??Wn??n低通濾波抽樣速率降低 D 倍圖 21 抽取器 整數倍抽取在信號的采樣數據中每 D 個抽取一個，當 D 為整數時，稱為整數倍抽取，其中 D 為抽取因子。即若原信號序列為 ，其中 為采樣時間，則經過 D1()xnT1倍抽取后，得到抽樣序列 的采樣時間 ，則??2yn2?（21）21()()x依次組成一個新的序列 ，即()y（22）()ynxD?通過 MATLAB 可以很容易地實現其抽取，只需要將輸入序列的第D、2D、3D……nD 個元素取出，組成新的序列，即完成了 D 倍抽取。具體程序可用一個循環來實現：浙江工業大學本科畢業設計論文5For i=1:length(BeforeD)/DAfterD(i)=BeforeD(i*D)。End其中 BeforeD 為輸入信號序列，AfterD 為抽取后信號序列，D 為抽取因子。經過抽取后，時域上的信號變化如圖 22 所示。圖 22 信號抽取示意圖而抽樣信號的頻譜與原來信號的頻譜關系 [21]為， （23）????210Dj jkkYeXeW?????2jDe???可見，信號的抽取會帶來頻譜的混疊。抽取序列的頻譜信號 為抽取??jDXe?前原始序列的頻譜 經平移和 D 倍展寬后的 D 個頻譜的疊加和，如圖 23??jXe?所示。為了避免混疊，必須首先降低序列 的帶寬，即 ，然后再??xn