基于FPGA的数字上变频设计毕业设计(论文)说明书.docx

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1、像M林电孑科被丈玲GUILINuniversityofelectronictechnology毕业设计（论文）说明书题目：基于FP基的数字上变频设计院（系）:信息与通信学院题目类型：口理论研究口实验研究口工程设计Q工程技术研窕口软件开发摘要数字变频技术在软件无线电和各类数字化发射接收机中得到了广泛应用。由于数字信号处理器（DSP）的处理速度有限，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，需要采用数字变频技术，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。用现场可编程阵列（FPGA）来设计数字上下变频器有许多好处。FPGA在硬件上

2、具有很强的稳定性和极高的运算速度，在软件上具有可编程的特点，在某些专用芯片不能完全满足系统技术指标的情况下，所以采用FPGA来设计数字下变频器更是一种好的解决方案。本文基于数字上变频的基本原理，利用FPGA器件的各种优势，在FPGA开发工具QUartUSn上完成了数字上变频的设计、综合，并最终在MOdeISim上实现了仿真。首先介绍数字上变频及其各模块的原理和实现方法，然后再通过编写VerliogHDL语言及调用IP核来实现各个模块功能，最后通过原理图的构造来整体实现数字上变频。并通过Modelsim的仿真以验证数字上变频的正确性。关键词：数字上变频；FPGA；插值；HB滤波器；ClC滤波器A

3、bstractDigitalFrequencyConversionTechnologyinSoftwareDefinedRadioandvarioustypesofdigitallaunchorreceivershavebeenwidelyused.Asthedigitalsignalprocessor(DSP)processingspeedislimited,oftenitisdifficultforA/Dsamplingratetobehigh-speeddigitalsignaldirectlytothevariouscategoriesofreal-timeprocessing.Ino

4、rdertoresolvethiscontradiction,theneedfordigitalupordownconversiontechnology,high-speedsamplingrateofsignalstobeturnedintoalowrateofbase-bandsignalforthenextstageofsignalprocessing.Withfield-programmablearray(FPGA)tothedesignofdigitaldown-converterhasmanyadvantages.FPGAhardwarehasstrongstabilityandh

5、ighcomputationalspeed,thesoftwarehasprogrammablefeatures,andinsomespecialDDCchiptechnologycannotcompletelymeettheindicators,sothenumberofusedFPGAtodesignthenextconverterisagoodsolution.DigitalUpConverterBasedonthebasicprinciplesoftheuseofthevariousadvantagesofFPGAdevices,developmenttoolsintheFPGAont

6、heQuartus.DUCcompletedthedesign,integration,andultimatelytherealizationofthesimulationinModelsim.Firstintroducedtheprincipleofdigitalupconversionandofeachmodule,andthenVerliogHDLlanguagebywritingandcallingIPnucleartoachieveeachmodulefunction,andfinally,throughtheschematicdiagramofthestructuretotheov

7、erallrealizefrequencyinthefigures.AndthroughthesimulationModelsimtoverifythecorrectnessofthedigitalfrequency.Finally,throughtheModelsimsimulationtoverifytheaccuracyoftheup-conversion.Keywords:DUC;FPGA;interpolate;HBfilter;CICfilter目录引言11绪论21.1 数字变频技术简介21.2 数字上下变频技术的应用发展及现状21.3 课题研究内容及设计方案32FPGA系统设计基

8、础42.1FPGA简介42.2FPGA基本结构52.3FPGA的基本设计流程62.3.1 设计输入方式和软件72.3.2 仿真的方法和软件73数字上变频技术理论基础83.1 数字上变频原理概述83.1.1 数字混频正交变换83.1.2 影响数字上变频性能的主要因素103.1.3 数字上变频的基本原理103.2 多速率信号处理113.2.1 多速率信号处理理论113.2.2 整数倍内插113.3 高效数字滤波器133.4 .1CIC滤波器133. 3.2HB半带滤波器163.4DDS的实现原理174各模块设计实现原理194. 2DDS设计204. 1.1相位累加器205. 1.2正弦查找表214

9、.2内插滤波器设计234.2.1HB半带滤波器设计234.2.2ClC滤波器设计254. 3混频器设计255数字上变频仿真与验证274.1 ModeISinl仿真软件介绍和特点285. 2MOdelSim仿真方法295.2.1前仿真295.2.2后仿真295.3Modelsim仿真的基本步骤295.4仿真结果336结论35谢辞36参考文献37附录38引言近年来，软件无线电理论正逐渐趋于成熟与完善，软件无线电技术已经被越来越广泛地应用于蜂窝通信及各种军用和民用的无线通信系统中。作为软件无线电接收机的核心技术之一，数字上下变频技术也得到了越来越普遍的应用。上变频是将具有一定频率的输入信号，改换成具

10、有更高频率的输出信号。理论上，在软件无线电系统发送端，将已调制好的基带信号通过脉冲成型滤波进行整形、采样抽取等，并经过插值滤波来提高采样速率，之后与本地的数控正交振荡器混频，得到I/Q正交信号，进行数字混频后，再经过数模转换(DAe)后转换成直接中频输出。现场可编程门阵列(FPGA)具有功能强大，开发过程投资小、周期短，可反复编程修改，保密性能好，开发工具智能化等特点，正好充分发挥了软件无线电可编程能力强，易于升级的特点。用FPGA实现数字上变频器的设计，不仅降低了产品成本，减小了设备体积，满足了系统的需要，而且比专用芯片具有更大的灵活性和可控性。随着软件无线电技术理论的发展以及大规模集成电路

11、的广泛使用，原来的模拟系统的基带处理部分采用数字电路逐渐数字化、软件化。数字上变频技术(DigitalUpConverter一DUe)是软件无线电的核心技术之一，也是计算量最大的部分，一般通过FPGA或专用芯片等硬件实现。虽然现在专用的数字下变频芯片品种很多，但是它们在设计和修改方面远远不如FPGA灵活，使用FPGA替代专用的数字上变频芯片更加符合软件无线电的思想。1绪论1.1 数字变频技术简介数字变频技术在软件无线电中占有非常重要的地位。软件无线电是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构。它的实现是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通

12、过软件编程来完成无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置结构，实现新功能，并有利于硬件模块的不断升级和扩展。目前，软件无线电中所涉及的关键技术主要有带多频段天线与宽带低噪声前置放大器、功率放大器、A/D部分、数字下变频、高速数字信号处理、数字上变频和信令处理等，本文介绍的就是软件无线电中数字上变频器的研究。系统最突出的特点有：首先，具有完全的可编程特性，无线波段、接入方式、调制方式和数据速率等都可以通过软件来加以控制；其次，对整个中频频带甚至射频进行采样，增大了处理的带宽，利用高速DSP和软件处

13、理，完成被传输信号从基带到射频之间的整个处理过程。1.2 数字上下变频技术的应用发展及现状随着近年来现场可编程门阵列(FPGA)器件和通用数字信号处理器(DSP)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蜂窝通信及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DSP器

14、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ADCDAC(模数、数模变换器)采样速率、工作带宽和通用DSP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ADC数字化后输出高速数字中频信号，再经数字下变频器(DigitaIDOWnCOnVerteLDDC)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DSP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ADC和DSP器件性能的要求，便于

15、实现和降低成本。数字上变频（DigitalUpConverter-DUC）与下变频是相对应的过程，DSP处理后的基带数字信号经过内插、滤波和上变频后，将信号传给DAC来完成后续的模拟处理环节。数字上下变频器在这里起到ADC/DAC和通用DSP器件之间的桥梁作用。因此，数字上下变频技术己经成为软件无线电接收机的核心技术之一，通用数字上下变频器也被越来越广泛的应用到各种军、民用无线通信设备以及电子战、雷达和信息化家电等领域。自从GrayehiP公司推出第一个单信道数字下变频专用芯片以来，数字上下变频器件的发展也很迅速。目前，最著名、产品应用最广泛的公司有美国的Harris（1999更名为Inter

16、sil公司）、AD公司和Graychip等公司ODDC代表产品有Harris公司的HSP50016,HSP50214系列；AD公司的AD6620,AD6624;Graychip公司的GClOll系列、GC1012系列等.DUC的产品有Harris公司的HSP50215;GrayChiP公司的GC4114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DDC芯片（如Intersil公司的HSP50214B）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NC0、坐标变换、数字AGC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DSP器件结合，便可构