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1、东北大学硕士学位论文摘要谱仪数字化接收系统的设计与实现摘要软件无线电是通信工程重要的研究领域，特别是近年来多通道数字通信技术的应用。软件无线电已经是现今通信中不可或缺的内容。本文在介绍M R I 的原理和结构的基础上，着重研究和分析了射频接收系统的工作原理和系统构成，给出了具体的数字化实现方案，提供了计算各种参数的理论依据和实际的设计结果。通过软件无线电的方法设计了数字化的谱仪接收子系统。在数字域中完成多抽样率的转换以及滤波功能。整个电路分为七个部分：A ：前端放火器，B ：带通滤波器，c 模数转换，D ：数字正交检测，E ：抽取半带滤波器，G ：F I R 滤波器。D ，E ，F和G 部分组
2、成了数字下变频器，本人主要完成其中的A ，C ，D ，E 和F 部分的设计与实现，包括原理分析和电路设计，给出了必要的仿真波形、测试波形等。经实际测试，符合设计要求，设计成果在谱仪系统中得到实际应用。由于篇幅的限制，本文仅对X I L I N X 的F P G A 芯片S P A R T A NI I 硬件设计进行了适当的介绍，至于详细的程序清单、V H D L 程序清单、硬件电路原理图以及P C B 板图均未包含在本论文中。关键字：谱仪数字接收系统数字下变频现场可编程门阵列I I东北大学硕士学位论文A b s t r a c tD e s i g na n dR e a l i z a t
3、i o nf o rD i g i t a lR e c e i v i n gS y s t e mi nM 砒S p e c t r u mC o n s o l eA b s t r a c tS o f t w a r er a d i oi sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c h i n gf i e l do fc o m m u n i c a t i o n T h e s ey e m ss o f t w a r er a d i oi st h eb a s e m e n to ft h ed e v e l o p m e
4、n to fr a d i o T h i st h e s i ss h o w sM R Is y s t e mi nt h e o r ya n dt h ec o n f i g u r a t i o no fM R Ir e c e i v i n gs y s t e mT h ek e y s t o n ei st h er e s e a r c ho nt h eR Fn a r r o w b a n dr e c e i v i n gs y s t e m A n dt h ep a p e ra l s os h o w st h es o l u t i o
5、nt od i g i t a lM R IR Fn a r r o w b a n dr e c e i v i n gs y s t e mI nt h ec i r c u i t i ti sc o n s i s tw i t hs e v e np a r t ：A ：p r e a m p l i f i e r , B ：b a n d - p a s sf i l t e r , C ：a n a l o gd i g i t a lc o n v e r s i o n ，D ：d i g i t a lq u a d r a t u r ed e t e c t i o
6、n ，E ：d e c i m a t i n gc a s c a d e di n t e g r a t o r c o m bf i l t e r ，F ：d e c i m a t e b y - 2h a l f - b a n df i l t e r s ，G ：p r o g r m r n n a b l eF I Rf i l t e r si n c l u d i n gt h et h e o r ya n a l y z ea n dc i r c u i td e s i g n i n gT h ep a r tBa n dGIu s et h eg e n
7、 e r a ls o l u t i o nw h i c hh a v eb e e np u b l i s h e di nt e c h n o d a t u m T h eD D C ( D i g t a lD o w nC o n v e r s i o n ) i sm a d eo f p a r tD ，E ，Fa n dp a r tGI nt h i sp a p e r ，If i n i s ht h ep a r tA ，C ，D ，EFa n dIa l s og i v et h en e c e s s a r ys i m u l a t ew a v
8、 ea n dt h et e s tw a v eT h eR Fs i g n a lt h a tp 1 o d u c e db yt h ec i r c u i ti ss a t i s f i e dt h ed e s i g n i n gd e m a n da c c o r d i n gt h et e s tT h ed i g i t a lr e c e i v i n gs y s t e m , w h i c hi sd e s i g n e da n dr e a l i z e db ym e ，i su s e di nM R IS p e c
9、t r u mC o n s o l eB e c a u s et h et h e s i ss p a c ei sl i m i t e d ，i td o e sn o ti n c l u d et h es o u r c ec o d ea n dt h eP C Bf i l e sK e yw o r d s ：S p e c t r u mC o n s o l e ，D i g i t a lr e c e i v i n gs y s t e m , D i g i t a ld o w nc o n v e r s i o n ，F P G AI I I 声明本人声
10、明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文巾取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。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明确的说明并表示谢意。厶 本人签名：彭江1日期：枷L f f f东北大学硕士学位论文第一章前言第一章前言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软件无线电，在最近几年取得令人注目的进展，引起了包括军事通信、个人移动系统、微电子以及计算机等电子领域的巨大关注和广泛兴趣】。医学成像是生物医学工程学科的重要研究领域，包括近年来发展起来的X 劓线计算机断层
11、成像( x 射线C T ) 、核磁共振成像( M a g n e t i cR e s o n a n c eI m a g i n g ) 、和超声成像等。核磁共振技术是继x 光透视、c T 和超声波之后的又一先进的数字成像技术。它具有无辐射伤害、高的空间分辨率、任意的断面扫描方向和众多的成像参数等优点。谱仪是核磁共振设备的核心【2 J 。目前国内还没有实用的医用核磁共振关键设备一谱仪的生产能力，国内自主生产谱仪是特别重要和有意义的。同时，M R I 谱仪作为整机的核心部件，其进口价格也一直居高不下，谱仪的成本约占到整机成本的1 3 。为了降低整机的成本，生产出具有价格优势的高档核磁共振成像
12、设备，必须进行谱仪国产化。所以说，开发自主版权的谱仪，不但有很高的经济价值，还有更大的社会意义。我利用软件无线电思想设计开发了谱仪数字化接收系统。本论文的结构如下，第一章和第二章分别介绍本课题设计的意义和软件无线电与核磁共振相关原理。第三章讨论谱仪数字化接收系统的实施方案。第四章是本设计中应用X I L I N X公司的S P A R T A N II 系列F P G A 芯片X C 2 S 2 0 0 的简介。第五章是前端放大电路的设计，是本论文的重点内容之一。模拟信号的处理，模拟电路相对于数字电路来说，设计复杂，调试困难，尤其是由于实际电路在高频下工作，分布参数、所买元器件的实际特性的影响
13、很大。本文给出前端放大电路的设计，较好的解决了元件参数分散等实际问题，为实际系统生产调试的顺利进行做出了有益的工作。第六章是谱仪数字化接收系统信号采集和模数转换器的应用。第七章叙述谱仪数字化接收系统的数字下变频技术。设计中既有数字信号的处理还有模拟信号的处理。在设计调试过程中，不仅使用软件设计仿真的手段，还自己动手制作相应的硬件电路，最后采用测试仪器进行调试，使最终电路性能满足实际系统的性能要求。软件无线电是一种用软件来实现物理层连接的无线通信设计。软件无线电的主要优点是它的灵活性。在软件无线电中，诸如信道带宽、调制以及编码等可以动态调整，以适应不同的标准和环境、网络通信负荷以及用户需求的变化
14、。软件东北大学硕士学位论文第一章前言无线电( s o f t w a r er a d i o ) 的概念被提出来，其中心思想就是，构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解t | 司类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并且使宽带A D 和D A 尽町能的靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。可以说这样的电台是可用软件控制和再定义的电台。选用不同的软件模块实现不同的功能，而且软件可以升级更新，其硬件也可以升级换代。由于软件无线电的各种功能是用软件实现的，如果要实现新的功能或者调试方式只需要增加一个软件模块即可。同时，由
15、于它能生产各种调制波形和通信协议，故还可以与各种老型电台通信，延长了电台的使用寿命，节约了成本。1 1 软件无线电的概念目前软件无线电设计有两类：软件定义无线电( S D R l ，能够控制和配置处理单元，图11 ；软件无线电( s 哏) ，事实上由软件本身来完成信号处理。倘若能为软件控制设置必要的接口，S D R 就可以应用F P G A 等技术。S W R 则不需要使用这类器件，而是通过在面向应用程序级的软件标准组件对象中进行信号处理，来增大灵活性。以当前的技术，前者更适于低层次应用，而后者则能够通过下载新软件的方式，对一个无线器件进行升级以适应新标准的要求。S W R 具有这种潜能，是因
16、为它所有的功能处理全部用软件实现，而不局限于某种特殊的处理单元口 。 翟旺三实时数字信号处理纾G A D S P , A S I CJ C电话图象数据图1 1 软件无线电结构F i 9 1 1D i a g r a m o f s o f t w a r e r a d i o软件无线电的研究最初源于在使用专用硬件实现无线电通信过程中的互用性问题。第一个软件无线电是S p e a k E a s y 系统中的L a c k e y 9 5 ，它替代由十多个军用无线电设备组成的系统。大学研究项目A t h a n a s 9 8 和B o s e 9 9 推动了软件无线电系统设计的发展，并为软件无线电架构提供了理论依据 ”。2 东北大学硕士学位论文第一章前言1 2 软件无线电的特点软件无线电具有以下几个特点：( 1 ) 灵活性，软件无线电可以通过增加软件模块来实现新的功能。可以同其它类型的电台通信，可以根据不同的需求来加载不同的软件模块，大大降低成本。( 2 ) 开放性，软件无线电采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随着各种器
