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1、湖南文理学院课程设计报告课程名称： 通信系统课程设计 系 部： 电气与信息工程学院 专业班级： 通信 学生学号： 学生姓名： 指导教师： 侯清莲 完成时间： 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 变频器的设计及实现摘 要IABSTRACTII一 绪论11.1 软件无线电概述11.1.1 无线通信国内外发展现状11.1.2 软件无线电概念的提出11.2 上下变频技术的应用与发展21.2.1 上下变频技术的应用及发展21.2.2 FPGA在数字上下变频领域的应用3第二章 上下变频技术理论基础42.1 上下变频理论概述42.1.1 混频正交变换理论42.1.2 上下变频原理6第三章上下变频器的设计
2、与实现73.1 基于FPGA的数字下变频设计原理与方案73.1.1 数控振荡器NCO的设计73.1.2 CIC抽取滤波器的设计83.1.3 HB滤波器的设计103.1.4 FIR整形滤波器的设计113.2 基于FPGA的数字上变频设计原理与方案123.2.1 SCIC内插滤波器的设计12第四章数字上下变频器各部分的仿真实现144.1 NCO的FPGA仿真结果144.2 五级级联CIC抽取滤波器FPGA的仿真结果144.3 半带滤波器的FPGA仿真结果154.4 FIR整形滤波器FPGA仿真结果15参考文献17致 谢18摘 要 软件无线电的核心思想是在通用的硬件平台上加载不同的通信软件，以实现不
3、同通信方式之间的转换。这种全新的设计理念使通信中的硬件设备可以适应各种不同的通信方式，本文研究的项目是基于FPGA的软件无线电中数字上下变频，文中给出了一种基于FPGA的数字上下变频器的系统设计方案，并用Quartus II进行仿真并验证了设计的可行性。本文首先简要介绍了软件无线电的基本结构，认真分析了其关键技术数字上下变频的各个部分和功能原理。然后分别对各功能模块进行设计，包括数控振荡器NCO的设计、数字信号抽取滤波器(CIC积分梳状滤波器、HB半带滤波器)的设计、FIR整形滤波器的设计、SCIC内插滤波器的设计。在此基础上，用VHDL语言进行描述，通过Quartus II平台进行编译，得到
4、正确的仿真结果，以验证FPGA设计的可行性。I关键词：软件无线电，上下变频器，FPGA, VHDL AbstractThe core idea of software radio is in the general hardware platform of communi- cation software, loaded with different ways of communication between the conversions. This new design make different communication hardware equipment different co
5、mmunication, this discusses project is an FPGA-based system of UUC and UDC in the software radio. The paper put up a method of digital converter system design based on FPGA and research, and then simulation by Quartus II and proved the feasibility of the design.Firstly, this article briefly introduc
6、es the basic structure of software radio, and analyzes in detail its key technologydigital frequency parts of the functions and pri- nciples. Then separately design function module, including the NCOs design, digital signal decimation filter(CIC integral comb filter、HB half band filter)design, FIR p
7、lastic filters design, SCIC interpolation filters design. At last, on this basis, with VHDL language description and through the Quartus II platform to get the right simulations results, and verify the feasibility of the FPGA design.II一 绪论信息时代的信息传递主要依托于通信系统。现代通信技术正在以惊人的速度发展着，它已给人类社会带来了巨大的变化。无论在军用上还是
8、在民用上，软件无线电技术一直是现代通信技术研究的热点。目前无线通信领域存在着多种通信体系并存的问题。软件无线电技术使单一通信设备适应多种标准，实现多频段/多模式通信。软件无线电作为一种新的无线通信概念和体制使得通信体制具有很好的通用性与灵活性，并使系统的互联与升级变得非常方便。软件无线电的这些特点，使其成为继模拟到数字、固定到移动通信之后的无线通信领域的第三次突破。数字变频技术是软件无线电技术的关键技术之一，它包含数字上变频(Digital Upper Conversion)和数字下变频(Digital Down Conversion)技术，分别用于发送设备和接收设备中。1.1 软件无线电概述
9、1.1.1 无线通信国内外发展现状现代的无线通信发展迅速，一方面得到越来越广泛的应用，而另一方面又由于当代无线通信系统很多，决定了其调制方式、波形结构、通信协议、数字信息的编码方式和加密方式都不尽相同，因此无线通信系统之间的这些差异极大地限制了不同系统之间的互连互通，给现代无线通信的发展造成了很大的不便。现在，无线通信有了长足的进步。通信系统由模拟体制不断向数字化体制过渡，出现了许多中频数字化接收机。例如，德国R/S公司研制的宽带数字化接收机EBD 900，主要用于无线电监视，其工作频率范围为20 MHz2 GHz，搜索速度为4GHz/s (25 kHz带宽)，动态范围为80dB。英国研制的P
10、VS3800接收机，工作频率范围为0.5 MHz1GHz，是一种用于电子战环境中的宽带无线电通信监测接收机，可以实现搜索、监听、分析识别等功能，还可以根据需要，通过加载不同的软件，灵活地配置成各种不同功能的接收机。这些接收机尽管能够覆盖多个频段，但它们只能工作于单一的频段和模式，功能相对较少，灵活性不够，可扩展能力较差，不同电台之间仍不能完全互通，无法完全满足现代军事通信的需要。1.1.2 软件无线电概念的提出针对这一种情况，1992年5月，MILTRE公司的Joe Mitola在美国国家远程系统会议上首次明确提出了软件无线电(Software Radio)的概念，这是继模拟到数字、固定到移动
11、之后，无线通信领域的又一次重大突破。其基本思想是：将宽带A/D和D/A变换尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化，最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法，软件无线电可以实时地配置信号波形，使其能够提供各种语音编码、信道调制、载波频率、加密算法等无线电通信业务。软件无线电台不仅可与现有的其它电台进行通信，还能在两种不同的电台系统间充当“无线电网关”的作用，使两者能够互连互通。软件无线电充分利用嵌入通信设备里专用芯片的可编程能力，提供一种通用的无线电台硬件平台，这样既能保持无线电台硬件结构的简单化，又能解决由于拥有电台类型、性能不同带来的无线电联系的困难。这
12、样就能使软件无线电台多频段/多模式/多信道/多速率/多协议等多功能通信成为可能。1.2 上下变频技术的应用与发展1.2.1 上下变频技术的应用及发展 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
13、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ADC/DAC(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(DDC)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DS
14、P器件性能的要求，便于实现和降低成本。数字上变频(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，如图1.1所示带通滤 波低噪放 大带通滤 波ADC数字 下变频DSP数字 上变频DSPADC本振IQQI图1.1 数字上下变频器在数字中频软件无线电中的地位因此，数字上下变频技术已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。1.2.2 FPGA在数字上下变频领域的应用 现场可编程门阵列(FPGA)是在专业ASIC的价格和低可编程性与DSP的完全可编程性和每项功能的高功耗之间的折衷方案。FPGA是高速可配置的逻辑电路，其物理和逻辑的布局布线是专门为状态机和顺序逻辑快速实现而设计的，近年来，FPGA器件在工艺方面的进步和设计思想上的创新为之带来了前所未有的逻辑规模和强大的处理性能，时钟速度等性能已经有了很大的提高，单片的集成度已经发展到了几百万门以上，可用于复杂的数字信号处理，比如卷积、相关和滤波等。FPGA的可编程性、灵活性和高集
