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基于FPGA的数字中频收发信机的设计与实现.pdf

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图表目录图1.1传统无线接收机结构..1图1.2理想软件无线电接收机2图2.1 BPSK发射机框图5图2.2式2.1的SSRG结构实现6图2.3 BPSK星座图6图2.4 40阶升余弦FIR滤波器单位脉冲响应。..8图2.5信道模型8图2.6典型内插结构9图2.7 CIC内插滤波器结构9图2.8二次内插功能模块10图2.9 CIC滤波器整体频率响应lO图2.10 NCO工作原理.11图2.11数字本振1l图2.12数字混频器的电路结构12图2.1 3 DAC工作环境12图2.14 DAC的模型.12图2.15 DAC各点信号的时域离散域波形13图2.1 6 DAC各点信号频谱14图2.1 7 4倍采样时的中频输出14图2.18补0内插的RTL级视图16图2.19成型滤波器IP核设置17图2。20二次内插硬件实现结构..17图2.21 NCO设置18图3.1同步问题的分类19图3.2文献中对同步电路的分类21图3.3新的同步电路分类;.21图3.4采用反馈控制算法的理想接收机结构22图3.5采用反馈补偿算法的理想接收机结构.22图3.6采用前馈补偿算法的理想接收机结构.22图3.7前馈补偿算法的实际电路结构23图3.8反馈算法的电路结构。23图3.9载波同步使用反馈控制算法,符号同步使用反馈补偿算法24图3.10锁相环电路模型..24图3.11锁相环的数学模型..25图312锁相环离散数学模型..25图3.13一阶环路的相平面26图3.14理想二阶环环路滤波器..27图3.15 Costas环误差提取模块27图3.16 BPSK信号接收相平面图28图3.17载波同步电路..28图3.18反馈补偿符号同步电路..29图3.19判决前的信号波形..29图3.20 4点插值示意图30图3.21 Gardner定时误差检测算法3 l图3.22载波同步使用反馈补偿算法、符号同步使用反馈补偿算法..31图3.23解调器电路32图3.24反馈补偿载波同步32图3.25载波同步使用前馈补偿算法,符号同步使用前馈补偿算法..33图3.26前馈补偿符号同步电路..34图3.27 5点内插示意图34图3.28前馈补偿使用的定时误差估计算法..35图3.29误差滤波。35图3.30前馈补偿载波同步电路..36图3.3 1载波相位误差估计..36图3.32第一类接收机载波同步顶层设计37图3.33带有相位调整端和频率调整端的NCO.38图3.34矩形鉴相一阶环相平面..39图3.35 DPRAM用作时钟域隔离.40图3.36反馈补偿符号同步顶层设计..42图3.37 LIJT的RTL级结构........42图3.38第二类接收机解调器顶层设计。44图3.39第二类接收机载波同步电路顶层设计..44图3.40正、余弦信号LuT实现46图3.41前馈补偿符号同步顶层设计46图3.42分段线性化原理47图343 arctan函数分段线性结果48图3.44前馈载波同步顶层设计..50图345正、余函数分段线性化结果。52图4一l无模拟滤波器的时域测量电路53图4.2无模拟滤波器的频域测量电路53图4.3有模拟滤波器的时域测量电路54图4.4有模拟滤波器的频域测量电路54图4-5 a无模拟滤波器随机序列局部波形..55图4.5 b无模拟滤波器随机序列整体波形..55图4.6 a无模拟滤波器0,1交替序列局部波形55图4.6 b无模拟滤波器0,l交替序列整体波形56图4.7 a无模拟滤波器随机序列局部功率谱。56图4.7 b无模拟滤波器随机序列整体功率谱..56图4.8 a无模拟滤波器随机序列局部功率谱.57图48 b无模拟滤波器随机序列整体功率谱.57图4.9 a有模拟滤波器随机序列局部波形.58图4.9 b有模拟滤波器随机序列整体波形.58图410 a有模拟滤波器0,1交替序列局部波形58图4.10 b有模拟滤波器0,l交替序列整体波形59图4.11 a有模拟滤波器随机序列局部功率谱59图4.1 1 b有模拟滤波器随机序列整体功率谱59图4.12 a有模拟滤波器0,l交替序列局部功率谱60图4.12 b有模拟滤波器0,1交替序列整体功率谱.60图4一13载波同步期望结果62图4.14 2点采样符号同步期望结果.62图4.15 1点采样符号同步期望结果.62图4.16第一类接收机随机序列同步结果..63图4.17第一类接收机0,1交替序列同步结果63图4.18第类接收机随机序列同步结果..64图419第二类接收机0,1交替序列同步结果64图4.20第三类接收机随机序列同步结果..65图4.2l第三类接收机O,1交替序列同步结果65学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名签字日期沙钾年导师签名签字日期 L彳月5¨●倒辱笠.置钿引p独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。学位论文作者签名.别童笠 签字日期. 伽7年 了月彩日71致谢本论文的工作是在我的导师陶成副教授的悉心指导下完成的,陶成副教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来陶成老师对我的关心和指导。陶成副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作,在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助,在此向陶成老师表示衷心的谢意。陶成副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见,在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间,强薇、赵鹏飞、戚小玉、夏颖、张谦等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人和朋友,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。在此我想对所有帮助过我的人表示衷心感谢。1引言1.1 课题研究的目的和意义随着人类社会活动地不断进步,人们对于信息的获取方式开始从最初的有线逶信渐渐发震无线通信。巨大的社会需要求,推动无线通信快速向前发展。两薪的协议和标准的提出,在满足人们信息获取需要的同时,也对传统的无线通信系统提出了新的挑战。在传统的无线通信系统中,以接收毒凡设计为例,其结构可用图1.1表示【n。图1-1传统无线接收机结构Figure ll Traditional architecture ofradio receiver款图中可以看到,在这种接收枫结构中,信号从天线接收直至进入ADC之前的所有环节都是采用模拟信号处理的方式完成。这就使得无线接收机的体积非常庞大,而且极易受到外界干扰信号的影响。另外,采用模拟电路实现的无线接收规,一旦各项参数确定,接收枫的电路结构也就随之确定,这虢使得无线接收梳的应用具有较强的针对性,无法重新配置以适应新的标准和协议。为了实现硬件设备的可重用性,出现了软件无线电Software Defined Radio的概念12l。软件无线电的目的就是希望能够采用固定不变的硬件平台而通过软件的改变来实现灵活的无线电系统。理想的软件无线电要求在天线处进行数字化处理,从而可以在数字域获得宪全的灵活性。理想软件无线电接收机结构如图1.2所示。图12理想软件无线电接收机Figure I-2 Ideal SDR receiver理想软件无线电接收机要求诸如模/数转换ADC、数字信号处理器DsP或现场可编程门阵FPGA等物理器件的处理速率要能够满足直接在天线处进行数字化处理的要求。但限于技术和成本的考虑,理想的软件无线电结构目前还没有在商业系统中得到发展。虽然理想的软件无线电系统还没有得到大规模的应用,但软件无线电的思想却已经被应用到无线通信系统的设计中,并且目前的无线通信系统正在逐渐向着理想软件无线电的方向发展。在现有的技术条件下,为了获得数字实现的最大灵活性,实际采用的接收机结构为二次下变频结构,一次下变频在模拟域处理,另一次则在数字域处理。相比较传统的无线电接收机结构,模数转换被提前到中频进行。原有的很多信号处理环节已经在中频改用数字处理的方式实现,这不仅提高了无线接收机的抗干扰性,而且在一定程度上提供了相对灵活的解决方案。这正符合了软件无线电将模数转换在射频实现的发展趋势。在数字处理环节,常用的解决方案有三种,分别是专用集成电路ASIC、现场可编程门阵YJFPGA和数字信号处理器DSF。这三种解决方案在功耗、成本以及可编程能力方面都有着不同的优势和劣势。针对具体的应用场合,需要在这种三种解决方案中折衷考虑。现场可编程门阵列FPGA以其相对较低的功耗、成本以及相对较强的可编程能力,成为越来越多无线通信系统的首选解决方案。同时,从硬件的设计思路角度,现场可编程门阵列特有设计方式,也更符合无线接收机的物理层概念。 出于上述接收机结构与硬件解决方案的考虑,本文将数字中频收发信机结构以FPGA为硬件平台加以实现,希望能得到满意的结果和有用的结论。I.2 论文的主要结构和作者在论文中的工作21.2.1 论文的主要结构本文主要讨论数字中频接收机结构与相应的硬件实现,据此,论文主要由三部分组成第一部分,介绍发射机设计中的相关理论与硬件实现问题。在原理部分,本文紧密结合数字通信理论中对调制信号的描述,详细介绍了将数字调制理论应用到发射机实现时会遇到的各种问题,并提出了相应的解决方法。通过理论部分的研究,可以对发射机各功能模块有一个深入的理解,为后续硬件实现打下良好的基础;在硬件实现部分,将详细介绍发射机各个功能模块的电路实现方法。由于硬件选择FPGA作为开发平台,所以介绍发射机功能模块的实现时,将结合FPGA中的电路设计方法介绍各个功能模块的FPGA实现形式。第二部分,介绍接收机中的相关理论与硬件实现问题。在原理部分,本文在数字中频接收机的前提下,主要研究了三种不同的接收机结构。同步是接收机设计中的关键问题。针对接收机中涉及到的载波同步与符号同步,文中还讨论了与接收机结构密切相关的三种同步算法,它们分别是反馈控制算法、反馈补偿算法和前馈补偿算法;在硬件实现部分,主要是对各种同步算法进行硬件实现,并在此基础上,将采用了不同算法的三种接收机结构落实到硬件电路中,使其成为完成的通信接收机。第三部分,介绍硬件系统测试的方法和测试结果。作为以实现为重点的硬件系统开发,系统测试是必不可少的。该部分详细介绍了硬件测试的方案和具体的测试电路连接方法,以及发射机与接收机中需要进行测试的参数。最后,记录下各种接收机同步的效果和各种参数测试的数据结果。1.2.2 作者在论文中的工作对于本文的选题,作者希望通过对数字中频接收机结构和同步算法的研究,使自己能够对通信系统的整体框架有一个全局认识和把握。同时,在硬件实现过程,能够将所学到的理论知识应用到具体的电路设计中,做到理论与实践相结合的目的。在课题研究期问,作者主要完成了以下工作1前期仿真研究发射机各功能模块的作用,并利用MATLAB数学软件对发射机各功能模块进行仿真,以验证模块设计的正确性;研究已有接收机中涉及的各种同步算法,并利用MATLAB数学软件对接收机中的各种同步算法进行仿真验证。2硬件实现使用FPGA实现经过仿真验证的接收机算法,并且根据对已有同步算法的研究,设计出了一种新的用于载波同步的反馈补偿同步算法。并在此基础上尝试对文献中原有同步算法的分类方法进行修改,从而将反馈补偿算法纳入到新的分类方法中。3在收发信机硬件平台实现的基础上,进行系统测试。获得最终测试结果及各项测试参数。4
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