软件无线电中采样率转换 毕业设计.docx

软件无线电中采样率转换 毕业设计.docx

《软件无线电中采样率转换 毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《软件无线电中采样率转换 毕业设计.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

软件无线电中采样率转换毕业设计

软件无线电中采样率转换毕业设计

西南科技大学本科生毕业论文I

软件无线电中采样率转换的

FPGA实现

摘要:

随着软件无线电的不断发展，采样率转换技术成为了软件无线电硬件平台的关键技术。

利用该技术处理不同标准和速率的信号，使其能够在同一个硬件平台上实现不同速率的信号传输。

合理的设计和实现采样率转换系统，是目前软件无线电领域研究的重点和难点。

详细阐述了软件无线电中采样率转换系统的理论知识，提出了基于FPGA的本文

采样率转换的整体设计方案，对两大核心模块:

测试源模块和多速率处理模块进行了详细的设计。

在本方案中，测试源模块采用直接数字频率合成（DDS）技术，以ISE软件为平台，设计一个频率为2MHz、采样率为160MHz的正弦波。

多速率处理模块利用Matlab和ISE软件，完成了多速率处理模块中CIC抽取滤波器和HB抽取滤波器的详细设计，并对各个滤波器的功能进行仿真。

最后在Matlab和ISE软件中分别

测试信号进行8倍的抽取，对总体方案进行simulink仿真和ModelSim仿真，实现对

输出采样率为20MHz、频率仍是2MHz的无失真正弦波。

文末给出了设计过程中遇到的问题以及对问题的分析处理结果。

关键词:

采样率转换;DDS技术;CIC滤波器;HB滤波器;FPGA;

西南科技大学本科生毕业论文II

SampleRateConversionImplementedwithFPGA

inSoftwareRadio

Abstract:

Withthedevelopmentofsoftwareradio,samplerateconversion

techniqueplaysasignificantroleinthehardwareplatformofsoftwareradio.Usingthistechnologytodealwithsignalofdifferentstandardsandratescanachievesignalsamplerateconversionandsignaltransmissiononthesamehardwareplatform.CalculatingandimplementingasamplerateconversionsystemreasonablyisimportantanddifficultfordesignerinthefieldofSoftwareradio.

Expoundingthebasictheoryofsamplingrateconversionofsoftwareradiosystem,thispaperproposestheoveralldesignschemeofsamplerateconversionwhichisbasedon

FPGA,andthetestsourcesignalmoduleandmulti-rateprocessingmodulearediscussedindetailInthisdesign,thetestsourcesignal,asinewavewithfrequencyof2MHzandsamplerateof160MHz,isdesignedinISEsoftware,adoptingdirectdigitalsynthesis（DDS）technology.Inmulti-rateprocessingmodule,theCICdecimationfilterandHBdecimationfilteraredesignedindetail,whosefunctionsareemulatedinISEandMatlabsoftware.Finally,outputsignalisconvertedintoaundistortedsinewavewithfrequencyof2MHzandsamplerateof20MHzviathesimulinkemulationandModelSimemulationwhicharecompletedinISEandMatlabsoftware.Attheendofthethesis,itdiscussestheanalysisandsolutionresultstotheproblems,whichareemergedinthedesign.

Keywords:

SampleRateConversion,DDStechnique,CICfilter;HBfilter,

FieldProgrammableGateArray（FPGA）

西南科技大学本科生毕业论文III

第1章绪论............................................................................................................1

1.1选题的背景及目的意义...................................................................................1

1.1.1课题研究背景..........................................................................................1

1.1.2课题研究的目的及意义..........................................................................1

1.2多速率信号处理和实现方法...........................................................................2

1.2.1多速率信号处理......................................................................................2

1.2.2多速率信号处理实现方法.......................................................................2

1.3设计指标和关键技术......................................................................................3

1.4本文主要内容..................................................................................................3第2章方案论证.........................................................................................................4

2.1系统设计思想..................................................................................................4

2.2系统方案论证..................................................................................................4

2.2.1正弦波发生器模块..................................................................................4

2.2.2多速率处理模块.....................................................................................5第3章系统设计相关原理..........................................................................................6

3.1信号抽取原理..................................................................................................6

3.2高效滤波器......................................................................................................7

3.2.1CIC滤波器..............................................................................................7

3.2.1.1单级CIC........................................................................................8

3.2.1.2多级CIC......................................................................................10

3.2.2HB滤波器.............................................................................................12

3.2.3FIR滤波器.............................................................................................14

3.2.3.1FIR滤波器原理............................................................................14

3.2.3.2FIR的FPGA实现结构..............................................................153.3直接数字合成（DDS）技术.............................................................................16第4章系统总体设计和核心模块设计...................................................................18

4.1多速率系统方案总体设计.............................................................................18

4.1.1多速率系统总结构................................................................................18

西南科技大学本科生毕业论文IV

4.1.2参数计算................................................................................................18

4.2核心模块设计................................................................................................19

4.2.1DDS模块设计.......................................................................................19

4.2.2CIC滤波器设计.....................................................................................21

4.2.2.1积分模块....................................................................................21

4.2.2.2抽取模块....................................................................................22

4.2.2.3梳状模块....................................................................................23

4.2.2.4CIC参数计算.............................................................................23

4.2.3HB滤波器设计......................................................................................25

第5章系统FPGA硬件代码设计和仿真...............................................................29

5.1测试源文件.....................................................................................................29

5.2CIC抽取滤波器仿真......................................................................................29

5.3HB抽取滤波器仿真.......................................................................................32

5.4多速率系统仿真.............................................................................................34

结论..........................................................................................................................37致谢..........................................................................................................................38参考文献......................................................................................................................39附录1:

FPGA设计顶层原理图.................................................................................41附录2:

DDS测试源VerilogHDL代码....................................................................42附录3:

CIC抽取滤波器VerilogHDL代码................................................................44附录4:

HB抽取滤波器VerilogHDL代码.................................................................48附录5:

MATLAB产生ROM程序................................................................................55附录6:

CIC抽取滤波器M文件................................................................................56

西南科技大学本科生毕业论文

第1章绪论

1.1选题的背景及目的意义

1.1.1课题研究背景

软件无线电是一种新型无线通信技术，其中心思想是:

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、数据格式、调制解调类型、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能地靠近天线，

[1]以研制出具有高度灵活性和开放性的新一代无线通信系统。

随着数字信号处理的不断发展，对信号的处理和存储、编码和传输等的工作量越来越大。

为了减少计算工作量、节省存储空间，在一个信号处理系统中经常需要做不同的采样处理，以及在这些不同采样率信号之间进行采样率转换。

在这种需求下，多率数字信号处理技术应运而生，并逐渐发展起来。

采样速率转换是数字信号处理领速

域一个重要的组成部分，即要求该数字系统在多采样率状态下也能很好地工作。

多速

[2]率信号处理产生于20世纪70年代，具有重要的理论价值和工程价值。

近10年来，大规模集成电路的不断发展以及A/D、D/A采样率的不断增高，促使多速率数字滤波器和滤波器组在很多领域得到了广泛的应用，如数字音频处理、语音处理、数字通信、频谱分析、子带编码、图像压缩、模拟语音保密系统、雷达系统和天线系统等。

随着无线通信、信号处理技术和FPGA相关技术的发展，多速率信号处理将有很好的发展前景。

1.1.2课题研究的目的及意义

随着软件无线电的发展，多速率信号处理技术成为了软件无线电中的关键技术。

在多标准化的数字通信接收机系统中，进行采样率转换的目地是为了将天线上接收到的、经ADC采样频率数字化的信号进行转换，以方便在现有的DSP处理器上

[3]进行处理。

因此多速率信号处理技术成为了软件无线电硬件平台所必须的基本功能。

怎样合理的设计和实现信号采样率的转换，已成为目前软件无线电领域中研究的重点及难点。

通过该课题可以研究多速率信号处理的基本理论和实现方式;掌握用FPGA进行系统设计的基本流程;研究正弦信号发生器的相关理论及其FPGA实现方法;掌握设

1

西南科技大学本科生毕业论文计抽取滤波器组:

CIC和HB滤波器，并学会使用MATLAB软件进行仿真和FPGA实现。

1.2多速率信号处理和实现方法

1.2.1多速率信号处理

在很多情况下，抽样率是固定值，即系统采用一个固定的抽样频率。

但是，有fs

[4]时会遇到抽样率的变换问题，即要求系统工作在“多抽样率”情况下:

例如，语音、视频、数据等多种媒体的传输，它们的频率不尽相同，抽样率自然也不同，必须进行抽样率的转换;又如，为了降低由于抽样率太高而引起的数据冗余，则需要降低抽样率;再如，当两个数字系统的时钟频率不同时，如果信号要在这两个系统中传输，为了方便对信号进行处理、编码、传输和存储，则需要根据时钟频率对信号的抽样率进行转换;还有，在同一种处理算法中的不同部分如果采用了不同的抽样率，会使处理更加有效，等等。

上面各种应用中，有的要求要用到抽样率的转换，有的要求系统工作在多抽样率状态。

在人们不断的研究过程中，逐渐意识到了“多速率数字信号处理”的重要作用。

多速率信号处理作为软件无线电系统中的基础理论，有着举足轻重的地位。

该技术通过内插和抽取改变数字信号的采样速率，以达到软件无线电系统中不同模块

[5]对信号速率的不同要求，是数字下变频和数字上变频的重要技术。

它的优势在于可以降低系统实现的复杂度和计算复杂度，还可以降低传输速率，以及减少存储量等等。

1.2.2多速率信号处理实现方法

实现抽样率的转换从概念上讲，有两种方法。

一种方法,是先把离散时间信号（序列）经过D/A变换器转换成模拟信号，再经A/D变换器对以另一个采样x（n）x（t）x（t）aa

[2]率抽样。

但是，经过D/A和A/D变换后，会引入失真和产生量化误差，影响精度;另一种方法，是直接在数字域对已抽样信号（序列）作抽样率的变换，得到新的抽样x（n）

信号，而不必将信号在数字域和模拟域之间不断变换。

因此，人们采用数字方法来变换抽样率。

多速率信号处理主要有两种基本处理方法:

抽取和内插。

减小抽样率的过程称为信号的“抽取”，也称“抽样率压缩”;增加抽样率的过程称为信号的“插

[4]值”，也称“抽样率扩张”。

但是对于一个限带信号，并不能随意的抽取和

2

西南科技大学本科生毕业论文内插。

因为抽取可能产生混叠，内插会产生镜像，所以需要在抽取前进行抗混

[6]叠滤波，在内插后进行抗镜像滤波。

单纯的抽取和内插比较简单，所以更加关键的部分是进行信号抽取前滤波器的设计以及信号内插后滤波器的设计。

在本设计中，要实现的是采样率的降低，因此在设计过程中只需要考虑抽取前滤波器的设计。

1.3设计指标和关键技术

本课题设计指标:

写一个用于测试系统的源（一个频率为2MHz正弦波），要求采样率为160MHz。

经过抽取滤波器进行降速和要求得到采样率为20MHz、频率仍

的是2MHz的无失真正弦波。

分别要求MATLAB的仿真和VHDL（VerilogHDL）实现。

主要涉及的关键技术:

?

正弦信号发生器的相关理论和FPGA实现方法?

信号的抽取理论?

抽取滤波器的设计。

其中，抽取滤波器的设计为本设计中的难点和重点。

1.4本文主要内容

本文主要介绍了软件无线电中采样率转换的FPGA实现的设计。

主要从选题背景、信号抽取原理介绍、总体方案论证、子模块设计和总体方案验证这五个方面来阐述，组织结构如下:

第一章首先介绍选题背景和意义，然后将本系统实现中涉及到的相关技术进行简要介绍。

第二章详细阐述信号抽取原理和高效滤波