《軟件無(wú)線電中的數(shù)字下變頻技術(shù)課件》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《軟件無(wú)線電中的數(shù)字下變頻技術(shù)課件（31頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),2014/2/26,#,軟件無(wú)線電中的數(shù)字下變頻技術(shù),匯報(bào),人,：,軟件無(wú)線電中的數(shù)字下變頻技術(shù),1,數(shù)字下變頻的應(yīng)用背景,在實(shí)際應(yīng)用,中，軟件,無(wú)線電接收機(jī)普遍采用超外差式數(shù)字,中頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng),先將射頻信號(hào)模擬混頻至統(tǒng)一的中頻信號(hào),使用,ADC,器件對(duì)其采樣,采樣后的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻器,即圖中的,DDC,模塊,變?yōu)?低速的基帶信號(hào)再送往,DSP,進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理,。,它在整個(gè)軟件無(wú)線電系統(tǒng)中的主要作用是對(duì),ADC,采樣后的高速中頻數(shù)字信號(hào),進(jìn)行數(shù)字,混頻、數(shù)據(jù)抽取、濾波處理,將其變?yōu)閿?shù)字基帶信號(hào),

2、降低數(shù)據(jù)速率,減小,DSP,對(duì)數(shù)據(jù)處理,的,負(fù)擔(dān)。,數(shù)字下變頻的應(yīng)用背景在實(shí)際應(yīng)用中，軟件無(wú)線電接收機(jī)普遍采用超,2,原理,數(shù)字,下變頻器,(DDC),是接收機(jī),A,D,變換后，首先要,完成的,處理工作，一般的,DDC,由本地振蕩器,(NCO),、混頻器,、低通濾波器,和抽取器組成,.,主要,作用：其一是把中頻,信號(hào)變?yōu)?零中頻信號(hào)；其二是降低采樣率。從頻譜上看，,數(shù)字下變頻,將,A/D,采樣后信號(hào)從中頻變換到基帶。這樣,的,處,理由,兩步完成：首先是將輸入信號(hào)與正交載波相乘，,然后進(jìn)行,數(shù)字濾波濾除不需要的頻率分量,。,原理數(shù)字下變頻器(DDC)是接收機(jī)AD變換后，首先要完成的,3,結(jié)構(gòu),N

3、CO,：產(chǎn)生正余弦序列，即,I/Q,兩路信號(hào),。,DDC,主要有三種實(shí)現(xiàn)途徑：采用專用芯片、自制專用芯片、基于,DSP,或,FPGA,等通用芯片。,數(shù),字下變頻的組成主要,包括數(shù)字混頻器、,數(shù)字控制振蕩器,(NCO,),和低通濾波器,(LpF,),三部分組成,結(jié)構(gòu)NCO：產(chǎn)生正余弦序列，即I/Q兩路信號(hào)。數(shù)字下變頻的組,4,影響數(shù)字下變頻器性能的主要,因素,數(shù)字下變頻器的主要性能指標(biāo)有輸入數(shù)據(jù)的寬度、輸入數(shù)據(jù)的傳輸速率、數(shù)控,振蕩器,的分辨率、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍,(sFDR),、整形,FIR,濾波器的階數(shù)、抽取因子等,。,FPGA,屬于,數(shù)字設(shè)計(jì),所有數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算均為二進(jìn)制的形式,位數(shù)不可能無(wú)

4、限的大,因此,在具體,設(shè)計(jì)時(shí)很多時(shí)候都要不可避免的進(jìn)行截?cái)?如在,NCO,的設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)相位累加器的,截?cái)?這對(duì)本振頻譜的純度和混頻的精度都帶來(lái)影響,在濾波器的設(shè)計(jì)中,對(duì)各階系數(shù),的截?cái)?對(duì)濾波結(jié)果累加輸出位數(shù)的截?cái)嗟?這些都屬于有限字長(zhǎng)效應(yīng)產(chǎn)生的誤差,這,是影響,數(shù)字下變頻器性能的主要因素之一,。,高,階,FIR,整形濾波器的階數(shù)也會(huì)對(duì)數(shù)字,下變頻器,的性能產(chǎn)生影響,階數(shù)越高,阻帶抑制比越高,過(guò)渡帶越窄,濾波效果越好,但,占用的,FPGA,資源也越多,必須在數(shù)字下變頻器性能和,FPGA,資源這兩方面都做一個(gè)折中,以,達(dá)到使用較少資源,就可以獲得較好下變頻性能的目的。,影響數(shù)字下變頻器性能的主要因

5、素?cái)?shù)字下變頻器的主要性能指標(biāo)有輸,5,數(shù)字控制振蕩器,(NCO,),數(shù)控,振蕩器的主要功能就是產(chǎn)生兩路頻率可變、時(shí)間離散、相互正交的正弦和余弦數(shù)據(jù),樣本,在,軟件無(wú)線電中產(chǎn)生,NCO,樣本的方法主要有兩種,:,查找,表,法,實(shí)時(shí),計(jì)算法,(CORDIC,算法,),數(shù)字控制振蕩器(NCO),6,數(shù)字控制振蕩器由三部分組成,:,相位累加器、相位加法器及正弦表,只讀存儲(chǔ)器。,相位累加器：將,數(shù)字本振頻率偏移之和轉(zhuǎn)換成相位,每,來(lái)一個(gè),時(shí)鐘 脈沖,相位 在,原來(lái)的基礎(chǔ)上加一個(gè)相位增量,;,相位加法器：設(shè)置,一定的初始相位以滿足某些應(yīng)用的需要,;,相位,的正弦值用查正弦表,求得相位角度。,查找表法,查找

6、表法,7,CORDIC,算法,假設(shè)向量,B,是,向量,A,通過(guò),n,次旋轉(zhuǎn)以后得到的，其中第,i,次旋轉(zhuǎn)的角度,為,i,，那么第,i,次旋轉(zhuǎn)的表達(dá)式為,CORDIC算法假設(shè)向量B是向量 A通過(guò) n 次旋轉(zhuǎn)以后得到,8,規(guī)定第,i,次旋轉(zhuǎn)的角度 ，這樣，每次,旋轉(zhuǎn)的,tani,的值通過(guò)移位就可以實(shí)現(xiàn)，那么旋轉(zhuǎn)方程可以簡(jiǎn)化為,規(guī)定第 i 次旋轉(zhuǎn)的角度,9,用,CORDIC,算法中每個(gè)迭代,(i),的旋轉(zhuǎn)角度,用CORDIC算法中每個(gè)迭代(i)的旋轉(zhuǎn)角度,10,11,經(jīng)過(guò),多次迭代后,下,式：,其中，,K,由迭代次數(shù),i,決定,當(dāng),i,確定下來(lái)，,K,就是一個(gè)常數(shù)了,。,當(dāng),迭代,次數(shù)足夠,多，即,

7、i,足夠大,時(shí),，,這,是一個(gè)固定的常數(shù),，。在硬件處理,的時(shí)候，可以忽略它，將它留至最后再處理。,經(jīng)過(guò)多次迭代后,下式：其中，K 由迭代次數(shù) i 決定,當(dāng) i,12,低通濾波和抽取,CIC,濾波器是第一級(jí)抽取,濾波器，,HB,濾波器是第二級(jí)抽取濾波器,它們既要能夠?yàn)V除混頻后的高頻成分,又要能夠保證滿足抽取后抗混疊濾波的要求,。,經(jīng)過(guò),CIC,濾波器和,HB,濾波器抽取后的低速信號(hào),送入到高階,FIR,濾波器中進(jìn)行整形濾波,進(jìn)行整形濾波后的信號(hào)即可送給通用的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理器件做進(jìn)一步的信號(hào)處理。,低通濾波和抽取CIC濾波器是第一級(jí)抽取濾波器，HB濾波器是第,13,CIC,濾波器,積分梳狀濾波

8、器，,指該,濾波器的沖激響應(yīng)具有如下形式,D,為,CIC,抽取濾波器,的階數(shù)，也就是抽取因子。,CIC 濾波器,14,根據(jù),Z,變換的定義，,CIC,濾波器,沖激響應(yīng),之,Z,變換為,從上圖中可以，,CIC,濾波器由兩部分組成。其中,，,H1,(z),在實(shí)現(xiàn)上就是一個(gè),累加器,，因此被稱作積分器,；,H 2(,z),是一個(gè)梳狀濾波器。,根據(jù) Z 變換的定義，CIC 濾波器沖激響應(yīng)之 Z 變換為,15,16,用,MATLAB,畫(huà)出他們各自的幅頻，相頻曲線,用MATLAB畫(huà)出他們各自的幅頻，相頻曲線,17,計(jì)算,出總的頻率響應(yīng),其幅頻和相頻特性曲線,計(jì)算出總的頻率響應(yīng)其幅頻和相頻特性曲線,18,單

9、級(jí),CIC,濾波器的旁瓣電平只比,主瓣低,13.46dB,，這也就意味著,阻帶衰減,很差，一般是難以滿足實(shí)用要求的。為了降低旁瓣電平，可以采用多級(jí),CIC,濾波器,級(jí)聯(lián)的辦法來(lái)解決，例如用,Q,級(jí),CIC,濾波器實(shí)現(xiàn)時(shí)的頻率響應(yīng)為,單級(jí) CIC 濾波器的旁瓣電平只比主瓣低 13.46dB，這,19,此時(shí)的第一旁瓣抑制為,此時(shí)的第一旁瓣抑制為,20,由于,CIC,濾波器的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，只有加減運(yùn)算，沒(méi)有乘法運(yùn)算，,FPGA,實(shí)現(xiàn),時(shí)可達(dá)到很高的處理速率，因此,CIC,濾波器很適合作抽取器前的抗混疊,濾波器，通過(guò),CIC,濾波器抽取和濾波后把高的數(shù)據(jù)率降到較低的數(shù)據(jù)率，易于后級(jí)的,HB,濾波器,抽

10、取和,FIR,濾波器,濾波。,多級(jí),CIC,抽取器結(jié)構(gòu)圖,由于 CIC 濾波器的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，只有加減運(yùn)算，沒(méi)有乘法運(yùn),21,半帶（,HB,）濾波器,所謂半帶（,Half Band HB,）濾波器是指其,頻率響應(yīng)滿足,以下,關(guān)系,的,FIR,濾波器,半帶（HB）濾波器所謂半帶（Half Band ,22,半帶濾波器具有如下,性質(zhì)：,半帶濾波器的沖激響應(yīng)除了零點(diǎn)不為零,外，在,其余,偶數(shù)點(diǎn),全為零，所以采用半帶濾波器進(jìn)行濾波計(jì)算時(shí)，只需一半的計(jì)算量，有很高,的計(jì)算,率，適合于進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。,半帶濾波器具有如下性質(zhì)：半帶濾波器的沖激響應(yīng)除了零點(diǎn)不為零外,23,從圖 可以看出，其幅頻響應(yīng)在,/2 A

11、,之間不為零。因此，當(dāng)對(duì)此濾波器的濾波結(jié)果做兩倍抽取時(shí)，數(shù)字域的擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致頻域混疊,。,但是,，只要控制抽取前的有用信號(hào),在,0,c,之間,，,抽取后在,0,2,c,沒(méi)有,混疊的。因此，在應(yīng)用,HB,濾波器進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)時(shí)，要特別,注意,有用信號(hào)的帶寬。,從圖 可以看出，其幅頻響應(yīng)在/2 A 之間不為零。因,24,軟件無(wú)線電中的數(shù)字下變頻技術(shù)課件,25,FIR,濾波器,FIR,濾波器作為數(shù)字下變頻中的最后一級(jí)濾波器,主要完成,信道,的整形濾波,FIR,濾波器只有零點(diǎn),為了取得較好的衰減特性,一般要求,FIR,濾波器的,階數(shù)較大,經(jīng)過(guò)多級(jí)抽取后,高速的數(shù)字信號(hào)己經(jīng)變得相對(duì)較低,因此可以較容易,實(shí)現(xiàn)

12、,高階,FIR,濾波器,使得通帶帶寬、過(guò)渡帶、阻帶衰減、通帶和阻帶波紋等各項(xiàng)指標(biāo),達(dá)到,要求。,FIR濾波器FIR濾波器作為數(shù)字下變頻中的最后一級(jí)濾波器,主,26,FIR,是一種使用非常廣泛的線性時(shí),不變數(shù)字濾波器。,FIR,濾波器,存在,N,個(gè)抽頭,h(n),N,即為濾波器的階數(shù),濾波器的輸出可以通過(guò)卷積的數(shù)學(xué),形式,表示為,:,N,階,FIR,濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以表示為：,FIR是一種使用非常廣泛的線性時(shí)不變數(shù)字濾波器。FIR濾波器,27,軟件無(wú)線電中的數(shù)字下變頻技術(shù)課件,28,用,DA,分布式算法實(shí)現(xiàn),FIR,濾波器,對(duì)于一個(gè),FIR,濾波器的乘積和，可以,用下面的式子來(lái),表述：,用DA

13、分布式算法實(shí)現(xiàn)FIR濾波器對(duì)于一個(gè) FIR 濾波器的乘,29,代入并展開(kāi)可得,每個(gè)輸入的符號(hào)位和對(duì)應(yīng)系數(shù)的乘積和,括號(hào)內(nèi)的,表達(dá)式,，,表示,K,個(gè)固定,系數(shù),hk,與,輸入的,K,個(gè)數(shù)據(jù)的第,i,位的乘積,和，可用查表計(jì)算。,代入并展開(kāi)可得每個(gè)輸入的符號(hào)位和對(duì)應(yīng)系數(shù)的乘積和括號(hào)內(nèi)的表達(dá),30,DA,算法是以一種串行方式的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，它的,計(jì)算,速度僅跟輸入位寬,n,有關(guān)，與抽頭數(shù),K,的個(gè)數(shù)無(wú)關(guān),對(duì)于大規(guī)模乘積和的,運(yùn)算，其,計(jì)算速度有著明顯的優(yōu)勢(shì),。,輸入位寬過(guò)大時(shí)，將,DA,算法改進(jìn)成并串結(jié)構(gòu)以獲得更快的處理速度,。,DA 算法是以一種串行方式的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，它的計(jì)算速度僅跟,31,