軟件無線電中的數(shù)字下變頻技術(shù)課件

軟件無線電中的數(shù)字下變頻技術(shù)匯報(bào)人：軟件無線電中的數(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)過數(shù)字下變頻器,即圖中的DDC模塊,變?yōu)榈退俚幕鶐盘?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),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)榱阒蓄l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)A／D變換后，首先要完成的3結(jié)構(gòu)NCO：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?cái)?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,每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖,相位在原來的基礎(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。查找表法查找表法7CORDIC算法假設(shè)向量B是向量A通過n次旋轉(zhuǎn)以后得到的，其中第i次旋轉(zhuǎn)的角度為φi

，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tanφi的值通過移位就可以實(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，K就是一個(gè)常數(shù)了。當(dāng)?shù)螖?shù)足夠多，即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)過多次迭代后,下式：其中，K由迭代次數(shù)i決定,當(dāng)i12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13CIC濾波器積分梳狀濾波器，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；H2(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畫出他們各自的幅頻，相頻曲線

用MATLAB畫出他們各自的幅頻，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，沒有乘法運(yùn)算，F(xiàn)PGA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，沒有乘法運(yùn)21半帶（HB）濾波器所謂半帶（HalfBand——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（HalfBand——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π/2~ωA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~ωc之間，抽取后在0~2ωc沒有混疊的。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π/2~ωA之間不為零。因24軟件無線電中的數(shù)字下變頻技術(shù)課件25FIR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)高階FIR濾波器,使得通帶帶寬、過渡帶、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26FIR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表述：

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29代入并展開可得每個(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)30DA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軟件無線電中的數(shù)字下變頻技術(shù)匯報(bào)人：軟件無線電中的數(shù)字下變頻技術(shù)32數(shù)字下變頻的應(yīng)用背景在實(shí)際應(yīng)用中，軟件無線電接收機(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)過數(shù)字下變頻器,即圖中的DDC模塊,變?yōu)榈退俚幕鶐盘?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),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，軟件無線電接收機(jī)普遍采用超33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)榱阒蓄l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)A／D變換后，首先要完成的34結(jié)構(gòu)NCO：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35影響數(shù)字下變頻器性能的主要因素?cái)?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素?cái)?shù)字下變頻器的主要性能指標(biāo)有輸36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)37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,每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖,相位在原來的基礎(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。查找表法查找表法38CORDIC算法假設(shè)向量B是向量A通過n次旋轉(zhuǎn)以后得到的，其中第i次旋轉(zhuǎn)的角度為φi

，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n次旋轉(zhuǎn)以后得到39規(guī)定第i次旋轉(zhuǎn)的角度，這樣，每次旋轉(zhuǎn)的tanφi的值通過移位就可以實(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40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41

42經(jīng)過多次迭代后,下式：其中，K由迭代次數(shù)i決定,當(dāng)i確定下來，K就是一個(gè)常數(shù)了。當(dāng)?shù)螖?shù)足夠多，即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)過多次迭代后,下式：其中，K由迭代次數(shù)i決定,當(dāng)i43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44CIC濾波器積分梳狀濾波器，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45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；H2(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46

47用MATLAB畫出他們各自的幅頻，相頻曲線

用MATLAB畫出他們各自的幅頻，相頻曲線

48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49單級(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50此時(shí)的第一旁瓣抑制為

此時(shí)的第一旁瓣抑制為

51由于CIC濾波器的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，只有加減運(yùn)算，沒有乘法運(yùn)算，F(xiàn)PGA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，沒有乘法運(yùn)52半帶（HB）濾波器所謂半帶（HalfBand——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（HalfBand——53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54從圖可以看出，其幅頻響應(yīng)在π/2~ωA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~ωc之間，抽取后在0~2ωc沒有混疊的。因此，在應(yīng)用HB濾波器進(jìn)行濾波