【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)題 目： 基于FPGA的數(shù)字上變頻設(shè)計(jì) 院 （系）： 信息與通信學(xué)院 √ 題目類型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開(kāi)發(fā) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁(yè) 共 4 頁(yè)摘 要數(shù)字變頻技術(shù)在軟件無(wú)線電和各類數(shù)字化發(fā)射接收機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。由于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的處理速度有限，往往難以對(duì)A/D采樣得到的高速率數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行各種類別的實(shí)時(shí)處理。為了解決這一矛盾，需要采用數(shù)字變頻技術(shù)，將采樣得到的高速率信號(hào)變成低速率基帶信號(hào)，以便進(jìn)行下一步的信號(hào)處理。用現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列(FPGA)來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字上下變頻器有許多好處。FPGA在硬件上具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和極高的運(yùn)算速度，在軟件上具有可編程的特點(diǎn)，在某些專用芯片不能完全滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的情況下，所以采用FPGA來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字下變頻器更是一種好的解決方案。本文基于數(shù)字上變頻的基本原理，利用FPGA 器件的各種優(yōu)勢(shì)，在FPGA 開(kāi)發(fā)工具Quartus II上完成了數(shù)字上變頻的設(shè)計(jì)、綜合，并最終在Modelsim上實(shí)現(xiàn)了仿真。首先介紹數(shù)字上變頻及其各模塊的原理和實(shí)現(xiàn)方法，然后再通過(guò)編寫(xiě)Verliog HDL語(yǔ)言及調(diào)用IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊功能，最后通過(guò)原理圖的構(gòu)造來(lái)整體實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻。并通過(guò)Modelsim的仿真以驗(yàn)證數(shù)字上變頻的正確性。關(guān)鍵詞：數(shù)字上變頻；FPGA；插值；HB濾波器；CIC濾波器AbstractDigital Frequency Conversion Technology in Software Defined Radio and various types of digital launch or receivers have been widely used. As the digital signal processor (DSP) processing speed is limited, often it is difficult for A / D sampling rate to be highspeed digital signal directly to the various categories of realtime processing. In order to resolve this contradiction, the need for digital up or down conversion technology, highspeed sampling rate of signals to be turned into a low rate of baseband signal for the next stage of signal processing. With fieldprogrammable array (FPGA) to the design of digital downconverter has many advantages. FPGA hardware has strong stability and high putational speed, the software has programmable features, and in some special DDC chip technology can not pletely meet the indicators, so the number of used FPGA to design the next converter is a good solution. Digital Up Converter Based on the basic principles of the use of the various advantages of FPGA devices, development tools in the FPGA on the Quartus II. DUC pleted the design, integration, and ultimately the realization of the simulation in Modelsim. First introduced the principle of digital up conversion and of each module, and then Verliog HDL language by writing and calling IP nuclear to achieve each module function, and finally, through the schematic diagram of the structure to the overall realize frequency in the figures. And through the simulation Modelsim to verify the correctness of the digital frequency. Finally, through the Modelsim simulation to verify the accuracy of the upconversion.Keywords:DUC。 FPGA。 interpolate。 HB filter。CIC filter目 錄引言 11 緒論 2 數(shù)字變頻技術(shù)簡(jiǎn)介 2 數(shù)字上下變頻技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展及現(xiàn)狀 2 課題研究?jī)?nèi)容及設(shè)計(jì)方案 32 FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 4 FPGA簡(jiǎn)介 4 FPGA基本結(jié)構(gòu) 4 FPGA的基本設(shè)計(jì)流程 5 設(shè)計(jì)輸入方式和軟件 6 仿真的方法和軟件 63 數(shù)字上變頻技術(shù)理論基礎(chǔ) 7 數(shù)字上變頻原理概述 7 數(shù)字混頻正交變換 7 影響數(shù)字上變頻性能的主要因素 8 數(shù)字上變頻的基本原理 9 多速率信號(hào)處理 9 9 整數(shù)倍內(nèi)插 10 高效數(shù)字濾波器 11 CIC濾波器 12 HB半帶濾波器 14 DDS的實(shí)現(xiàn)原理 154 各模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原理 17 DDS設(shè)計(jì) 17 相位累加器 18 正弦查找表 18 內(nèi)插濾波器設(shè)計(jì) 20 HB半帶濾波器設(shè)計(jì) 20 CIC濾波器設(shè)計(jì) 21 混頻器設(shè)計(jì) 225 數(shù)字上變頻仿真與驗(yàn)證 24 Modelsim仿真軟件介紹和特點(diǎn) 24 Modelsim仿真方法 25 前仿真 25 后仿真 25 Modelsim 仿真的基本步驟 25 仿真結(jié)果 286 結(jié)論 31謝 辭 32參考文獻(xiàn) 33附錄 34 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁(yè) 共 38 頁(yè) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 42 頁(yè) 共 38 頁(yè)引言近年來(lái)，軟件無(wú)線電理論正逐漸趨于成熟與完善，軟件無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于蜂窩通信及各種軍用和民用的無(wú)線通信系統(tǒng)中。作為軟件無(wú)線電接收機(jī)的核心技術(shù)之一，數(shù)字上下變頻技術(shù)也得到了越來(lái)越普遍的應(yīng)用。上變頻是將具有一定頻率的輸入信號(hào)，改換成具有更高頻率的輸出信號(hào)。理論上，在軟件無(wú)線電系統(tǒng)發(fā)送端，將已調(diào)制好的基帶信號(hào)通過(guò)脈沖成型濾波進(jìn)行整形、采樣抽取等，并經(jīng)過(guò)插值濾波來(lái)提高采樣速率，之后與本地的數(shù)控正交振蕩器混頻，得到I/Q正交信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字混頻后，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）后轉(zhuǎn)換成直接中頻輸出?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）具有功能強(qiáng)大，開(kāi)發(fā)過(guò)程投資小、周期短，可反復(fù)編程修改，保密性能好，開(kāi)發(fā)工具智能化等特點(diǎn)，正好充分發(fā)揮了軟件無(wú)線電可編程能力強(qiáng)，易于升級(jí)的特點(diǎn)。用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻器的設(shè)計(jì)，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設(shè)備體積，滿足了系統(tǒng)的需要，而且比專用芯片具有更大的靈活性和可控性。隨著軟件無(wú)線電技術(shù)理論的發(fā)展以及大規(guī)模集成電路的廣泛使用，原來(lái)的模擬系統(tǒng)的基帶處理部分采用數(shù)字電路逐漸數(shù)字化、軟件化。數(shù)字上變頻技術(shù)( Digital Up Converter—DUC)是軟件無(wú)線電的核心技術(shù)之一，也是計(jì)算量最大的部分，一般通過(guò)FPGA或?qū)Ｓ眯酒扔布?shí)現(xiàn)。雖然現(xiàn)在專用的數(shù)字下變頻芯片品種很多，但是它們?cè)谠O(shè)計(jì)和修改方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如FPGA靈活，使用FPGA替代專用的數(shù)字上變頻芯片更加符合軟件無(wú)線電的思想。1 緒論 數(shù)字變頻技術(shù)簡(jiǎn)介數(shù)字變頻技術(shù)在軟件無(wú)線電中占有非常重要的地位。軟件無(wú)線電是一種以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號(hào)處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無(wú)線通信體系結(jié)構(gòu)。它的實(shí)現(xiàn)是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過(guò)軟件編程來(lái)完成無(wú)線電臺(tái)的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺(tái)設(shè)計(jì)方法中解放出來(lái)。軟件無(wú)線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性和全面可編程性，通過(guò)軟件的更新改變硬件的配置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新功能，并有利于硬件模塊的不斷升級(jí)和擴(kuò)展。目前，軟件無(wú)線電中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有帶多頻段天線與寬帶低噪聲前置放大器、功率放大器、A/D部分、數(shù)字下變頻、高速數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字上變頻和信令處理等，本文介紹的就是軟件無(wú)線電中數(shù)字上變頻器的研究。系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)有：首先，具有完全的可編程特性，無(wú)線波段、接入方式、調(diào)制方式和數(shù)據(jù)速率等都可以通過(guò)軟件來(lái)加以控制；其次，對(duì)整個(gè)中頻頻帶甚至射頻進(jìn)行采樣，增大了處理的帶寬，利用高速DSP和軟件處理，完成被傳輸信號(hào)從基帶到射頻之間的整個(gè)處理過(guò)程。 數(shù)字上下變頻技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展及現(xiàn)狀隨著近年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件和通用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)在芯片邏輯規(guī)模和處理速度等方面性能的迅速提高，用硬件編程或軟件編程方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線功能的軟件無(wú)線電技術(shù)在理論和實(shí)用化上都趨于成熟和完善。軟件無(wú)線電技術(shù)只需通過(guò)軟件上的更新就能夠選擇不同的業(yè)務(wù)或調(diào)制方式、追加和修改功能，具有傳統(tǒng)硬件方式所無(wú)法比擬的靈活性、開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。因此，軟件無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于蜂窩通信及各種軍用和民用的無(wú)線系統(tǒng)中。軟件無(wú)線電的核心思想是對(duì)天線感應(yīng)的射頻模擬信號(hào)盡可能的直接數(shù)字化，將其變換為適合DSP器件或計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)流，然后通過(guò)軟件來(lái)完成各種功能。在現(xiàn)階段，由于受各種關(guān)鍵器件，特別是受ADC/DAC(模數(shù)、數(shù)模變換器)采樣速率、工作帶寬和通用DSP器件處理速度的限制，數(shù)字中頻軟件無(wú)線電正成為理想軟件無(wú)線電的一種經(jīng)濟(jì)、適用的折中選擇。在目前大多數(shù)軟件無(wú)線電接收機(jī)中，一般先經(jīng)模擬下變頻至適當(dāng)中頻，然后在中頻用ADC數(shù)字化后輸出高速數(shù)字中頻信號(hào)，再經(jīng)數(shù)字下變頻器(Digital Down ConverterDDC)的變頻、抽取和低通濾波處理之后變?yōu)榈退俚幕鶐盘?hào)，最后將基帶信號(hào)送給通用DSP器件作后續(xù)的解調(diào)、解碼、抗干擾、抗衰落、自適應(yīng)均衡等處理。這樣大大降低了對(duì)ADC和DSP器件性能的要求，便于實(shí)現(xiàn)和降低成本。數(shù)字上變頻(Digital Up ConverterDUC )與下變頻是相對(duì)應(yīng)的過(guò)程，DSP處理后的基帶數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)插、濾波和上變頻后，將信號(hào)傳給DAC來(lái)完成后續(xù)的模擬處理環(huán)節(jié)。數(shù)字上下變頻器在這里起到ADC/DAC和通用DSP器件之間的橋梁作用。因此，數(shù)字上下變頻技術(shù)己經(jīng)成為軟件無(wú)線電接收機(jī)的核心技術(shù)之一，通用數(shù)字上下變頻器也被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到各種軍、民用無(wú)線通信設(shè)備以及電子戰(zhàn)、雷達(dá)和信息化家電等領(lǐng)域。自從GrayChip公司推出第一個(gè)單信道數(shù)字下變頻專用芯片以來(lái)，數(shù)字上下變頻器件的發(fā)展也很迅速。目前，最著名、產(chǎn)品應(yīng)用最廣泛的公司有美國(guó)的Harris(1999更名為Intersil公司)、AD公司和Graychip等公司。DDC代表產(chǎn)品有Harris公司的HSP50016, HSP50214系列。AD公司的AD6620, AD6624。 Graychip公司的GC1011系列、。Graychip公司的GC4114等。這些器件都具有較優(yōu)異的性能參數(shù)和較強(qiáng)的功能。許多型號(hào)的DDC芯片(如Intersil公司的HSP50214B)事實(shí)上其功能己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是下變頻，還包括了成形濾波器、定時(shí)同步內(nèi)插濾波器、重采樣NCO、坐標(biāo)變換、數(shù)字AGC等功能其芯片內(nèi)部的各個(gè)功能模塊均是可編程的，將其與通用DSP器件結(jié)合，便可構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化多模式軟件無(wú)線電接收機(jī)硬件平臺(tái)?！皵?shù)字上下變頻”在軟件無(wú)線電中的意義已不再僅僅是簡(jiǎn)單的上下變頻概念了。 課題研究?jī)?nèi)容及設(shè)計(jì)方案本課題以變頻技術(shù)為理論知識(shí)，以FPGA技術(shù)作為設(shè)計(jì)的技術(shù)手段，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻系統(tǒng)。具體實(shí)施起來(lái)應(yīng)該先了解通信原理的相關(guān)知識(shí)，仿真軟件的應(yīng)用，變頻器的原理及設(shè)計(jì)方法，利用FPGA設(shè)計(jì)固定參數(shù)的上變頻器，提出結(jié)構(gòu)框圖，對(duì)所設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行仿真并計(jì)算，分析仿真結(jié)果多所設(shè)計(jì)變頻器參數(shù)進(jìn)行修正，使之符合要求，最后對(duì)上變頻器的仿真、調(diào)試與完善并測(cè)試該變頻器的性能指標(biāo)。本課題的工作流程如下安排，后續(xù)章節(jié)將圍繞該設(shè)計(jì)步驟順序?qū)Ρ敬握n題研究進(jìn)行詳細(xì)敘述。（1）首先要理解數(shù)字上變頻的基本原理，了解通信原理的相關(guān)知識(shí)。（2）然后確定上變頻器的總體實(shí)現(xiàn)方案，深入學(xué)習(xí)并掌握仿真軟件的應(yīng)用，功能和實(shí)際實(shí)現(xiàn)方法，并思考如何用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的功能。（3）學(xué)習(xí)并能夠熟練使用EDA工具完成設(shè)計(jì)流程，采用 verilog語(yǔ)言，自行編寫(xiě)各關(guān)鍵功能模塊的硬件描述語(yǔ)言程序。并給出仿真波形圖，反復(fù)對(duì)各模塊進(jìn)行改進(jìn)，以求仿真波形最佳。利用FPGA