【正文】 個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)完成，并使寬帶 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器盡可能的靠近天線，以研制出具有高靈活性和開(kāi)放性的新一代無(wú)線通信系統(tǒng)。浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文1 研究的目的與意義上文已經(jīng)提到，當(dāng)前通信標(biāo)準(zhǔn)繁多，各電臺(tái)工作頻率從幾十 KHz 到幾十GHz 不一。如此，減少了抽樣點(diǎn)數(shù)，大大減少了后續(xù) DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的負(fù)擔(dān)。1990 年 8 月，美國(guó)國(guó)防部與 Hazeltine 公司簽訂合約，開(kāi)始研制 Speakeasy軟件無(wú)線電系統(tǒng)第一期工程 [4]，1994 年 8 月 Speakeasy I 型樣機(jī)研制成功并進(jìn)行了技術(shù)演示。2020 年 6 月，Motorola 公司公布它己著浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文2手研制用于蜂窩通信的軟件無(wú)線電終端。韓國(guó)的 KEES（Korea Elecbomagletic EngZneellng Socjety）成立了軟件無(wú)線電工作室。1998 年 7 月，我國(guó)向 ITU 提交的第三代移動(dòng)通信提案 TDSCDMA 中就采用了軟件無(wú)線電技術(shù)。2020 年 3 月，美國(guó) FCC(美聯(lián)邦通信委員會(huì))聽(tīng)取了關(guān)于建立軟件無(wú)線電法規(guī)方面的意見(jiàn)。本論文主要工作內(nèi)容如下：在廣泛收集相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，熟悉和研究抽取器的實(shí)現(xiàn)理論和各種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，特別是其中各類抽取濾波器的結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方式等。32 倍抽取器輸出序列輸入序列 4 級(jí) 8 倍抽取 CIC濾波器HB 濾波器ISOP補(bǔ)償濾波器FIR 濾波器HB 濾波器圖 11 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖論文的第 1 章介紹了軟件無(wú)線電的發(fā)展現(xiàn)狀以及抽取器設(shè)計(jì)的目的與意義，并給出了本文的內(nèi)容安排。第 3 章在前面的基礎(chǔ)上，在 Quartus II 開(kāi)放平臺(tái)上，使用 VHDL 語(yǔ)言進(jìn)行抽取器的實(shí)現(xiàn)。最后一章是對(duì)論文工作的一些總結(jié)。設(shè)濾波后的序列為 ，??Wn序列中的每 D 個(gè)樣點(diǎn)保留一個(gè)樣點(diǎn)得到一個(gè)新的樣點(diǎn)序列 ， 就??Wn Y是 經(jīng)過(guò) D 倍抽取后的樣點(diǎn)序列，這一過(guò)程 [29,32]如圖 21 所示。End其中 BeforeD 為輸入信號(hào)序列，AfterD 為抽取后信號(hào)序列，D 為抽取因子。為了避免混疊，必須首先降低序列 的帶寬，即 ，然后再??xnmax2F?按 D 倍進(jìn)行抽取。這樣， 中的頻譜成分與 中的頻譜成分（即??jXe???je??浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文7中小于 的頻率分量）是一一對(duì)應(yīng)的。RDI?需要注意的是，必須是內(nèi)插在前，抽取在后，以確保其中間序列 的基??Sk帶頻譜寬度不小于原輸入序列譜或輸出序列譜的基帶頻譜寬度，否則將會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊，即發(fā)生信號(hào)失真。 FIR 低通濾波器數(shù)字信號(hào)處理中最為常見(jiàn)的低通濾波器主要分為兩種：有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器和無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器。FIR 濾波器相對(duì)于 IIR 濾波器有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：線形相位、()hn穩(wěn)定性等。 參數(shù)可以控制窗的大小。? ?在設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，設(shè) （dB） 。然后可以使用 MATLAB 自帶的信號(hào)處理工具箱來(lái)方便快捷地計(jì)算 ，??hn亦即 FIR 濾波器的系數(shù)。在設(shè)定好所需參數(shù)后，按下 Design Filter 按鈕，?就可以得到我們所需的低通 FIR 濾波器的頻響以及參數(shù)，如圖 25 所示。其中輸入序列 ，而 為最近的輸入值，kxI?k表示濾波器的抽頭系數(shù)。進(jìn)行 FIR 濾波器仿真時(shí)，X 為輸入序列，Y 為輸出序列，B 為 FIR 濾波器系數(shù)， A=1。因此，在高速抽取時(shí)，大都采用多個(gè)半帶濾波器級(jí)聯(lián)的方式。但是在抽取后，信號(hào)雖然在過(guò)渡帶內(nèi)有混疊，但在通帶（ ）內(nèi)02P?:是沒(méi)有混疊的，如圖 27b 所示，其內(nèi)部的信號(hào)是可以恢復(fù)的。只是最后在確定半帶濾波器的階數(shù)時(shí) N 要滿足 N=3+4K[1]。浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文13圖 28 31 階半帶濾波器頻率響應(yīng) 積分梳狀濾波器積分梳狀（Cascade Integrator Comb，CIC ）濾波器又稱為簡(jiǎn)單整系數(shù)梳狀濾波器，在進(jìn)行高速抽取時(shí)具有很高的效率。其傳遞函數(shù)為（219）???1DHzz??由上式看出，CIC 濾波器由兩部分組成，即積分器 和微分器1z?的級(jí)聯(lián)。雖然累加器會(huì)有溢出的情況發(fā)生，但二進(jìn)制補(bǔ)碼系統(tǒng)的精確算法會(huì)自動(dòng)地對(duì)積分器的溢出進(jìn)行補(bǔ)償，依然可以得到正確的輸出結(jié)果 [1]。 ?? D1z?1z?1z? 1z?圖 210 多級(jí) CIC 濾波器的實(shí)現(xiàn)浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文15多級(jí)級(jí)聯(lián)能夠增大阻帶衰減，減小混疊影響，但同時(shí)也會(huì)造成帶內(nèi)平坦度變差。一個(gè) 8 倍抽取四級(jí) CIC 濾波器的頻率響應(yīng)如圖 211 所示。它是二階多項(xiàng)式（222）???122Szcz???內(nèi)插后的變化形式。由 頻響的性質(zhì)可知， 的頻響為??Sz??Pz（224）12cosjeI????其在 區(qū)間是單調(diào)遞增的，并且以 為周期，其中 I 是插值率。如果設(shè) ，其中 k 是正整數(shù)，則 ISOP 濾波器的頻響在1cIf?????IkM處有最小值。??2c??ISOP 濾波器的參數(shù)可用傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)。通過(guò) MATLAB 可以很方便的編程找出最佳的 對(duì)（具體程序見(jiàn)附錄） ，??,kc可得其濾波器系數(shù) B=[1 zeros(1,k*D1) c zeros(1,k*D1) 1]。并介紹兩種最為常見(jiàn)且有用的抽取器結(jié)構(gòu)。設(shè)抽取濾波器長(zhǎng)度為 N，并設(shè) N 為抽取因子 D 的整數(shù)倍，即 。采用多相分解以后，一個(gè)帶有抗混疊濾波器的抽取系統(tǒng)可由圖 213 所示結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 （具體程序見(jiàn)附錄）仿真時(shí)，為了更清楚的看出抗混疊濾波器的效果，我們?cè)谳斎胄盘?hào)的高頻部分增加一部分頻譜。用多級(jí)抽取構(gòu)成高倍數(shù)的抽取系統(tǒng)，一般有兩種方案 [1]：一種是基于最優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，以每秒的乘法次數(shù)或存儲(chǔ)量為準(zhǔn)則，找出最佳的各級(jí)抽取因子，然后計(jì)算各級(jí)的濾波器系數(shù)；另一種方法是立足于使用抽取因子為 2 的抽取器，當(dāng)抽取因子為 2 時(shí)，可利用半帶濾波器實(shí)現(xiàn)。如果M 值比較大，也可以把 M 分解為兩個(gè)整數(shù)相乘（ ） ，其中 由 CIC12M??1M浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文21濾波器抽取， 由 FIR 濾波器抽取實(shí)現(xiàn)。輸出序列輸入序列 4 級(jí) 8 倍抽取 CIC濾波器HB 濾波器ISOP補(bǔ)償濾波器FIR 濾波器HB 濾波器圖 215 32 倍抽取濾波器組 總體設(shè)計(jì)要求在這里為了參數(shù)計(jì)算以及和后續(xù)硬件實(shí)現(xiàn)的無(wú)縫過(guò)渡，我們首先要確定輸入信號(hào)的類型?？沙醪綌M定 CIC 濾波器的通帶波紋為 ，兩個(gè)半帶濾波器的通帶波紋均為，他們的阻帶衰減均為 60dB。.312SPF???然后使用凱塞窗設(shè)計(jì)，根據(jù)式 211，由 可得系數(shù) ，(6)dB????然后通過(guò)式 212 可計(jì)算出所需最小濾波器階數(shù) N=13。選取 N=31 進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以直接使用我們?cè)? 節(jié)已經(jīng)設(shè)計(jì)的 HB 濾波器，其頻率響應(yīng)見(jiàn)圖 28。我們?nèi)匀皇褂?FDATOOL 來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不過(guò)這次我們確定濾波器階數(shù)時(shí)，交給 FDATOOL 來(lái)完成，輸入采樣率、通帶截止頻率、阻帶起始頻率后，選擇最小化階數(shù)，然后可以得到所需的 FIR 濾波器的系數(shù)。同時(shí)模擬實(shí)際情況，附加了一個(gè)高斯隨機(jī)白噪聲。但是，輸出信號(hào)和基帶信號(hào)解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)是相同的。 本章小結(jié)本章對(duì)抽取器以及所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器進(jìn)行了分析和討論 [31]，并用MATLAB 分別對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和仿真 [27]，最后選用所需的濾波器和結(jié)構(gòu)，提出了本設(shè)計(jì)將采用的最終抽取器結(jié)構(gòu)，并使用 MATLAB 對(duì)其進(jìn)行仿真。所以在這一章，我們所要做的工作是運(yùn)用原理圖頂層設(shè)計(jì)方式 [13]，分別設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生模塊、CIC 濾波器模塊、ISOP 濾波器模塊、第一和第二級(jí) HB 濾波器模塊和最后的 FIR 濾波器模塊，然后再將各模塊連接后測(cè)試整體的表現(xiàn)。我們將在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用 VHDL 語(yǔ)言將其實(shí)現(xiàn) [17,19]。圖 220 顯示的是 CIC 抽取濾波器后經(jīng) ISOP 濾波器補(bǔ)償?shù)臅r(shí)域和頻域，可以看出在這里最高頻率的干擾分量已經(jīng)基本被濾除，而另一干擾分量在后續(xù)的 HB 濾波器中將被濾除。基帶信號(hào)和輸出信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ热鐖D 218 所示，在圖 219 中顯示了基帶信號(hào)和輸出信號(hào)的頻譜比較。為了更好地測(cè)試該系統(tǒng)的性能，我們?cè)谳斎胄盘?hào)的高頻部分加上了一些干擾分量。在最后，我們需要一個(gè) FIR 濾波器來(lái)完成濾波整形的功能。圖 216 第一級(jí) HB 濾波器頻率響應(yīng)下面設(shè)計(jì)第二級(jí)半帶濾波器，此時(shí)序列的采樣頻率為 ，所以其歸一化通帶截止頻率 ，同樣通過(guò)式 216 來(lái)計(jì)算，?帶起始頻率 ，可得 。因而后續(xù)跟隨的 ISOP 補(bǔ)償濾波器也可直接選用 節(jié)中設(shè)計(jì)的參數(shù) 。由我們規(guī)定的輸入信號(hào)序列可得，其第一零點(diǎn)帶寬約為 [11]：?（228）21sffT????可計(jì)算得 ，為了盡量使原始信號(hào)的頻譜特征得以保留，我們要192fKHz??保證通帶帶寬 內(nèi)的頻譜盡量不失真。 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真在本章前面部分研究的基礎(chǔ)上，將各模塊按多級(jí)級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)綜合起來(lái)，我們提出了本設(shè)計(jì)將采用并將其硬件實(shí)現(xiàn)的抽取器模型。后面 m2 級(jí)可采用半帶濾波器分級(jí)實(shí)現(xiàn)，每一級(jí)實(shí)現(xiàn) 2 倍抽取。浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文201 0 1050001000015000一一一一一w一一1 0 10100020203000一一一一一w一一圖 214 多相抽取前后頻譜對(duì)比 多級(jí)抽取上一節(jié)的抽取原理比較簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng) A/D 采樣速率很高，且所需選擇的基帶信號(hào)的帶寬很窄時(shí)，所要求的抽取因子 D 會(huì)很大。根據(jù)式 227 ?的濾波器參數(shù)分為 5 組，然后在輸入數(shù)據(jù)數(shù)組前填入 4 個(gè) 0 來(lái)模擬延時(shí)的效果，再依次以第 1 至 5 個(gè)元素開(kāi)始以 5 為間隔抽取數(shù)據(jù)，組成 5 個(gè)數(shù)組。可見(jiàn)，數(shù)字濾波器 位于H??DKEz抽取器之后，即濾波在降速之后進(jìn)行，同時(shí)每一支路濾波器系數(shù)由 N 個(gè)減少為N/D 個(gè)，可以減小濾波運(yùn)算的累積誤差，提高運(yùn)算精度。除了用直接法實(shí)現(xiàn)抽取外，還可以采用多相分解的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于上一小節(jié)所設(shè)計(jì)的 8 倍抽取器 4 級(jí) CIC 濾波器，設(shè)對(duì)應(yīng)的，補(bǔ)償 ISOP 濾波器的 為（1,） ，?????,kc的效果如圖 212 所示。??je由此，對(duì)應(yīng)每個(gè) k 按照以上步驟可得到使 最小的 對(duì)，也就得到了優(yōu)化的???,kcISOP 濾波器。當(dāng) ，對(duì)于給定的抽取因子 D，有 。為了補(bǔ)償級(jí)聯(lián) CIC 濾波??Hz器帶內(nèi)的衰減，在區(qū)間 單調(diào)遞增的寬度應(yīng)該與輸入帶寬 保持一致，??0,I?2cf?因此可以得到 。它的直流增益總是 1，并且頻響變化的斜率取決于??0,???參數(shù) c。所以一般選用內(nèi)插二階多項(xiàng)式濾波器 ISOP 與之級(jí)聯(lián)進(jìn)行補(bǔ)償 [10,25]。CIC 濾波器由于其特殊的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)極為容易。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。浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文14 1z?Dz? D D1z? 1z?a) b) 圖 29 單級(jí) CIC 濾波器的實(shí)現(xiàn)CIC 濾波器的基礎(chǔ)是完美的零極點(diǎn)抵消，要將其實(shí)現(xiàn)，要使用精確的積分算法。由于它的高速性，它通常被用在多級(jí)抽取的第一級(jí) [24,26]。根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè) ??階半帶濾波器，其頻率響應(yīng)如圖 28 所示。半帶濾波器的設(shè)計(jì)和 FIR 濾波器極為相似，我們?nèi)耘f借助 MATLAB 的濾波器設(shè)計(jì)和分析工具箱來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。半帶濾波器的頻率響應(yīng)滿足以下關(guān)系式：（216）SP????????即半帶濾波器的阻帶寬度（ ）與通帶寬度 是相等的，且通帶和阻帶SP?的誤差容限也是相等的。這種濾波器非常適合 2 倍抽取或內(nèi)插，而且計(jì)算效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。到下一個(gè)抽樣周期，所有的樣本向右移一位，新的輸入數(shù)值 代替原來(lái)的樣本值 ，根據(jù)同樣1kx?kx的表達(dá)式計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻 FIR 濾波器的輸出數(shù)值。由于 FIR 濾波器中只有前向支路，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，只需要級(jí)聯(lián)乘累加結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)。 Analysis Tool） ，然后選擇我們需要設(shè)計(jì)的濾波器類型：低通（Lowpass） 、 FIR，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，選擇窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法，具體窗口選擇愷塞窗（Kaiser） ，參數(shù)設(shè)置 ，濾波器階數(shù) N=20。假設(shè)歸一化通帶截止頻率為 ，阻帶截止頻率為 ，??。凱塞窗的幅度函數(shù)為：? 49?浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文9（210）????(1)20cosNkkknWn??????這里我們所需要的 FIR 濾波器是低通濾波器，我們要選擇合適的 參數(shù)和濾?波器階數(shù) N。本論文將采用的方法是較為簡(jiǎn)單的窗函數(shù)法，即用一個(gè)已知的窗函數(shù)去截取一個(gè)理想濾波器的沖激函數(shù) ，得到一個(gè)實(shí)際可用的 FIR 濾波器()n?()dhn的沖激函數(shù) 。雖然 IIR 濾波器實(shí)現(xiàn)濾波時(shí)所需要的階數(shù)比較少，但由于 FIR 濾波器設(shè)計(jì)時(shí)可以得到線形相位的頻率響應(yīng)，又因?yàn)槌槿∫院笮盘?hào)的采樣頻率已經(jīng)降低，所以設(shè)計(jì)較高階的 FIR 濾波器來(lái)進(jìn)行濾波是完全可能的。 數(shù)字濾波器通過(guò)以上對(duì)抽取原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行的討論可以看到，抽取器的核心部分是濾波器，濾波器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著抽取器的性能，選擇合適的前級(jí)低通濾波器是軟件無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)抽取處理的首要問(wèn)題。 分?jǐn)?shù)倍抽取