【正文】 圖 乘法器輸入數(shù)據(jù)（是否為常數(shù)，是否為有符號(hào)數(shù)）設(shè)置及綜合使用資源情況設(shè)置 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 24 頁(yè) 共 38 頁(yè) 5 數(shù)字上變頻仿真與驗(yàn)證 本次設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用軟件 Modelsim 來(lái)進(jìn)行仿真。從效果上來(lái)看，CIC 濾波器還是一個(gè)線性相位濾波器。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 21 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器 根據(jù)前面對(duì) HB半帶濾波器的理論分析以及實(shí)際的要求， 運(yùn)用 Verliog 語(yǔ)言進(jìn)行編程，利用串行算法設(shè)計(jì)了一個(gè)單級(jí)的 38 階半帶濾波器，輸入為 12 位，為了不失真，使輸出設(shè)為 30 位。 HB 濾波器設(shè)計(jì)我們選取窗函數(shù)法中的 Kaiser 方法。 其使用基本流程如下組圖。所以從 32 位的相位累加器結(jié)果中提取高 12 位作為 ROM 的查詢地址，由此而產(chǎn)生的誤差會(huì)對(duì)頻譜純度有影響，但是對(duì)波形的精度的影響是可以忽略的。 DDS技術(shù)產(chǎn)生波形的過(guò)程是：基于奈奎斯特抽樣定理對(duì)需要產(chǎn)生的波形進(jìn)行采樣、量化后存入存儲(chǔ)器 ROM 中作為待產(chǎn)生信號(hào)波形的數(shù)據(jù)表；在需要輸出波形時(shí)，從數(shù)據(jù)表中依次讀出數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)字化信號(hào)，這個(gè)信號(hào)再通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器和濾波器后就變成了所需的模擬信號(hào)波形。本章詳細(xì)分析了每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過(guò)程中重要因素的考慮 以及最后的驗(yàn)證，為最后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)綜合做好了準(zhǔn)備。 圖 三角函數(shù)相位與幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系 波形存儲(chǔ)器的輸出送到 D/A 轉(zhuǎn)換器， D/A 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比， DDS 具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。另外，濾波器系數(shù)除了中心點(diǎn) n=(N1)/2+1 外，所有 h(n)的偶次系數(shù)均為零。如果要構(gòu)成一個(gè) N 級(jí)的 CIC 濾波器，將 N 個(gè)積分器和 N 個(gè)梳狀濾波器級(jí)聯(lián)即可，其 Z域響應(yīng)為 : （ 3— 17） 由式 (3— 17)可知， CIC 濾波器的總的頻率響應(yīng)為 : （ 3— 18） 式中，為抽樣函數(shù)，通過(guò)式（ 3— 18）可以求得 N級(jí)級(jí)聯(lián) CIC 濾波器的旁瓣抑制為 : )( dBNN ??? （ 3— 19） 從式 (3— 19)知，級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)越多，旁瓣衰減越大。單級(jí)積分器的差分方程為： y(n) = y(n1) + x(n) （ 3— 13) 其 Z 域上的傳遞函數(shù)為： （ 3— 14） 積分器的基本結(jié)構(gòu)如圖 （ a）所示。常用的多速率濾波器有多速率 FIR 濾波器，積分級(jí)聯(lián)梳狀（ CIC）濾波器和半帶（ HB）濾波器等。 信號(hào)插值前后頻譜 的變化如圖 所示?？梢钥闯觯槿『筒逯敌枰谶M(jìn)行抽取前或插值后對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，數(shù)字濾波器的性能好壞將直接影響采樣率變換的效果以及實(shí)時(shí)處理能力。但是對(duì)軟件無(wú)線電的要求來(lái)看，帶通采樣的帶寬應(yīng)該越寬越好，這樣對(duì)不同信號(hào)會(huì)有更好的適應(yīng)性，而且采樣速率越高，在相同工作頻率范圍內(nèi)所需的“盲區(qū)”采樣頻率數(shù)量就越少，并對(duì)提高采樣量化的信噪比也是有利的，所以在可能的情況下 ，帶通采樣速率應(yīng)該盡可能地選的高一些，使瞬時(shí)采樣帶寬盡可能的寬。如果用基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行正交調(diào)制，即是數(shù)字信號(hào)的相乘，要求基帶和載波具有相同的數(shù)據(jù)速率。 前三點(diǎn)因素其本質(zhì)可以歸到一點(diǎn)，就是有限字長(zhǎng)效應(yīng)，由于有限字長(zhǎng)，帶來(lái)了數(shù)控本振的相位截?cái)嘈?yīng)，也帶來(lái)了整個(gè) DUC 器件所有模塊的樣本值近似效應(yīng)，根據(jù)截?cái)嗪徒频某潭龋?DUC 性能會(huì)受到或多或少的影響?；鶐?號(hào)為解析信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，是復(fù)信號(hào)，即基帶信號(hào)既有正頻分量，也有負(fù)頻分量，但其頻譜不具有共軛對(duì)稱性，若隨意剔除基帶信號(hào)的負(fù)頻分量，就會(huì)造成信息丟失。 3 數(shù)字上變頻技術(shù)理論基礎(chǔ) 數(shù)字變頻技術(shù)一直是軟件無(wú)線電的研究重點(diǎn) ,也是影響軟件無(wú)線電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分之一 。此外， Lattice 公司的 ispLEVER ,FPGA Advantage 等。 FPGA 的基本設(shè)計(jì)流程 FPGA 的設(shè)計(jì)流程就是利用 EDA 開(kāi)發(fā) 軟件和編程工具對(duì) FPGA 芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程。簡(jiǎn)單的說(shuō)， RAM 是一種寫(xiě)地址，讀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元； CAM 與 RAM 恰恰相反。 FPGA 一般依賴寄存器完成同步時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)。 總之， FPGA 的使用非常靈活，對(duì)于同一片 FPGA，通過(guò)配 置不同的編程數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生不同的電路功能。利用 FPGA， 設(shè)計(jì)人員 可以在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)出專用 IC，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，從而大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、上市的時(shí)間，降低了開(kāi)發(fā)成本。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。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)。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。 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。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)。 HB filter。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。CIC filter 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁(yè) 共 4 頁(yè) 目 錄 引言 ...................................................... 1 1 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 ................................................ 3 2 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 .................................................... 6 3 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 多速率信號(hào)處理理論 .................................................. 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 ....................................................... 15 4 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) ........................................................... 22 5 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 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) 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 ...........................................................