【文章內容簡介】 （ 5）底層嵌入功能單元 （ 6）內嵌專用硬核 與“底層嵌入單元”是有區(qū)別的，這里指的硬核主要是那些通用性相對較弱，不是所有 FPGA 器件都包含硬核。 目前絕大部分 FPGA 都采用查找表（ Look Up Table， LUT）技術，如 Altera 的 ACEX、 APEX、 Cyclone、 Stratix 系列， Xilinx 的 Spartan、 Virtex 系列等。 FPGA 的基本設計流程 FPGA 的設計流程就是利用 EDA 開發(fā) 軟件和編程工具對 FPGA 芯片進行開發(fā)的過程。FPGA 的開發(fā)流程一般如圖 2一 2 所示，包括電路設計、設計輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實現與布局布線、時序仿真與驗證、板級仿真與驗證，以及芯片編程與調試 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 38 頁 設計描述 生產 設計輸入 設計編輯 器件編程 延時確認 設計修改 功能仿真 在線確認 等主要步驟。 圖 FPGA 設計流程圖 設計輸入方式和軟件 設計輸入方式主要有兩種：原理圖設計和硬件描述語言設計。現在主要流行的方式是用硬件描述語言設計（ VHDL 或 Verilog HDL），而其中在亞洲許多國家和美國主要利用 Verilog HDL 語言設計， VHDL 多是在歐洲和其它地區(qū)使用。而對于設計工具來說，這兩種語言都是支持的，并且綜合出來的模塊也是可以混合利用的。 對于設計軟件，一般是每個 FPGA 提供商就有一套專門設計用的軟件。例如 xilinx公司針對自己產品的 ISE 設計軟件，該軟件也包含仿真、綜合、時序分析等全部功能。還有 Altera 公司的 支持最新的 cycloneII 系列器件的整個設計流程。此外， Lattice 公司的 ispLEVER ,FPGA Advantage 等。在本設計中我采用的是 Altera公司的 。 仿真的方法和軟件 仿真的方法主要有兩種： （ 1）交互式仿真方法：利用 EDA 工具的仿真器進行仿真，使用方便，但輸入輸出不便于記錄規(guī)檔，當輸入量較多時不便于觀察和比較。 （ 2）測試平臺法：為設計模塊專門設計的仿真程序，可以實現對被測模塊自動輸入 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 38 頁 測試矢量，并通過波形輸出文件記錄輸出，便于將仿真結果記錄歸檔和比較。 而使用的仿真工具最快的是 Model Technology 公司開發(fā)的 ModelSim 軟件。此外仿真的方法還有利用 matlab 軟件與 EDA 軟件進行的聯合仿 真。 Matlab 最新版本 matlab20xx 還支持matlab 與 modelsim 的聯合仿真，這就大大減輕了測試工程師的工作量。 本設計中主要運用了 中的 VerliogHDL 語言來編寫各模塊程序，再通過原理圖連接，其中利用了 Matlab20xx 的輔助，最后通過 進行仿真，具體內容步驟在下文將做出詳細介紹。 3 數字上變頻技術理論基礎 數字變頻技術一直是軟件無線電的研究重點 ,也是影響軟件無線電系統性能的關鍵部分之一 。 數字上變頻原理概述 數字混頻 正交變換 任何物理可實現的信號都是實信號，實信號的頻譜具有共軛對稱性，即正負頻率幅度分量是對稱的，而其相位分量正好相反。所以對于一個實信號而言，只需其正頻部分或負頻部分就能夠完全加以描述，不會丟失任何信息，也不會產生虛假信號。如只取原實信號的正頻部分 z(t)(由于 z(t)只含有正頻分量，故 z(t)為復信號 )，那么就把 z(t)做 x(t)的解析表示，即： ( ) ( ) [( )]z t x t jH t?? （ 3— 1） 其中 H[x(t)]叫做信號 x(t)的 Hilbert 變換。即 （ 3— 2） 由于 Hilbert 變換是正交變換，所以解析信號 z(t)的實部和虛部是正交的。一個實信號的解析表示 (正交分解 )在信號處理中有著極其重要的作用，是軟件無線電的基礎理論之一，從解析信號中很容易獲得信號的三個特征參數：瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率，而這三個特征參數是信號分析、參數測量或識別解調的基礎 。 對于一個實的窄帶信號： ( ) ( ) c o s[ ( ) ( ) ]cx t a t t t???? （ 3— 3） 所以窄帶信號的解析表示為： ( ) c o s[ ( ) ( ) ] ( ) sin [ ( ) ( ) ]ccz t t t ja t t t? ? ? ?? ? ? ? （ 3— 4） 用極坐標形式可以表示為： [ ( )]( ) ( ) cj t tz t a t e ???? ()() cjt jta t e e? ?? （ 3— 5） 式中 cjte? 稱為信號的載頻分量，它作為信息載體不含有用信息。將上式乘以 cjte?? ，把載頻下移 ωc，得到基帶信號 (或稱為零中頻信號 )，記為 ()bzt，有： ( ) ( ) cjtbz t a t e ?? 1 ( )[ ( )] xH x t dt ? ???????? ?? 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 38 頁 ( ) ( ) c os ( ) ( ) sin ( )bz t a t t ja t t???? ( ) ( )I t jQ t?? （ 3— 6） 其中 ( ) ( ) cos ( )I t a t t?? ， )(sin)()( ttatQ ?? ， 分別稱為基帶信號的同相分量和正交分量?；鶐?號為解析信號的復包絡，是復信號，即基帶信號既有正頻分量，也有負頻分量，但其頻譜不具有共軛對稱性，若隨意剔除基帶信號的負頻分量，就會造成信息丟失。從以上分析可以看出，一個實的窄帶信號既可用解析信號 z(t)表示，也可用其基帶信號 (零中頻信號 ) ()bzt來表示。 上變頻是指將信號的頻譜搬移到更高的頻率上，若待變頻信號為 xa(t)，變頻信號 xb(t)用公式 表示為： ( ) ( ) cj nTbax t x t e ?? （ 3— 7） 其中 ωc為搬移的頻率，將基帶信號搬到該頻率上稱為上變頻（ ωc為負）。將該式進行數字化，引入滿足采樣定理的采樣周期 T，則可以寫為： ( ) ( ) cj nTbax nT x nT e ?? （ 3— 8） 簡寫為： ( ) ( ) cj n Tbax n x n e ?? （ 3— 9） 因為 xa(n)一般為復信號，有下式： ()axn= ( ) ( )I n jQ n? ， 通常上變頻后的信號只需要取其實數部分就足夠了，即 （ 3— 10） 由上式則可得到上變頻的原理框圖如下： 圖 數字上變頻原理框圖 影響數字上變頻性能的主要因素 模擬上變頻器中，模擬混頻器的非線性和模擬本地振蕩器的頻率穩(wěn)定度、邊帶、相位噪聲、溫度漂移、轉換速 率等都是人們最關心和難以徹底解決的問題。這些問題在數字上變頻中是不存在的，頻率步進、頻率間隔等也具有理想的性能，另外，數字上變頻器的控制和配置更新方便等特點也是模擬上變頻器無法比擬的。但與模擬上變頻相比，)s i n()()c os ()(])(R e [)( nwnQnwnIenxnx cjwab c ??? 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 38 頁 數字上變頻器的運算速度受硬件電路處理能力的限制，其運算速度決定了 DDC 的最高輸入信號數據率，相應的也限定了 ADC 的最高采樣速率。另外，數字上變頻的輸入、輸出數據精度和內部運算精度也影響著接收機的性能。 從數字上變頻原理可以看出，影響數字 上 變頻器性能的主要因素有五個： （ 1） 數控本振所產生的正交本振信號的頻譜 純度； （ 2） 數字混頻器的運算精度； （ 3） 各種濾波器的運算精度 (包括二進制表示的濾波器系數的精度 )； （ 4） 濾波器的階數； （ 5） 數字變頻器的系統處理速度。 前三點因素其本質可以歸到一點，就是有限字長效應，由于有限字長，帶來了數控本振的相位截斷效應，也帶來了整個 DUC 器件所有模塊的樣本值近似效應，根據截斷和近似的程度， DUC 性能會受到或多或少的影響。要提高 DUC 的性能，就要加寬運算字長，但字長不可能無限加寬，這就需要在 DUC 性能和硬件資源開銷之間作一個折衷。至于濾波器的階數，同樣涉及到的是硬件資源消耗的問 題。在處理速度這個問題上，可以通過利用規(guī)模換速度和采用優(yōu)化算法兩種手段提高系統處理速度；總的說來，性能的提高是以資源的消耗為代價的。 數字上變頻的基本原理 上變頻是 將具有一定頻率的輸入信號，改換成具有更高頻率的輸出信號 。數字上變頻器的基本工作原理是：首先將量化后的基帶信號通過脈沖成形濾波器進行處理，以適應帶限信道和消除碼間串擾 (ISI)，然后通過插值濾波器處理提高采樣率，最后與正交載波進行數字混頻， 按照通信調制基本理論，上變頻需要將調制好的信號從基帶頻率搬移到射頻頻率。對于基帶信號，其帶寬般較 窄，因此在很多應用場合中都是根據 Nyquist 采樣定理，再結合工程實際，采用 — 4 倍的基帶信號最高頻率進行采樣。而作為載波的 DDS 輸出波形，其頻率相對較高。如果用基帶信號對載波進行正交調制，即是數字信號的相乘，要求基帶和載波具有相同的數據速率。所以，在進行正交調制之前必須對基帶數字信號進行插值濾波，提高其數據速率。 提高基帶信號的數據速率有兩種途徑：一種是簡單的數據保持方法 。另一種是嚴格的插值濾波法。簡單的數據保持法是將序列的每個采樣點做簡單的保持 (或重復采樣 )直到下個采樣點到來。這種近似的處理辦法相當 簡單，但效果不佳，只適于數字調制方式或基帶信號帶寬很窄、對信號精度要求小高的場合。本設計采用嚴格的插值濾波，先經過零值內插，然后濾波得到。 多速率信號處理 多速率信號處理理論 在軟件無線電系統中，采樣定理的應用大大降低了所需的射頻或中頻采樣速率，為 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 10 頁 共 38 頁 后面的信號實時處理奠定了基礎。但是對軟件無線電的要求來看，帶通采樣的帶寬應該越寬越好，這樣對不同信號會有更好的適應性，而且采樣速率越高，在相同工作頻率范圍內所需的“盲區(qū)”采樣頻率數量就越少，并對提高采樣量化的信噪比也是有利的，所以在可能的情況下 ，帶通采樣速率應該盡可能地選的高一些，使瞬時采樣帶寬盡可能的寬。但是隨著采樣速率的提高帶來一個問題就是采樣后的數據流速率很高，導致后續(xù)的信號處理速度跟不上，所以對 A/D 處理后的數據流進行降速處理或叫二次采樣是完全必要的。多速率信號處理技術為這種降速處理的實現提供了理論依據，其中最為重要的理論是抽取和內插，它們?yōu)閿底稚舷伦冾l的成功實現奠定了重要的基礎。 多速率信號處理是軟件無線電系統中的基礎理論，它通過內插和抽取改變數字信號的速率，以適應軟件無線電系統中不同模塊對信號速率的不同要求，是數字下變頻和數字上變頻的 重要技術。本節(jié)主要介紹多速率信號處理的基本知識和操作，并總結在數字通信系統中采用多速率信號處理所帶來的好處。 所謂多速率數字信號處理是指改變信號的采樣率，包括抽取和內插兩種情況。使信號采樣率降低的轉換，稱為抽取；使信號采樣率升高的轉換，稱為內插。實現采樣率的轉換 (插值和抽取 )的關鍵問題是如何保證實現插值或抽取后，信號所包含的信息不發(fā)