【文章內(nèi)容簡介】 （ 5）底層嵌入功能單元 （ 6）內(nèi)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(shù)，如 Altera 的 ACEX、 APEX、 Cyclone、 Stratix 系列， Xilinx 的 Spartan、 Virtex 系列等。 FPGA 的基本設(shè)計流程 FPGA 的設(shè)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(shè)計、設(shè)計輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實現(xiàn)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(diào)試 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 38 頁 設(shè)計描述 生產(chǎn) 設(shè)計輸入 設(shè)計編輯 器件編程 延時確認(rèn) 設(shè)計修改 功能仿真 在線確認(rèn) 等主要步驟。 圖 FPGA 設(shè)計流程圖 設(shè)計輸入方式和軟件 設(shè)計輸入方式主要有兩種：原理圖設(shè)計和硬件描述語言設(shè)計。現(xiàn)在主要流行的方式是用硬件描述語言設(shè)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(shè)計， VHDL 多是在歐洲和其它地區(qū)使用。而對于設(shè)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(shè)計軟件，一般是每個 FPGA 提供商就有一套專門設(shè)計用的軟件。例如 xilinx公司針對自己產(chǎn)品的 ISE 設(shè)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(shè)計流程。此外， Lattice 公司的 ispLEVER ,FPGA Advantage 等。在本設(shè)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(dāng)輸入量較多時不便于觀察和比較。 （ 2）測試平臺法：為設(shè)計模塊專門設(shè)計的仿真程序，可以實現(xiàn)對被測模塊自動輸入 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(jié)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(lián)合仿 真。 Matlab 最新版本 matlab20xx 還支持matlab 與 modelsim 的聯(lián)合仿真，這就大大減輕了測試工程師的工作量。 本設(shè)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(nèi)容步驟在下文將做出詳細(xì)介紹。 3 數(shù)字上變頻技術(shù)理論基礎(chǔ) 數(shù)字變頻技術(shù)一直是軟件無線電的研究重點 ,也是影響軟件無線電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分之一 。 數(shù)字上變頻原理概述 數(shù)字混頻 正交變換 任何物理可實現(xiàn)的信號都是實信號，實信號的頻譜具有共軛對稱性，即正負(fù)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(fù)頻部分就能夠完全加以描述，不會丟失任何信息，也不會產(chǎn)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(fù)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(chǔ)理論之一，從解析信號中很容易獲得信號的三個特征參數(shù)：瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率，而這三個特征參數(shù)是信號分析、參數(shù)測量或識別解調(diào)的基礎(chǔ) 。 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(biāo)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(fù)包絡(luò)，是復(fù)信號，即基帶信號既有正頻分量，也有負(fù)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(fù)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(fù)）。將該式進行數(shù)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(fù)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(shù)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(shù)字上變頻原理框圖 影響數(shù)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(zhuǎn)換速 率等都是人們最關(guān)心和難以徹底解決的問題。這些問題在數(shù)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(shù)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(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 38 頁 數(shù)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(shù)據(jù)率，相應(yīng)的也限定了 ADC 的最高采樣速率。另外，數(shù)字上變頻的輸入、輸出數(shù)據(jù)精度和內(nèi)部運算精度也影響著接收機的性能。 從數(shù)字上變頻原理可以看出，影響數(shù)字 上 變頻器性能的主要因素有五個： （ 1） 數(shù)控本振所產(chǎn)生的正交本振信號的頻譜 純度； （ 2） 數(shù)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(shù)的精度 )； （ 4） 濾波器的階數(shù)； （ 5） 數(shù)字變頻器的系統(tǒng)處理速度。 前三點因素其本質(zhì)可以歸到一點，就是有限字長效應(yīng)，由于有限字長，帶來了數(shù)控本振的相位截斷效應(yīng)，也帶來了整個 DUC 器件所有模塊的樣本值近似效應(yīng)，根據(jù)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(shù)，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(tǒng)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(shù)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(shù)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(yīng)帶限信道和消除碼間串?dāng)_ (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(shù)字混頻， 按照通信調(diào)制基本理論，上變頻需要將調(diào)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(yīng)用場合中都是根據(jù) Nyquist 采樣定理，再結(jié)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(diào)制，即是數(shù)字信號的相乘，要求基帶和載波具有相同的數(shù)據(jù)速率。所以，在進行正交調(diào)制之前必須對基帶數(shù)字信號進行插值濾波，提高其數(shù)據(jù)速率。 提高基帶信號的數(shù)據(jù)速率有兩種途徑：一種是簡單的數(shù)據(jù)保持方法 。另一種是嚴(yán)格的插值濾波法。簡單的數(shù)據(jù)保持法是將序列的每個采樣點做簡單的保持 (或重復(fù)采樣 )直到下個采樣點到來。這種近似的處理辦法相當(dāng) 簡單，但效果不佳，只適于數(shù)字調(diào)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(shè)計采用嚴(yán)格的插值濾波，先經(jīng)過零值內(nèi)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(tǒng)中，采樣定理的應(yīng)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(chǔ)。但是對軟件無線電的要求來看，帶通采樣的帶寬應(yīng)該越寬越好，這樣對不同信號會有更好的適應(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(shù)據(jù)流速率很高，導(dǎo)致后續(xù)的信號處理速度跟不上，所以對 A/D 處理后的數(shù)據(jù)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(shù)為這種降速處理的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)，其中最為重要的理論是抽取和內(nèi)插，它們?yōu)閿?shù)字上下變頻的成功實現(xiàn)奠定了重要的基礎(chǔ)。 多速率信號處理是軟件無線電系統(tǒng)中的基礎(chǔ)理論，它通過內(nèi)插和抽取改變數(shù)字信號的速率，以適應(yīng)軟件無線電系統(tǒng)中不同模塊對信號速率的不同要求，是數(shù)字下變頻和數(shù)字上變頻的 重要技術(shù)。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(jié)在數(shù)字通信系統(tǒng)中采用多速率信號處理所帶來的好處。 所謂多速率數(shù)字信號處理是指改變信號的采樣率，包括抽取和內(nèi)插兩種情況。使信號采樣率降低的轉(zhuǎn)換，稱為抽??；使信號采樣率升高的轉(zhuǎn)換，稱為內(nèi)插。實現(xiàn)采樣率的轉(zhuǎn)換 (插值和抽取 )的關(guān)鍵問題是如何保證實現(xiàn)插值或抽取后，信號所包含的信息不發(fā)