【正文】 內(nèi)插系數(shù)，也稱 CIC 內(nèi)插系數(shù)。 CIC 濾波器包括兩個基本組成部分：積分部分和梳狀部分。 作為一種簡單有效的抽樣率轉(zhuǎn)換方法 ,CIC 已被廣泛應(yīng)用于通信和信號處理領(lǐng)域。 對于系數(shù)對稱的 FIR 濾波器 有 ??? ?? 10 )()( Nk kzkxzY (26) 我們 7 階 FIR 濾波器為例，可得 ?? ?? 7 0 )()( k kzkxzY (27) 式 (27)可表示為圖 26，系數(shù)關(guān)于 (N1)/2=4 對稱 圖 26 FIR 濾波器結(jié)構(gòu)圖 在 MTLAB 仿真中， FIR 濾波器的設(shè)計可以使用 MATLAB 的 FDATooL 工具箱完成 [2] CIC 濾波器 Z1 Z1 Z1 Z1 Z1 Z1 Z1 x(n) y(n) h(1) h(1) h(2) h(2) h(3) h(3) h(4) h(4) 浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 18 CIC 濾波器的基本原理 CIC(Cascaded Integral Comb)濾波器 ,最初由 Hogenauer[1]提出 , CIC 濾波器的結(jié)構(gòu)簡單，沒有乘法器，只有加法器、積分器和寄存器，適合工作在高采樣率。 窗函數(shù) 旁瓣峰值幅度 /dB 過渡帶寬 阻帶最小衰減 /dB 矩形窗 13 4x/N 21 三角形窗 25 8x/N 25 漢寧窗 31 8x/N 44 海明窗 41 8x/N 53 布萊克曼窗 57 12x/N 74 朗塞窗（ a＝ ） 57 10x/N 80 表 6 種窗函數(shù)的基本參數(shù) 在設(shè)計中，需 根據(jù)對過渡帶及阻帶衰減的要求，選擇窗函數(shù)的形式，并估計窗口長度 N。由于 hd(n)為無限長，為了構(gòu)造一個長度為 N 的線性相位濾波器，只有將 hd(n)截取一段，即對其進行加窗處理，并保證截取的一段對 (N1)/2 對稱，以得到滿足要求的單位沖擊響應(yīng) h(n) h(n) =hd(n)*w(n) (26) 其中窗函數(shù) w(n)可以有各種形式：常見的有矩形窗、三角形窗、漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗和凱撒窗等。在本浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 17 設(shè)計中，我們使用窗函數(shù)法來進行 FIR 濾波器的設(shè)計。 對一個 N 階線性時不變 FIR 濾波器的多相分解過程如下，設(shè)該濾波器的沖擊響應(yīng)為 h(n)，它的 Z 變換 H(Z)可 表示為 10( ) ( )N nnH Z h n Z? ??? ? 式中： N=Q*I， I 為內(nèi)插倍數(shù)，可以將其展開得： 10 1 ( 1 ) 1 10( 1 ) [ ( 1 ) 1 ] ( 1 ) [ ( 1 ) ][ ( 1 ) ( 1 ) ]( ) ( ) ( 0 ) ( ) [ ( 1 ) ] ( 1 )( 1 ) [ ( 1 ) 1 ] ( 1 ) [ ( 1 ) ][ ( 1 ) ( 1 ) ]( 0 ) ( )NnQnI Q I I I IQ I IImH Z h n Z h Z h I Z h Q I Z h Zh I Z h Q I Z h I Z h I I Zh Q I I Zh m I Z?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ????( 1 ) ( 1 ) ( 1 )1 ( 1 )0 0 0( ( 1 ) ( ) [ ( 1 ) ] ( )Q Q QI m I I mm m mZ h m I Z Z h m I I Z? ? ?? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?令 ???????? )1(0 ))(1()(QmmIIk zkImIhzR 則 ??????? 10)1( )()( IkIkkI zRzzH (24) 式（ 24）即為內(nèi)插濾波器的多相表示，則 I 倍內(nèi)插系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 24(a)，這種結(jié)構(gòu)分支濾波器的階數(shù)由原來的 N 階變?yōu)?Q 階（ N/I），是原來的 I 分之一，例如，一個 4 倍內(nèi)插系統(tǒng)，原來 FIR 濾波器 H(Z)為 32 階，經(jīng)多相分解后變?yōu)?4 個 8階的分支濾波器。所以，在需要實時處理的情況下，就要采取一些措施以降低運算量，采用多相濾波結(jié)構(gòu)的內(nèi)插器就是其中一種方法。 就插值而言， Noble”關(guān)系式可以表示為 : ( )( ) ( ) ( )IF Z I I F Z? ? ? (23) 也就是說，在插值中將濾波器放置在擴展器之前，就可以得到降低了 I 次的濾波器。)( ?jeH 的截止頻率應(yīng)取內(nèi)插和抽取所需濾波器的截止頻率的最小值。其中需注意的是，分?jǐn)?shù)倍采樣率變換系統(tǒng)中必須內(nèi)插在先，抽取在后。 通過 MATLAB 對內(nèi)插過程的仿真我們可 以看到上面所述原理，如圖 22。于是，對序列進行內(nèi)插，要保證序列的原始特性不變，必須要在內(nèi)插后接一個低通濾波器 H(Z)濾除 [π/I, π/I]之外的頻譜，以消除內(nèi)插帶來的鏡像。實現(xiàn)這一過程的系統(tǒng)稱為 I內(nèi)插器，如圖 21所示。 第五章重點針對設(shè)計時遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題提出相應(yīng)的解決方法。 第三章是對設(shè)計中使用的 MATLAB 和 QuartusⅡ軟件作一介紹。 本設(shè)計通過各方面的考慮，使用的 FPGA 芯片 是 ALTERA 公司 ACEX 系列的芯片 EP1K30TC1443。在程序編寫過程中，底層小模塊使用文本設(shè)計法實現(xiàn)，頂層模塊由原理圖輸入法設(shè)計實現(xiàn)， 最終實現(xiàn)內(nèi)插器并且把程序?qū)氲?FPGA 芯片中測試。 課題研究的內(nèi)容和論文框架 本 個 （刪） 課題研究的內(nèi)容主要是基于 FPGA 技術(shù)的內(nèi)插器設(shè)計與實現(xiàn)。這將嚴(yán)重影響我國在軟件無線電領(lǐng)域的技術(shù)進展速度，也必將影響我國在未來通信領(lǐng)域激烈的競爭中的優(yōu)勢地位。 通過對國內(nèi)外在本課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀分析，可以得出以下結(jié)淪 : ，并己都取得了一定的成果，但總的來著，研究方向為軟件無線電實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型以及綜述性的成果比較多，而研究具體實現(xiàn)技術(shù)及能實際實現(xiàn)樣機的研究成果則很少。如 TI 公司生產(chǎn)的 TMS320C80, AD 公司生產(chǎn)的 ADSP211 GO 等，其處理速度可達 9000MIPS 1 預(yù)計到 2020 年可達 3 萬億條指令 /秒。 在軟件無線電結(jié)構(gòu)中，與抽樣率轉(zhuǎn)換模塊相銜接的技術(shù) 如 A/D 變換，下變頻器即后續(xù)處理 DSP 技術(shù)的發(fā)展也制約影響著抽樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)木身的發(fā)展，就 A/D變換器而言，近幾年來發(fā)展迅速，以采樣速率為例， 5 年時 問 速度大約提高了 25倍，如 MAXIM 公司生產(chǎn)的 MAX 104,最大轉(zhuǎn)換速率可達 件無線電可處理的領(lǐng)域己進入了更高頻域，其處理功能的可編程性正在提高 。另外，在抽樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究部分， T. A. Ramstad 對采樣率變換方法特別是分?jǐn)?shù)倍和無理數(shù)倍抽樣率轉(zhuǎn)換的方法進 行了深入研究 ， 提出了拉格朗日插位法實現(xiàn)無理數(shù)倍抽樣率轉(zhuǎn)換 : Farrow. C . W 對采樣變換過程中延遲問題做了詳細的分析，為實現(xiàn)軟件無線電中的無理數(shù)倍抽樣率轉(zhuǎn)換提供了基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)雛形 . Ilogenaue 對抽樣率變換中的簡單系數(shù)濾波器進行了深入的研究。 專門針對軟件無線電的抽樣率轉(zhuǎn)換實現(xiàn)技術(shù)而言 , 1992 年 北 美電信系統(tǒng)年會上首次提出軟件無線電這一定義的 。 隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，從事此方 （面） 而研究的學(xué)者們開始注意到研究抽樣率轉(zhuǎn)換在軟件無線電系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵作用與意義， J. M Fettweis. G.分別 [19]強調(diào)指出，要解決當(dāng)前移動通信系統(tǒng)中不同標(biāo)準(zhǔn)符號傳輸速率難以統(tǒng)一的現(xiàn)狀，真正實現(xiàn)軟件無線電的通用價值，必須對抽樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)進行深入系統(tǒng)的研究，并提出了在 A/D 變換后，盡可能早的進行信道選擇濾波以減小抽樣率的設(shè)想 。 還有 FRAMES (Future Radio Wineband Multiple Access System)， RAINBOW (Radio Access Independent Broadband On Wireless)等等 []。Services )是一個由 157 個規(guī)劃團休組成的為促進歐洲技術(shù)研究與開發(fā)而設(shè)立的組織 。 在歐洲有 : （ 1） UMTS ( Universal Mobile Telemunication System)歐洲的第三代移動通信系統(tǒng) IMT2020 的標(biāo)準(zhǔn)化論壇 。 （ 2） SPEAKeasy 開發(fā)組，目前正在開發(fā)美國軍用軟件無線電臺。在這一點上，國外特別是美國及歐洲一些國家走在了前面 , 1994 年，美國著名的 SPEAKeasy (PHASEⅠ )開發(fā)成功， 1995 年，歐洲 (ETSI )舉薦 SR 做移動通信系統(tǒng) (UMTS), 1996 年，美國 FAA 要求使用 SR, 由 IEEE Communication Magazine 推出 SR 專輯， 1999 年，美國完成了 SPEAKeasy (PIiASEⅢ )的開發(fā)。 （字體不一致） 浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 國內(nèi)外進展與應(yīng)用 抽樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)是軟件無線電得以實現(xiàn)的一個必要環(huán)節(jié)，它的發(fā)展與研究狀況于軟件無線電技術(shù)本身的發(fā)展壯大密切相關(guān)。 在數(shù)字信號傳輸過程中，當(dāng)輸人的基帶信號經(jīng)過成形濾波以后，在進行上變頻傳輸之前，為了提高信號的采樣速率，降低對器件的速度要求，可采用內(nèi)插方法對成形后的數(shù)字信號進行內(nèi)插。由此可以看出內(nèi)插技術(shù)在軟件無線電中非常重要 。 多速率信號處理是軟件無線電的重 要理論基礎(chǔ)之一，是指改變信號的采樣率，包括抽取和內(nèi)插兩種情況。 它充分利用了現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)及軟件技術(shù)，可以滿足未來移動用戶的“無縫”接入。 軟件無線電的核心思想是將寬帶模 /數(shù) (A/D)及數(shù) /模 (D/A)轉(zhuǎn)換器盡可能靠近射頻天線，并盡可能用軟件實現(xiàn)無線電功能。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由“軟件編程”來完成。 、 為了解決這一日趨凸現(xiàn)的狀況， 1992 年 MILTRE 公司的 Jeo Mitola 首次明確提出軟件無線電 (Software Radio)的概念 [1]。另外技術(shù)創(chuàng)新正在加速，無線通信設(shè)備制造商和電信運營商應(yīng)該隨技術(shù)的發(fā)展而不斷作出響應(yīng)，通過升級系統(tǒng)來集成新技術(shù)或者修正所發(fā)現(xiàn)的技術(shù)錯誤。 對于 綜合的全球無縫隙覆蓋要求無線電系統(tǒng)必須具有兩個基本特征，一個是跨地理區(qū)域的全球漫游和無縫隙覆蓋，例如要求支持在不同 的蜂窩標(biāo)準(zhǔn) (如 IS95和 GSM)之間進行切換的雙模手機 。有線因特網(wǎng)的迅速擴張導(dǎo)致無線因特網(wǎng)的需求，并要求其有更多的功能。在設(shè)計中，為了節(jié)省芯片資源和運算量，采用查找表的方式實現(xiàn)濾波器。 本論文主要研究基于 FPGA 的內(nèi)插器，希望通過 FPGA 的開發(fā)靈活性來實現(xiàn)內(nèi)插的功能。 四．畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容： 1 設(shè)計（論文）說明書（根據(jù)大綱要求） 2 設(shè)計（論文）圖紙 程序框圖，程序清單 五．畢業(yè)設(shè)計（論文）工作期限： 任務(wù)書發(fā)給日期 2020 年 11 月 21 日 設(shè)計（論文）工作自 2020 年 11 月 21 日 至 2020 年 6 月 10 日 設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師 孟利民 系主任 主管院長 V 基于 FPGA 技術(shù)的內(nèi)插器設(shè)計與實現(xiàn)