【正文】 .... 29 附錄 ........................................................ 30 致謝 ........................................................ 44 浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 第一章 緒論 課題研究的 背景與 意義 隨著新的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的不斷發(fā)布，無(wú)線通信正在以迅猛的速度進(jìn)行發(fā)展。人們期待經(jīng)得起考驗(yàn)的并且能夠兼容的無(wú)線電系統(tǒng)出現(xiàn)，要求系統(tǒng)中的軟件和硬件在隨著新標(biāo)準(zhǔn)的逐漸推廣應(yīng)用而不被放棄，這使得構(gòu)建先進(jìn)的無(wú)線因特網(wǎng)面臨巨大的挑戰(zhàn)。一個(gè)是實(shí)現(xiàn)與不同的系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)之間的接口，要求有與其他業(yè)務(wù)的接口能力 (如藍(lán)牙或者 網(wǎng)絡(luò) )，從而保證在確定的位置提供無(wú)縫隙覆蓋。制造商和運(yùn)營(yíng)商們不希望反復(fù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@樣成本很高，浪費(fèi)時(shí)間，而且這樣對(duì)最終的用戶也帶來(lái)不便，所以人們開始考慮經(jīng)得起考驗(yàn)的無(wú)線電系統(tǒng)。所謂軟件無(wú)線電，就是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用平臺(tái)上，利用“軟件定義”來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各部分功能 :包括前端接收、中頻處理以及信號(hào)的基帶處理等等。隨著數(shù)字技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)等通用可編程器件的運(yùn)算能力成倍提高，而價(jià)格卻顯著下降，現(xiàn)代無(wú)線電系統(tǒng)越來(lái)越多的功能可以由軟件實(shí)現(xiàn)，這是軟件無(wú)線 電產(chǎn)生的必要條件。 它的硬件平臺(tái)應(yīng)具有開放性和通用性，軟件可升級(jí)和替換，突破了通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、更新、換代一直圍繞硬件進(jìn)行的局限，既節(jié)省硬件投資，又能縮短開發(fā)研制周期 ?？傊?，軟件無(wú)線電是一種基于數(shù)字信號(hào)處理芯片，以軟件為核心的嶄新的無(wú)線通信體系結(jié)構(gòu)，是未來(lái)通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。 其中 使采樣率升高的采樣率轉(zhuǎn)換，稱為內(nèi)插。 均勻采樣信號(hào)的插值法是數(shù)字信號(hào)處理中的一個(gè)重要方面，它有多種應(yīng)用，比如信號(hào)和圖象的重建，高速數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)字定時(shí)糾錯(cuò)，分?jǐn)?shù)遲延濾波器設(shè)計(jì)等等。在信號(hào)接收端，通過(guò)內(nèi)插可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的定時(shí)調(diào)整，使接 收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)能保持同步，減少信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的誤碼率 。 自二十世紀(jì)八十年代美國(guó)為軍用通信技術(shù)開始研究開發(fā)軟件 SR 技術(shù)以來(lái)，軟件無(wú)線電技術(shù)進(jìn)展迅速。國(guó)外與軟件無(wú)線電有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)也如雨后春筍般層出不窮，許多機(jī)構(gòu)己經(jīng)聲名遠(yuǎn)揚(yáng)， 如在美國(guó)有： （ 1） MMITS (Modular Multifunction Information transfer System), 1999 年更名為 SDR (Software Defined Radio),該組織致力于研究開發(fā)和采用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)構(gòu)建無(wú)線系統(tǒng)所必需 的開放結(jié)構(gòu)，并使其推廣應(yīng)用。 （ 3） PMCS (Programmable Modular Communication System),該組織主要從事研究加速在防衛(wèi)無(wú)線電臺(tái)上引入可編程通信系統(tǒng)的程序。 （ 2） ACTS (Advanced Communication Technologiesamp。 （ 3） FIRST (Flexible Integrated Radio System Technology)，一個(gè)研制用于IMT2020 的通用終端所必需的軟件無(wú)線電技術(shù)的歐洲團(tuán)體 。這些機(jī)構(gòu)對(duì)軟件無(wú)線電技術(shù)的研究發(fā)展特別是軟件無(wú)線電中抽樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)展都做出了重大的貢獻(xiàn)。 在國(guó)內(nèi)，提出采樣定 理和 A/D 前端的抗混疊模擬濾波器的可實(shí)現(xiàn)性決定了采樣率的過(guò)高，后續(xù)的 DSP 很難適應(yīng)如此大的運(yùn)算要求，這要求對(duì)采樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行研究，以尋求一種實(shí)現(xiàn)高性能軟件無(wú)線電系統(tǒng)的折衷方案。 Mitola 就己經(jīng)開始注意到速率轉(zhuǎn)換對(duì)實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的關(guān)鍵作用。在國(guó)內(nèi)，也有許多專家學(xué)者投身于浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 抽樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究，如拉賓德 .旱在 1988 年就對(duì)多抽樣率轉(zhuǎn)換技術(shù) 基 礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究，并著成了《多抽樣率信號(hào)處理》一書，書中對(duì)高效的多相結(jié)構(gòu)濾波器的原理與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討 。另一方面，軟件無(wú)線電中的核心部件 DSP 的處理能力在短短的 5 年時(shí)問(wèn)里提高了差不多 100 倍。這些技術(shù)的進(jìn)展，都為抽樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展提供了良好的條件 。 ，美國(guó)和歐洲一些國(guó)家走在了前而，而國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究比較起來(lái)相對(duì)貧乏，此方向上的專利幾乎沒(méi)有 ，期刊上的文獻(xiàn)也非常少見，說(shuō)明我國(guó)科研人員對(duì)軟件無(wú)線電技術(shù)尤其是軟件無(wú)線電上的抽樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)的重視程度還存在這一定的差距。 墓于這兩點(diǎn)考慮，使得本課題的研究更有現(xiàn)實(shí)意義。 本文主要介紹了軟件無(wú)線電的基本原理 、發(fā)展概況以及多速率信號(hào)處理中內(nèi)插理論的一些基礎(chǔ)知識(shí)，并對(duì) CIC 濾波器和 FIR 濾波器的基本原理進(jìn)行闡述 ；在設(shè)計(jì)中使用的 MATLAB 進(jìn)行理論仿真， 然后 在 QuartusⅡ軟件上 進(jìn)行 VHDL 語(yǔ)言編寫和仿真 。在設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省芯片資源和運(yùn)算量，采用查找表的方式實(shí)現(xiàn)濾波器。 圖 內(nèi)插器結(jié)構(gòu)框圖 本文的具體結(jié)構(gòu)安排為： 第一 章為緒論，介紹本次論文課題的研究意義、背景，本課題相關(guān)研究領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況與應(yīng)用及論文研究?jī)?nèi)容、框架 內(nèi)插零 模塊 FIR 濾波器 CIC 濾波器 數(shù)字信號(hào)源產(chǎn)生 內(nèi)插器 浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 第二章主要 介紹軟件無(wú)線電的基本概念以及多速率信號(hào)處理中內(nèi)插理論的一些基礎(chǔ)知識(shí)，并對(duì) CIC 濾波器和 FIR 濾波器的基本原理進(jìn)行闡述。 第四章將介紹所研究的基于 FPGA 的內(nèi)插器的設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)方法。 浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 第二章 軟件無(wú)線電中內(nèi)插濾波器的基本原理 內(nèi)插理論 整數(shù) 倍內(nèi)插 整數(shù)倍內(nèi)插是在已知序列 x(n)的相鄰 2采樣點(diǎn)之間等間距的插入 I1個(gè) 0值點(diǎn)，I 為大于 1 的整數(shù)，稱為內(nèi)插因子。 [] 圖 21 I 倍內(nèi)插器 設(shè)輸入原始抽樣序列為 x(n)，輸出內(nèi)插后的序列為 xI(n)，則輸入輸出的關(guān)系為 { ,2,0)/(,0)( ?IInInx nI nx ???? ，為其他 (21) 其頻域關(guān)系為 )()( IjjI eXeX ?? ? (22) 式 （ 22）可以看出 )( ?jI eX 是對(duì) )( ?jeX 的 I 倍壓縮，即內(nèi)插后頻譜的周期變?yōu)樵瓉?lái)的 1/I，如圖 所示，因此在數(shù)字頻率軸上， 2π范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生重復(fù)的波形，我們稱之為鏡像。原來(lái)插人的零值點(diǎn)變?yōu)?x(n)的準(zhǔn)確內(nèi)插值，經(jīng)過(guò)內(nèi)插大大提高了時(shí)域分辨率。 浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 圖 22 內(nèi)插過(guò)程 分?jǐn)?shù)倍采樣率轉(zhuǎn)換 單獨(dú)的抽取器和內(nèi)插器只能實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍的采樣率轉(zhuǎn)換，將抽取器和內(nèi)插器級(jí)聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)倍的采樣率變換 [3]。系統(tǒng)框圖如圖 23 所示，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) I/D 倍的采樣率轉(zhuǎn)換，其中的濾波器為具有抗混疊濾波和濾除鏡像作用的低通濾波器。 浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 圖 23 分?jǐn)?shù)倍采樣率轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)框圖 抽取內(nèi)插器的實(shí)時(shí)處理結(jié)構(gòu) —— 多相濾波結(jié)構(gòu) 當(dāng)處理多級(jí)系統(tǒng)的信號(hào)時(shí)，經(jīng)常 要 重新安排濾波器和向下采樣 /擴(kuò)展器，這 時(shí)Noble 恒等式 是 非常有用的。 內(nèi)插模型對(duì)運(yùn)算速度的要求都是相當(dāng) 高的，因?yàn)?內(nèi)插器 的 低通濾波器 h(n)位于內(nèi)插算子之后， 其 低通濾波是在 數(shù)據(jù)速率提高 之后進(jìn)行的，即內(nèi)插器抗混疊數(shù)字濾波在高抽樣率條件下進(jìn)行，這必然需要很大的運(yùn)算量，大大提高了對(duì) DSP 芯片的運(yùn)算速度的要求，對(duì)實(shí)時(shí)處理是極其不利的。這是一種高效濾波結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)充分利用濾波器的多相分解形式，使運(yùn)算速度得到提高。每一個(gè)輸入數(shù)據(jù)可以同時(shí)通過(guò)階數(shù)低的分支濾波器，運(yùn)算速度得到了提高，同時(shí)，由內(nèi)插器的對(duì)等關(guān)系，圖 24(a)轉(zhuǎn)換為圖 24(b)，這樣濾波是在采樣速率提高之前進(jìn)行的，運(yùn)算速度得到了進(jìn)一步的提高，大大增強(qiáng)了實(shí)時(shí)處理能力 . 圖 24(b)這種先濾波再內(nèi)插的多相結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，被廣泛采用 . 浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 （ a）先內(nèi)插后濾波的結(jié)構(gòu) （ b）先濾波后內(nèi)插的結(jié)構(gòu) 圖 24 內(nèi)插器的多相濾波結(jié)構(gòu) 用 MATLAB 進(jìn)行 內(nèi)插器的多相濾波結(jié)構(gòu) 仿真 ，如圖 25 所示，其中內(nèi)插系數(shù)I=5 圖 25 內(nèi)插器的多相濾波結(jié)構(gòu) 仿真（ I=5） 濾波器 FIR(Finite Impulse Response)濾波器 是有限沖激響應(yīng) 濾波器，設(shè)數(shù)字濾波器的輸入為 x(n)，輸出為 y(n)，沖擊響應(yīng)為 h(n)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ????? ?? k knxkhny )()()( (25) 濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)主要是選擇有限長(zhǎng)度的 h(n)，盡可能逼近傳輸函數(shù) H。 窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的基本原理 [4]是：從所要求的理想濾波器的 頻率響應(yīng) Hd(ejω )出發(fā)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換導(dǎo)出 hd(n)。 6 種窗函數(shù)的基本參數(shù)如表 所示。 設(shè)待求濾波器的過(guò)渡帶用△ ω表示，它近似等于窗函數(shù)主瓣寬度。因此， CIC 濾波器在實(shí)現(xiàn)內(nèi)插時(shí)一般被設(shè)計(jì)在最后一級(jí)。 CIC 濾波器是數(shù)據(jù)通訊中的常用模塊，一般用于數(shù)字下變頻（ DDC）和數(shù)字上變頻（ DUC）系統(tǒng)，隨著數(shù)據(jù)傳輸率的增加，級(jí)聯(lián)梳狀濾波器（ CIC）的應(yīng)用變得尤為重要。 [5 ,15]每個(gè)積分器都是單 極點(diǎn)的 IIR 濾波器，并且反饋系數(shù)為 1，狀態(tài)方程為： ? ? ? ? ? ?nxnyny ??? 1 (28) 積分器也可以看成是累加器，根據(jù) Z 變換，其傳輸函數(shù)表示為 NI zzH )1 1()( 1??? (29) 積分部分的結(jié)構(gòu)如圖 27 所示 圖 27 基本積分單元 梳狀濾波器是對(duì)稱的 FIR 濾波器，其狀態(tài)方程為： ? ? ? ? ? ?RMnxnxny ??? (210) 其中設(shè)計(jì)參數(shù) M 是微分延時(shí) ，可以是任何整數(shù)，通常取 1 或 2。其傳輸函數(shù)表達(dá)式為： NRMC zzH )1()( ??? (211) 梳狀濾波部分的結(jié)構(gòu)如圖 28 所示 圖 28 基本梳狀濾波器單元 由公式 (29)、 (211)可知， 整個(gè)濾波器的傳輸函數(shù)為 NRMkkNRMNIN zzzzHzHzHC ??????????? ? ????? 101 )11()()()( (212) 其中， N 為級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù) 從方程 (212)可以看到，盡管 CIC 濾波器中包括屬于 IIR 濾波器的積分部分，但浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 CIC 濾波器相當(dāng) 于一個(gè)有矩形脈沖相應(yīng)的 N 階 FIR 濾波器。濾波器輸出端的幅度相應(yīng)為 NRfMffH??sinsin)( ? (213) 當(dāng) x 非常小時(shí)，可以將 sin(x)≈ x,在內(nèi)插系數(shù) R 很大時(shí) ,方程可近似為 MfMfMfRMfHN 10,s in)( ???? ? (214) 從上面的公式中可以看出，只有幾個(gè)參數(shù)于傳遞函數(shù)有關(guān)。如果我們定義可用通帶的截止為 fc，那么存在混疊 /鏡像的區(qū)域在 )()( cc fiffi ???? (212) 其中 , 1, 2.. .22MRfi ???? ????。 在 CIC 濾波器中， 還必須注意到 帶通衰減是階數(shù)的函數(shù)，當(dāng)階數(shù)增加使得鏡像被濾波的同時(shí)，通帶衰減也增加了 ，一般來(lái)說(shuō)， CIC 濾波器的 階數(shù) 不大于 5，因此， 在設(shè)計(jì)中我們選擇 階數(shù) N=4。 CIC 內(nèi)插濾波器由 N 級(jí)梳狀濾波器，實(shí)現(xiàn)插零功能的內(nèi)插器和 N 級(jí)積分器級(jí)聯(lián)而成。 [12,13,15] 圖 29 4 階 CIC 內(nèi)插濾波器 對(duì)于一個(gè) CIC 內(nèi)插濾波器，第 i 階的增益 G 為 [6] NNiNiRRMG NiiNii 2,...1,...,2,1)(222 ????????? ?? (213) 運(yùn)算時(shí)第 i 階的寄存器寬度 ? ?iini GBW 2log?? 1??? NBW inN (214) C C C C R I I I I 浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 如果 M=1，除了在結(jié)果中，四舍五入或者截短不適用于插值，因?yàn)樗纳嵛迦牖蚪囟處?lái)的小誤差在積分部分會(huì)被無(wú)限制增大。對(duì)于插值來(lái)說(shuō)，梳狀濾波級(jí)和插零部分能防止積分溢出。 [8,18]它計(jì)算效率高，適時(shí)性強(qiáng)。 [1] （ 1） SP ??? ?? ，其中ω P、ω S為通帶上限截止頻率和阻帶下限截止頻率。 （ 2） ??? ?? PS ，即通帶紋波和阻帶紋波相等。 （ 3） )(1)( )( ??? ??? ii eHeH （ 4） )( 2/ ??jeH ，半帶濾波器的通帶截頻和阻帶截頻關(guān)于π /2 對(duì)稱 ,且在π /2 處幅值衰減為 1/2 （ 5）??? ????? ??,