【正文】 .......................................................................32圖 35 ISOP 補償濾波器模塊設(shè)計框圖 ...........................................................................................32圖 36 第一級 HB 濾波器設(shè)計框圖 ................................................................................................33圖 37 第一級 HB 濾波器的仿真圖 ................................................................................................34圖 38 第二級 HB 濾波器設(shè)計框圖 ................................................................................................35V圖 39 第二級 HB 濾波器的仿真圖 ................................................................................................36圖 310 FIR 濾波器設(shè)計框圖 ...........................................................................................................37圖 311 頂層框圖 ..............................................................................................................................38圖 312 原信號輸入時仿真圖 ..........................................................................................................39圖 313 測試信號輸入時仿真圖 ......................................................................................................39圖 41 實驗箱 ....................................................................................................................................41圖 42 原信號（低頻 2FSK 調(diào)制） ................................................................................................43圖 43 原信號頻譜圖（線性幅度） ................................................................................................43圖 44 測試信號波形 ........................................................................................................................44圖 45 測試信號頻譜（線性幅度） ................................................................................................44圖 46 輸出結(jié)果的波形 ....................................................................................................................45圖 47 輸出結(jié)果的頻譜（線性幅度） ............................................................................................46圖 48 未通過 FIR 濾波器時信號的波形 .......................................................................................46圖 49 未通過 FIR 濾波器時信號的頻譜（線性幅度） ...............................................................47圖 410 ISOP 濾波器后信號的波形 .................................................................................................47圖 411 ISOP 濾波器后信號的頻譜（線性幅度） .........................................................................48表列表 21 兩級半帶濾波器系數(shù) ............................................................................................................23表 22 FIR 濾波器系數(shù) .....................................................................................................................24浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文0第 1 章 緒論 課題的來源及背景軟件無線電思想是 20 世紀(jì) 90 年代以后逐漸興起的一種全新的設(shè)計思想。而無線個人通信系統(tǒng)的發(fā)展又使新系統(tǒng)層出不窮，產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短，原有的以硬件為主的無線通信體制難以適應(yīng)這一局面，軟件無線電的概念應(yīng)運而生。其電臺一般只能完成單一的功能，各種電臺之間結(jié)構(gòu)差異大，限制了互相之間的通信。而在民用市場，當(dāng)前多種通信體制并存，新體制不斷涌現(xiàn)。由于各體制硬件平臺不同，使得他們之間的互相通信比較困難，隨著無線通信的發(fā)展，使得人們對各通信體制之間互通的要求日趨強烈 [2]。根據(jù)其思想，軟件無線電直接在信號射頻進行采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，射頻以下其它的所有處理功能全部采用軟件模塊來實現(xiàn)。為了達到這一目的，抽取器應(yīng)運而生。在軟件無線電的實現(xiàn)時，如果按照 Nyquist 采樣定律，ADC 的抽取頻率要大于被采樣信號的最高頻率的兩倍以上，所得到的離散采樣值才能準(zhǔn)確的確定原信號。目前使用的通信信號多數(shù)都是帶通信號，其帶寬一般不會超過幾 MHz，對于帶通信號如按照帶通采樣定理，采樣速率不需要大于信號最高頻率的兩倍，用較低的采樣速率也可反映帶通信號的特點，當(dāng)帶通信號的采樣頻率 和中心頻率sf滿足 時（ 取能滿足 的最大整數(shù)， 為頻帶寬度） ，由0f??0421sfn??2sfB?B采樣信號可以準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號。對采樣后的數(shù)據(jù)進行處理就可以得到基帶信號，這也就是數(shù)字下變頻，抽取技術(shù)和采樣后數(shù)字下變頻技術(shù)是軟件無線電實現(xiàn)的基礎(chǔ)，對其進行研究并在硬件上加以實現(xiàn)有著十分重要的意義 [23,30]。而且其不僅在民用、軍用無線通信領(lǐng)域獲得應(yīng)用，在電子戰(zhàn)、雷達、信息化家電等領(lǐng)域也得到推廣，世界各國都在對其進行深入研究 [33]。在 1995 年，啟動了 Speakeasy 二期工程，1999 年更名為為冗貼(聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng))系統(tǒng)繼續(xù)進行開發(fā)研究。1996 年 11 月，美韓合資的 AIRCOM 公司在北京召開的國際通信展覽會上展出了它的軟件無線電基站。在亞洲方面，日本的 ARIB 于 1996 年就開始了軟件無線電接收機的研究，并己制作出樣機。NTT 開發(fā)了可以雙向和實時處理的軟件基站和終端。ETIR（EIecbonics Telem Mnications Research lnstjtute）正在研究可能實現(xiàn)IMT2020 功能的軟件無線電設(shè)備。 “九五” 期間，該技術(shù)己成功地在軍用單兵短波數(shù)字通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。我國研究開發(fā)的第二代同步軌道航天測控設(shè)備的方案中，其核心就是引入了軟件無線電技術(shù) [2]。它是唯一的一個國際性標(biāo)準(zhǔn)化組織，任務(wù)是促進軟件無線電的普及和制定故障標(biāo)準(zhǔn)，目前已有 100 個以上的團體加入了該組織，進行有關(guān)方面的研究。同年，ITUT 的 WP8F 小組也開始了有關(guān)軟件無線電的討論。論文所要完成的主要設(shè)計工作是實現(xiàn)一個基于 FPGA 技術(shù)的抽取器，實現(xiàn)的主要功能是對輸入的高速率數(shù)據(jù)在保留所需頻段的前提下，進行降低速率的操作（即抽?。?，輸出較低碼率的數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的數(shù)字信號處理。然后運用 MATLAB 設(shè)計抽取器結(jié)構(gòu)，如圖 11 所示，并計算其中各濾波器參數(shù)，然后進行仿真，以驗證理論，并為指導(dǎo)后續(xù)的 VHDL 設(shè)計做好準(zhǔn)備。在 Quartus II 上進行功能仿真和時序模擬后，將在浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文3FPGA 硬件平臺上調(diào)試，最后通過示波器和頻譜分析儀來檢驗最終成果。第 2 章對抽取器的基本理論和各種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)進行了介紹，并分析和設(shè)計了多種抽取濾波器，最后得到了本論文所要采用的抽取器結(jié)構(gòu)。然后通過程序模擬了整個抽取器結(jié)構(gòu)，得到信號通過抽取器前后的波形以及頻譜的仿真。討論了各模塊的具體實現(xiàn)細節(jié)，以及其中各種出現(xiàn)的問題和解決方案。第 4 章進行了最終的硬件調(diào)試，使用示波器與頻譜分析儀，檢驗了本論文所設(shè)計的抽取器的性能，證明了 FPGA 技術(shù)應(yīng)用于抽取器的可行性和靈活性。 本章小結(jié)本章介紹了課題的來源與背景，并在目前發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，給出了本設(shè)計的目標(biāo)，最后介紹了全文的內(nèi)容結(jié)構(gòu)。 抽取的基本原理將抽樣序列 的速率降低 D 倍的過程稱為抽取，在抽取過程中，為了避??Xn免產(chǎn)生頻譜混疊，需要對原序列進行低通濾波。X ??Yn ??Wn??n低通濾波抽樣速率降低 D 倍圖 21 抽取器 整數(shù)倍抽取在信號的采樣數(shù)據(jù)中每 D 個抽取一個，當(dāng) D 為整數(shù)時，稱為整數(shù)倍抽取，其中 D 為抽取因子。具體程序可用一個循環(huán)來實現(xiàn)：浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文5For i=1:length(BeforeD)/DAfterD(i)=BeforeD(i*D)。經(jīng)過抽取后，時域上的信號變化如圖 22 所示。抽取序列的頻譜信號 為抽取??jDXe?前原始序列的頻譜 經(jīng)平移和 D 倍展寬后的 D 個頻譜的疊加和，如圖 23??jXe?所示。這樣，就必須先對信號進行低通濾波。浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文6??jDXe???jXe???jDe???2?? 2?02?? 2?0圖 23 抽取前后的頻譜結(jié)構(gòu)（混疊） ????jXe?jH???jXe??/D??/?jD?2?? 2?0 圖 24 抽取前后的頻譜結(jié)構(gòu)（無混疊）在實際實現(xiàn)時，先用一組數(shù)字濾波器（帶寬為 ）對 進行濾波，D???jXe?使 中含有小于 的頻率分量，再進行 D 倍抽取，而抽取后的頻譜就不??jXe?D?會發(fā)生混疊。所以，對 進行處理等??jXe?D? ??jDXe?同于對 進行處理，但前者的數(shù)據(jù)速率只有后者的 ，大大降低了對后續(xù)j 1處理的速度要求。對于抽取因子為有理數(shù)因子的情況，可以采用先進行 I 被內(nèi)插再進行 D 倍抽取來實現(xiàn) [34,35]。鑒于其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)基于整數(shù)倍抽取，為了簡化問題，以及更好專注于抽取器的FPGA 實現(xiàn)，本論文將主要關(guān)注于整數(shù)倍抽取的研究。在這一節(jié)，我們將介紹并討論幾種常見的數(shù)字濾波器 [14,15]。這兩種濾波器之間最大的區(qū)別是IIR 濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含反饋回路，而 FIR 濾波器中只有前向支路，沒有反饋回路。如上所述，F(xiàn)IR 濾波器的沖激響應(yīng)函數(shù) 為有限個值，即滿足：??hn浙江工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文8（24）12()0,hnNn???及式中， 為有限值，即 只在有限范圍 不為零，實際12,N??1??中通常取 ，所以對 FIR 濾波器有：0?（25）10()()Nkynhxnk???FIR 濾波器的頻率響應(yīng)可表示為：（26）10()()Nj jkkHehe????而所謂的濾波器設(shè)計，實際上就是在給定 或其某些特征參數(shù)的條件下，j求出沖激響應(yīng) 。而且其設(shè)計已經(jīng)有了許多成熟的算法，如最佳等波紋逼近法、窗函數(shù)法以及頻率采樣法等。而對于各種窗口的特性在這里就不再重復(fù)累贅地介紹了，本設(shè)()h計選用的窗口為凱塞貝塞爾窗（KaiserBasel Window） [5,6,7]：（27）??0,1kInnN??????式中（28）21n?????????為零階第一類修正貝塞爾函數(shù)，可用下面級數(shù)計算：??0Ix（29）??2020!kkxIx??????????一般 取 1525 項，便可以滿足精