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无线电数字上变频算法研究

作　者: 徐小峰
导　师: 唐治德
学　校: 重庆大学
专　业: 电气工程
关键词: 软件无线电数字上变频积分梳状滤波器坐标旋转数字计算算法
分类号: TN92
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 278次
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内容摘要

无线通信在现代通信中被广泛应用于商业、军事、民用等领域。现代通信系统中存在着很多不同标准,诸如调制方式、工作频段、通信协议都不同。这种差异限制了各种通信系统之间的互联互通。同时,随着无线通信的发展,新的通信系统不断出现,使得原来以硬件为主的收发系统难以适应这种快速升级换代的局面。软件无线电理论应运而生。软件无线电的发展使得各种旧通信体制兼容及无线通信产品快速更新换代成为可能,同时软件无线电理论也可应用于各种非无线通信领域,例如有线电视网络。无线通信的调制方式很多,诸如AM、FM、BPSK、QPSK、MPSK、QAM等,为了实现软件无线电的思想,要求设计一种通用的调制方法,而根据正交变换理论,这是可能的。基于这一点,可以提出一种基于正交变换的通用调制模型。数字上变频是软件无线电发射机的基础,是实现把基带信号搬移到更高频率的过程。本文设计了一种基于CORDIC算法的数字上变频器,能实现各种基本的调制方式。正交上变频的一个重要部分是低通滤波器。为了实现基带信号和载波信号的配合,需要对基带信号进行内插。因此设计了一种级联积分梳妆滤波器,来实现基带信号内插滤波,满足了乃奎斯特采样理论。另一个重要部件是数控振荡器,数控振荡器是用来产生正交载频的。本文仔细分析了基于查找表结构的直接频率合成技术,可知这种结构最大的缺陷就是需要一个ROM表来存储正弦函数值,这个ROM的规模是和所需的精度成指数关系增长的。因此当要求较高精度的时候,所需的ROM表的资源是比较大的。因此我们采用了一种CORDIC计算的方法来实现数控振荡器。CORDIC算法能够实现高精度的正弦函数,同时不会大规模的提高资源需求。然而CORDIC算法也有一定的缺陷,第一它不能覆盖0~2π的角度范围,第二是速度受限。因此本文主要对这两点进行改进。通过把输入角度限制在0~π/4,然后根据三角函数的特性可以恢复出在此范围外角度的值,解决了第一个问题。对于第二个问题,通过数学推导得出一种提前计算旋转方向方法,这样能够节省每次计算旋转方向的时间。同时可以证明最后几级可以合为一级,这样可以减少流水线的级数,改进了流水线的结构,节省了资源,同时节约了时间。最后,将以上的方案在FPGA进行设计,实现并进行仿真。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
1 绪论  11-15
  1.1 软件无线电技术的产生及发展现状  11-12
  1.2 软件无线电的结构和特点  12-13
  1.3 软件无线电的关键技术  13
  1.4 本文研究的主要内容及结构  13-15
2 软件无线电的理论基础及FPGA 技术  15-30
  2.1 软件无线电采样理论  15-17
    2.1.1 基本采样定理—Nyquist 采样定理  15-16
    2.1.2 带通采样  16-17
  2.2 多速率信号处理  17-27
    2.2.1 整数倍内插(Interpolation)  17-19
    2.2.2 整数倍抽取(Decimation)  19-22
    2.2.3 任意倍数的信号重采样(Resample)  22
    2.2.4 内插和抽取的滤波器实现  22-24
    2.2.5 积分梳状滤波器和半带滤波器  24-27
  2.3 FPGA 在软件无线电中的应用  27-29
  2.4 小结  29-30
3 软件无线电通用调制算法  30-38
  3.1 数字信号正交变换理论  30-31
  3.2 软件无线电中的调制通用模型  31-34
    3.2.1 振幅键控(MASK)  32
    3.2.2 多进制频移键控（MFSK）  32
    3.2.3 多进制相移键控（MPSK）信号  32-33
    3.2.4 正交振幅调制（QAM）  33-34
  3.3 软件无线电中的通用解调算法  34-37
    3.3.1 MASK 信号的解调  35-36
    3.3.2 MFSK 信号的解调  36-37
    3.3.3 MSK 信号的解调  37
  3.4 小结  37-38
4 数字正交上变频CIC 滤波器的实现与仿真  38-42
  4.1 CIC 滤波器算法分析  38-40
  4.2 CIC 滤波器FPGA 实现  40-41
  4.3 小结  41-42
5 基于CORDOIC 算法的数字正交上变频器的实现  42-72
  5.1 正交数字载波的实现  42-43
    5.1.1 Taylor 级数近似算法  42
    5.1.2 查找表法  42-43
    5.1.3 CORDIC 算法  43
  5.2 CORDIC 算法概述与发展动向  43-45
  5.3 CORDIC 算法原理  45-47
  5.4 CORDIC 算法的改进  47-64
    5.4.1 CORDIC 算法用于NCO 相位幅度转换的优点及其局限性  47-49
    5.4.2 CORDIC 算法相关公式推导  49-53
    5.4.3 CORDIC 算法的改进  53-62
    5.4.4 流水线实现迭代过程  62-64
  5.5 改进CORDIC 算法仿真与分析  64-71
    5.5.1 相位累加器  64-66
    5.5.2 输入相位的预处理  66-67
    5.5.3 象限转换单元  67-68
    5.5.4 改进CORDIC 算法单元实现与仿真  68-70
    5.5.5 改进CORDIC 算法实现NCO  70-71
  5.6 小结  71-72
6 总结与展望  72-73
  6.1 主要结论  72
  6.2 后续工作展望  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-77
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  77-79

无线电数字上变频算法研究

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