基于FPGA的UWB信号捕获方案中的FFT算法实现

摘要

近几年来UWB技术已成为无线通信领域最热门的研究课题之一，同时也成为短距离高速无线通信协议标准争论的焦点。UWB信号的捕获与同步更是UWB系统中最为重要的部分之一，因此成为研究的热点。
　　本文依托于国家自然科学基金重点项目“超宽带高速无线接入理论及关键技术”。由于UWB信号捕获的传统相关方法在FPGA中运算时间太长，并且对于高速的UWB信号，具有很大的时间不确定性，还有如此苛刻的捕获时间要求，所以有必要寻求一种更加有效的搜索算法。本文针对上述的不足提出了基于固定几何结构FFT(TheFastFourierTransform)的UWB脉冲信号捕获算法的设计，并将其在FPGA中实现。
　　本文的研究内容主要包括以下几个方面：
　　(1)介绍UWB技术的基本原理，分析UWB信道对捕获算法设计的影响。
　　(2)对基于快速傅立叶变换(FFT)的UWB信号相关捕获算法进行设计，
　　讨论离散傅里叶变换算法及基2按时域抽取(DecimationInTime)的FFT算法，并且详细地介绍本文所要实现的基2固定几何结构的FFT算法的基本原理。
　　(3)基于基2固定几何结构的FFT算法的基本原理提出了其高速流水线工作方式的实现方案，给出其MATLAB仿真过程及与传统FFT算法和MATLAB中的FFT函数仿真结果的比较。
　　(4)对256点流水线工作方式固定几何结构的FFT算法在FPGA上进行设计，给出了包括整体实现电路以及主要模块电路详细设计过程，并通过波形仿真验证其功能,将仿真结果和MATLAB仿真结果进行比较，验证了设计方案的正确性及可行性。

目录

基于FPGA的UWB信号捕获方案中的FFT算法实现

IMPLEMENTATION OF FFT ALGORITHM FOR UWB SIGNAL ACQUISITION BASED ON FPGA

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 本课题研究的目的及意义

1.3 国内外相关技术发展现状

1.3.1 国内外UWB通信技术发展状况

1.3.2 UWB捕获与同步技术的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 UWB系统概述

2.1 UWB基本概念

2.1.1 UWB定义

2.1.2 UWB系统结构

2.2 UWB信号特性

2.2.1 UWB信号形式

2.2.2 UWB信号的特点

2.2.3 UWB信号的功率谱密度

2.3 UWB多址与调制方式

2.3.1 TH-PPM调制

2.3.2 OOC-PPM调制

2.3.3 TH-PSK调制

2.3.4 DS-PSK调制

2.3.5 TH-PAM调制

2.3.6 DS-PAM调制

2.4 UWB信道模型及其对捕获算法的影响

2.4.1 常用信道模型简介

2.4.2 信道模型对捕获算法设计的影响

2.5 本章小结

第3章 UWB信号捕获算法设计

3.1 UWB脉冲信号捕获与同步的思想

3.2 基于FFT的UWB信号捕获技术

3.2.1 UWB脉冲信号滑动相关捕获算法的不足

3.2.2 基于FFT的UWB脉冲信号捕获的优点及原理

3.3 快速傅立叶变换的基本原理

3.3.1 快速傅里叶变换

3.3.2 基2按时域抽取算法

3.3.3 FFT的运算规律

3.4 UWB信号捕获方案中所使用的FFT算法

3.5 本章小结

第4章 UWB信号捕获算法的FFT实现方案

4.1 捕获方案中FFT的流水线结构的设计

4.2 捕获方案中256点固定几何结构FFT的设计

4.3 捕获方案中256点固定几何结构FFT的MATLAB仿真

4.4 本章小结

第5章 UWB信号捕获算法的FPGA设计

5.1 捕获方案中256点固定几何结构FFT的系统结构

5.2 捕获方案中256点固定几何结构FFT的功能模块设计

5.2.1 蝶形运算单元的设计

5.2.3 数据存储单元的设计

5.2.4 旋转因子存储单元的设计

5.2.5 控制信号产生单元的设计

5.2.6 倒序单元的设计

5.3 捕获方案中256点固定几何结构FFT整体实现及仿真

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致 谢