基于多通道信号合成和新型滤波器组合的数字收发机设计

摘要

伴随着科技的迅猛发展，人类在雷达探测方面取得了令人瞩目的成果。芯片性能和制作工艺的提高，进一步使得数字收发机获得了更加广泛深入的应用，向着高性能、多用途、小体积和低功耗高速发展，功能日益完善，在雷达通讯及探测范畴内，数字收发机饰演的角色愈发重要。DDS(Direct Digital Synthesizer)技术具有的价格低廉、所耗功耗低、精度高和转换快速等优点及FPGA(Field Programmable Gate Array)所具有的高速处理、便于实现和运行平稳等优势越发明显，它们为各种前沿电子技术的实现提供了可靠稳定的硬件平台。基于以上论点展开论文，即基于多通道信号合成和新型滤波器组合的数字收发机设计。
　　首先，论文设计对数字收发机所涉及的相关理论进行详细的学习，理论主要包括信号产生、信号模数转换、数字混频和抽取降速等。
　　其次，根据具体的雷达性能指标进行论文方案设计并对主要器件进行选型。某型气象雷达要求具有至少6km以及最远75km的探测距离，要求动态达到90dB，在具有良好的探测性能的同时，还要兼顾模块化和低功耗特点。依据雷达的性能要求，为做到有效的补盲处理以及高效的信号识别，解决传统数字收发机因为单通道发送多路信号导致的分辨率和抗干扰性能低下这个问题，论文设计数字收发机产生三路相互独立的不同时长和频率的信号，分别经过滤波后合成一路交由模拟上变频处理，收发机数字下变频部分为满足雷达90dB的动态要求，论文设计采用采样精度为16位的芯片对接收到的信号进行模数转换。为做到低功耗模块化，降低占用系统资源，数字下变频部分的抽取降速模块选择采用新型的滤波器组合，将CIC滤波器与Invsinc滤波器进行级联，对高速率信号进行降速抽取处理，最后得到相位正交的IQ信号。
　　再次，对论文设计方案进行理论可行性仿真与FPGA代码仿真，验证论文设计方案能否实现数字收发机的整体功能和成功产生雷达系统需要的信号并对雷达反射回波成功进行数字下变频处理以及对信号进行还原，验证设计方案性能能否满足雷达动态性能要求。论文设计所用仿真工具分别为MATLAB2012b和QuartusⅡ13.0以及Modelsim-Altera。
　　论文的最后，通过对所用到的芯片进行电路设计，并将印制板交付生产得到硬件实物成品。对模块进行供电，使用频谱仪观察数字收发机是否成功产生信号并对接收到的信号成功进行还原。通过严谨的理论学习、代码设计以及测试，最终得出论文设计方案完全符合预期，可以交付并被实际工程应用，以及被其他相关设计合理借鉴。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．3 论文主要工作及安排

第二章 数字收发机相关理论介绍

2．1 采样定理

2．1．1 低通采样定理(奈奎斯特采样定理)

2．1．2 带通采样定理

2．1．3 AD采样性能

2．2 直接数字频率合成DDS

2．3 信号的整数倍抽取

2．4 CORDIC算法

2．5 CIC滤波器

2．6 FIR滤波器

2．6．1 窗函数法设计FIR滤波器

2．6．2 频率采样法设计FIR滤波器

2．6．3 切比雪夫等波纹逼近法设计FIR滤波器

2．7 本章小结

第三章 数字收发机原理设计及MATLAB仿真

3．1 DDS设计方案

3．1．1 DDS芯片选择

3．1．2 基于MATLAB的DDS仿真

3．2 数字下变频AD采样设计方案

3．2．1 AD采样频率选择

3．2．2 AD采样芯片选择

3．3数字下变频NCO及混频器方案设计

3．3．1 NCO方案选择

3．3．2 NCO及混频模块的仿真

3．4 数字下变频两级抽取降速滤波器方案设计

3．4．1 抽取方案设计

3．4．2 两级滤波器设计

3．4．3 抽取降速滤波模块的MATLAB仿真

3．5 数字接收模块仿真

3．6 、本章小结

第四章 数字收发机FPGA方案设计及时序仿真

4．1 FPGA简介

4．2 FPGA芯片选择

4．3 AD9959的FPGA逻辑控制

4．4 采样芯片ADS42LB69的FPGA可编程控制

4．5 数字下变频的FPGA设计

4．5．1 对AD输出的解串处理

4．5．2 NCO的FPGA实现

4．5．3 数字混频器的FPGA实现

4．5．4 CIC滤波器的FPGA设计

4．5．5 Invsinc滤波器的FPGA设计

4．6 本章小结

第五章 电路板设计及实物测试结果

5．1 DDS芯片AD9959电路设计

5．2 AD器件电路设计

5．3 FPGA芯片EP4SGX230电路设计

5．4 PCB板图设计

5．5 实物测试结果

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文