基于FPGA的数字中频接收机设计与实现

摘要

随着软件无线电及雷达探测技术不断向前发展，数字中频接收机有了长足稳定的提高，其功能变得更加完善。在雷达通信及航空探测等领域，数字中频接收机的角色日益突出。在数字中频接收机向前发展的同时，现场可编程逻辑阵列FPGA所具有的高速处理、稳定等优势愈发明显，它为各种前沿电子技术提供了灵活稳定的硬件实现平台。
　　论文便是基于以上观点提出了论文的开展方向，即基于FPGA的数字中频接收机设计与实现。
　　论文首先通过对数字中频接收机的理论研究实现对相关理论知识的必要认识，主要体现对AD采样、利用数值计算算法实现数字本振NCO及运用FIR滤波器实现抽取滤波等进行认识与掌握。
　　其次，结合数字中频接收机相关理论，提出论文的设计方案:论文对模拟信号采用奈奎斯特采样，AD采样频率为80MHz，模拟信号为中心频率30MHz、信号带宽为2MHz及线性调频时间宽度为50us的信号;论文通过CORDIC算法设计实现NCO，CORDIC算法实时计算性强，不需占用大量内存单元，NCO频率为30MHz; FIR滤波器可以通过窗函数、频率采样法及切比雪夫逼近法实现，切比雪夫逼近法可以使得FIR滤波器带内纹波较好，论文采用切比雪夫逼近法设计FIR滤波器，FIR滤波器实现结构为多相滤波结构，通过FIR滤波器实现数据率4倍与8倍抽取，最终将信号的数据率转换为2.5MHz。
　　论文设计方案通过仿真编译软件论证并实现，仿真编译工具为Matlab、Quartus与Modelsim:依照设计要求，通过Matlab对论文所涉及数字滤波器进行设计并对数字下变频进行仿真分析以论证设计方案的可行性;在设计FPGA时，需要运用Modelsim与Quartus仿真编译软件，通过Quartus完成FPGA代码编写及时序仿真，FPGA的功能仿真依靠Modelsim实现。
　　论文设计方案最后通过软硬件成品展现，即论文通过软硬件设计得到数字中频接收机成品。通过对成品的测试分析及实际工程应用得出了论文设计的数字中频接收机能够满足设计要求，可以有效的应用到雷达数字中频接收机领域，论文的设计方案可被其它中频及射频应用合理参考借鉴。

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 论文主要工作安排

第二章 数字中频接收机理论介绍

2．1 AD介绍

2．1．1 奈奎斯特采样定理

2．1．2 AD采样性能指标介绍

2．2 信号合成方式介绍

2．2．1 直接数字合成

2．2．2 利用CORDIC算法实现信号合成

2．3 信号的整数倍抽取

2．4 滤波器介绍

2．4．1 CIC滤波器基本原理介绍

2．4．2 FIR滤波器基本原理介绍

2．4．3 线性相位FIR滤波器

2．4．4 抽取式FIR滤波器实现结构

2．4．5 切比雪夫最佳一致逼近法设计FIR滤波器

2．5 本章小结

第三章 数字中频接收机设计方案

3．1 AD采样设计方案

3．1．1 AD采样频率选择

3．1．2 AD芯片选择

3．2 NCO与混频器设计方案

3．3 抽取滤波器设计方案

3．3．1 抽取滤波器方案选择

3．3．2 两级FIR滤波器设计

3．4 基于Matlab的数字中频接收机仿真

3．4．1 NCO与混频器仿真

3．4．2 抽取滤波仿真

3．5 本章小结

第四章 FPGA设计

4．1 FPGA简介

4．2 FPGA芯片选择

4．2 ADC16DV160的FPGA设计

4．2．1 ADC16DV160可编程控制

4．2．2 AD数据解串设计

4．3 数字下变频的FPGA设计

4．3．1 NCO设计

4．3．2 数字混频器的FPGA设计

4．3．3 4倍抽取FIR滤波器的FPGA设计

4．3．4 8倍抽取FIR滤波器的FPGA设计

4．4 本章小结

第五章 电路图与测试结果

5．1 ADC16DV160电路原理图

5．2 FPGA芯片配置电路原理图

5．3 数字中频接收机PCB图

5．4 测试结果

5．5 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