基于FPGA的数字下变频设计+文献综述(2)
软件无线电的概念是由J.Mitola于1992年在美国电信系统会议上首次提出的[ ]。软件无线电是构建开放式、标准化、模块化的通用硬件平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构[1]。其核心思想为：使数字化处理器件A/D和D/A尽可能的靠近天线，对天线接收的射频模拟信号尽可能早的进行数字化处理，将其转换成适合后续DSP处理的数据流。软件无线电通过软件的更新来代替硬件配置结构的变换，从而具有很强的灵活性和开放性。软件无线电的理想结构如图1.1所示。
图1.1 软件无线电的理想结构
软件无线电的理想结构要求A/D转换器直接对射频处理器输出的模拟信号进行数字化处理，这对A/D转换器的性能如工作带宽、转换速率等提出了很高的要求。然而根据奈奎斯特采样定律，射频低通采样频率至少是射频最高频率的两倍。对于高频信号，如当射频输出的模拟信号频率为2GHZ时，则需要4GHZ的低通采样频率，这样高采样率的A/D的很难实现。另外，由于A/D转换器的采样率就等于其数据输出速率，所以高采样率就使得数据传输速率很高，使后续的DSP处理速度很难满足要求。因此，在实际处理中，软件无线电通常采用如图1.2的结构形式。
图1.2 软件无线电的实际结构
图1.2中增加了模拟处理模块和数字下变频模块。模拟处理模块对射频处理模块输出的模拟信号进行模拟混频处理，使其下变频成中频模拟信号，降低了系统对A/D转换器的性能要求。数字下变频（DDC：Digital Down Converter）将输入的中频数字信号进行混频、低通滤波和速率变换等处理，使得中频数字信号变成基带信号，降低数据传输速率，从而降低了对DSP的处理速率要求。数字下变频在这里作为连接前端A/D及后端通用DSP之间的桥梁，是软件无线电的核心技术之一[ ]。
数字下变频的目的是通过数字混频进行频谱搬移去除载波频率得到基带信号，并通过抽取处理降低数据率。相对于模拟下变频而言，数字下变频克服了模拟混频器的非线性及模拟本振的频率稳定度、相位噪声、温度漂移和转换速率等性能指标较差的问题，并且提高了频率步进与频率间隔等性能指标。另外，数字下变频具有灵活多变性，可以通过编程来改变载波及数字滤波器的系数，使系统的适应性提高。
综上所述，数字下变频在得到基带信号的同时降低了数据率。它作为软件无线电的关键部分，在通信领域中被广泛的应用。
1.3 本文的主要工作
本文对数字下变频系统的相关理论基础，数字下变频的结构和性能以及数字控制振荡器、低通滤波器等数字下变频的重要组成模块的原理和实现算法进行了深入研究，并根据所设计的数字下变频系统框图，调用QuartusII IP核及采用Verilog HDL语言对系统各模块进行软件编程，设计实现了基于FPGA的数字下变频。本设计以90MHz的 A/D 采样频率，对中频频率为70MHz的信号进行了数字下变频处理。
本文共分4章，内容安排如下：
第1章为绪论，主要对软件无线电背景下的数字下变频技术进行了简要介绍，并对数字下变频的发展现状及本文的主要工作进行了概述。
第2章为数字下变频理论基础与结构分析，首先学习研究了数字下变频中所用到的信号正交分解理论、信号采样理论和多速率信号处理理论等理论基础，然后在此基础上，对数字下变频的结构和性能进行了分析。
第3章为数字下变频关键模块实现算法研究，主要对数字下变频中的关键组成模块NCO，FIR滤波器的原理和实现算法进行了分析和研究，重点介绍了CORDIC算法与DA算法。