第四講軟件無線電的數(shù)字前端的實現(xiàn)

1、第四講第四講軟件無線電的數(shù)字前端的實現(xiàn)軟件無線電的數(shù)字前端的實現(xiàn)崔琳莉崔琳莉主要內(nèi)容主要內(nèi)容n數(shù)字上數(shù)字上/下變頻基礎(chǔ)實驗下變頻基礎(chǔ)實驗n數(shù)字上數(shù)字上/下變頻基礎(chǔ)驗證實驗下變頻基礎(chǔ)驗證實驗，觀察并記錄，觀察并記錄上上/下變頻后信號時域和頻域波形的變化；下變頻后信號時域和頻域波形的變化；n數(shù)字上數(shù)字上/下變頻擴展實驗下變頻擴展實驗：編寫：編寫VHDL程序程序，完成基于，完成基于FPGA的數(shù)字上的數(shù)字上/下變頻實驗。下變頻實驗。 數(shù)字上數(shù)字上/ /下變頻基礎(chǔ)實驗下變頻基礎(chǔ)實驗n項目需用儀器設(shè)備：項目需用儀器設(shè)備：計算機、軟件無線電實驗箱、信號發(fā)生器、示計算機、軟件無線電實驗箱、信號發(fā)生器、示波器、

2、波器、DSPDSP仿真器、仿真器、FPGAFPGA仿真器、仿真器、5 5V V電源電源 n所需主要元器件及耗材：所需主要元器件及耗材： 連接線、計算機串口連接線連接線、計算機串口連接線實驗原理實驗原理1、數(shù)字上、數(shù)字上/下變頻的理論基礎(chǔ)下變頻的理論基礎(chǔ) n通常的無線通信都是通過載波調(diào)制信號來實現(xiàn)。通常的無線通信都是通過載波調(diào)制信號來實現(xiàn)。 n上變頻和下變頻的概念分別是指把信號搬移到上變頻和下變頻的概念分別是指把信號搬移到更高或更低的頻率上。更高或更低的頻率上。 n這可以通過信號這可以通過信號c(t)與一個復(fù)旋轉(zhuǎn)向量相乘得到與一個復(fù)旋轉(zhuǎn)向量相乘得到 2( )( )cjf ts tc t ecf代

3、表搬移的頻率代表搬移的頻率 1、數(shù)字上、數(shù)字上/下變頻的理論基礎(chǔ)下變頻的理論基礎(chǔ) 通常我們把無線頻率稱為載波頻率，把基帶信通常我們把無線頻率稱為載波頻率，把基帶信號搬移到該頻率叫上變頻，從該頻率搬移到帶號搬移到該頻率叫上變頻，從該頻率搬移到帶通信號稱為下變頻。通信號稱為下變頻。 復(fù)數(shù)信號的實部和虛部也可以分別稱做同相分復(fù)數(shù)信號的實部和虛部也可以分別稱做同相分量或正交分量。量或正交分量。 數(shù)字上變頻和下變頻就是對上式進行數(shù)字化。數(shù)字上變頻和下變頻就是對上式進行數(shù)字化。這就意味著信號和復(fù)向量都要用量化的樣本來這就意味著信號和復(fù)向量都要用量化的樣本來表示。表示。 1、數(shù)字上、數(shù)字上/下變頻的理論基礎(chǔ)

4、下變頻的理論基礎(chǔ)n引入滿足采樣定理的采樣周期引入滿足采樣定理的采樣周期T，這樣數(shù)字，這樣數(shù)字上變頻和下變頻可以寫為：上變頻和下變頻可以寫為： 2()()cjf kTs kTc kT e進行上變頻還是下變頻是由頻率進行上變頻還是下變頻是由頻率fc的符號決定。的符號決定。因此只要對其中一種情況進行討論即可。因此只要對其中一種情況進行討論即可。1、數(shù)字上、數(shù)字上/下變頻的理論基礎(chǔ)下變頻的理論基礎(chǔ)n引入滿足采樣定理的采樣周期引入滿足采樣定理的采樣周期T，這樣數(shù)字，這樣數(shù)字上變頻和下變頻可以寫為：上變頻和下變頻可以寫為： 2()()cjf kTs kTc kT e進行上變頻還是下變頻是由頻率進行上變頻還

5、是下變頻是由頻率fc的符號決定。的符號決定。因此只要對其中一種情況進行討論即可。我們以下因此只要對其中一種情況進行討論即可。我們以下變頻為例，分別討論其時域和頻域分析。變頻為例，分別討論其時域和頻域分析。1、數(shù)字上、數(shù)字上/下變頻的理論基礎(chǔ)下變頻的理論基礎(chǔ)n為了分析方便，我們假設(shè)中頻信號為單頻形式，為了分析方便，我們假設(shè)中頻信號為單頻形式，暫不考慮鄰道及其他干擾。暫不考慮鄰道及其他干擾。1）數(shù)字下變頻的時域分析：）數(shù)字下變頻的時域分析：n數(shù)字下變頻的目的是把所需的分量從載波頻率加數(shù)字下變頻的目的是把所需的分量從載波頻率加搬移至基帶。搬移至基帶。n模擬中頻信號為單頻形式：模擬中頻信號為單頻形式：

6、 0coscc tt0表示信號頻率，表示信號頻率， 表示信號初始相位表示信號初始相位 0c1 1）數(shù)字下變頻的時域分析）數(shù)字下變頻的時域分析n同時假設(shè)用于正交解調(diào)的兩路數(shù)字本振的初始相同時假設(shè)用于正交解調(diào)的兩路數(shù)字本振的初始相位為位為0，那么模擬中頻信號經(jīng)過，那么模擬中頻信號經(jīng)過A/D后得到的信后得到的信號形式為號形式為 kTkTtkTctPtckTC 0coscc kkT0, 1, 2,k 那么，此信號經(jīng)過正交數(shù)字解調(diào)后的信號形式那么，此信號經(jīng)過正交數(shù)字解調(diào)后的信號形式 ( (設(shè)信號頻率和本振頻率相同，即設(shè)信號頻率和本振頻率相同，即 ) )可以可以表示為表示為cp1 1）數(shù)字下變頻的時域分析

7、）數(shù)字下變頻的時域分析 0coscoscosIpcpskc kkTkTkT001cos 2cos2ckT 0coscossinQpcpskc kkTkTkT001sin 2sin2ckTI路：路：Q路：路：可以看出：數(shù)字正交解調(diào)輸出包括兩項，其中第可以看出：數(shù)字正交解調(diào)輸出包括兩項，其中第1項為解調(diào)過程項為解調(diào)過程中引入的高頻分量，第二項為所需要的低頻分量。中引入的高頻分量，第二項為所需要的低頻分量。 1 1）數(shù)字下變頻的頻域分析）數(shù)字下變頻的頻域分析n輸入模擬中頻信號的頻譜為：輸入模擬中頻信號的頻譜為： 00jjcccFee 此信號經(jīng)此信號經(jīng)A/D變換后的輸出信號頻譜為：變換后的輸出信號頻譜

8、為： 112222sTcckkFPFFTT 12ckkFTT1 1）數(shù)字下變頻的頻域分析）數(shù)字下變頻的頻域分析n經(jīng)過數(shù)字正交解調(diào)后的頻譜經(jīng)過數(shù)字正交解調(diào)后的頻譜： 1222IsppkkFTT 22ppkkkTTT 1222QsppkkFjTT 22ppkkkjTTT I路路Q路路2、VHDL實現(xiàn)數(shù)字上實現(xiàn)數(shù)字上/下變頻下變頻 n在程序中，我們先對在程序中，我們先對AD輸入的信號進行采樣，然輸入的信號進行采樣，然后將采樣后的數(shù)據(jù)與內(nèi)部的后將采樣后的數(shù)據(jù)與內(nèi)部的1MHz正弦載波信號正弦載波信號值表相乘，再通過值表相乘，再通過DA發(fā)送出去發(fā)送出去.n以上變頻為例，我們重點介紹以上變頻為例，我們重點介

9、紹基于基于FPGA的的n1MHz載波信號的產(chǎn)生；載波信號的產(chǎn)生；n再介紹信號的上變頻過程再介紹信號的上變頻過程。 1）1MHz正弦載波信號的產(chǎn)生正弦載波信號的產(chǎn)生 n由于實驗箱中輸入信號的采樣率是由于實驗箱中輸入信號的采樣率是16MHZ，要產(chǎn)生，要產(chǎn)生1MHz的正弦載波信號，我們可將的正弦載波信號，我們可將1MHz的正弦信號離散化為的正弦信號離散化為16個樣本，等效于用個樣本，等效于用16MHZ的時鐘采樣，即：的時鐘采樣，即：sin(2*pi*f*n/fs)，其中其中f=1MHz，fs=16MHZsin(2*pi*n/16) n其中，其中，n的取值為的取值為0到到15，也就完整地表示了這個調(diào)制

10、正，也就完整地表示了這個調(diào)制正弦信號的一個周期。弦信號的一個周期。 n在離散化之后，我們再進行一個幅值上的放大，即乘以在離散化之后，我們再進行一個幅值上的放大，即乘以511，最終得到的一個樣本用，最終得到的一個樣本用10bit長的向量來表示。長的向量來表示。n在程序中，我們用變量在程序中，我們用變量dc_array來表示調(diào)制正弦信號來表示調(diào)制正弦信號modulation_signal，它是一個包含，它是一個包含16個元素的數(shù)組，個元素的數(shù)組，每個元素都是一個長度為每個元素都是一個長度為10bit的向量。的向量。 2）上變頻過程）上變頻過程 n上變頻過程其實就是輸入信號上變頻過程其實就是輸入信號

11、uc_din（經(jīng)過（經(jīng)過AD之后長度也為之后長度也為10bit）與調(diào)制信號）與調(diào)制信號modulation_signal的相乘過程。的相乘過程。n參考實驗指導(dǎo)書上的關(guān)鍵代碼。參考實驗指導(dǎo)書上的關(guān)鍵代碼。實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容（1）數(shù)字上）數(shù)字上/下變頻基礎(chǔ)驗證實驗，觀察下變頻基礎(chǔ)驗證實驗，觀察并記錄上并記錄上/下變頻后信號時域和頻域波形下變頻后信號時域和頻域波形的變化；的變化；（2）數(shù)字上）數(shù)字上/下變頻擴展實驗：編寫下變頻擴展實驗：編寫VHDL程序，完成程序，完成基于基于FPGA的數(shù)字上的數(shù)字上/下變頻實下變頻實驗。驗。 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容1 1 數(shù)字上數(shù)字上/ /下變頻基礎(chǔ)實驗下變頻基礎(chǔ)實驗1 1

12、）啟動軟件無線電實驗平臺基礎(chǔ)實驗數(shù)字上）啟動軟件無線電實驗平臺基礎(chǔ)實驗數(shù)字上/ /下變頻實驗；下變頻實驗；2 2）選擇選擇“2”，按，按“Enter”后，進入數(shù)字上變頻實驗仿真后，進入數(shù)字上變頻實驗仿真實驗窗口實驗窗口；3 3）將能產(chǎn)生正弦信號的函數(shù)信號發(fā)生器與實驗平臺的將能產(chǎn)生正弦信號的函數(shù)信號發(fā)生器與實驗平臺的RXI端口連接，正弦單頻信號的幅度不要超過端口連接，正弦單頻信號的幅度不要超過2V，信號頻率，信號頻率設(shè)為設(shè)為1MHz；(模擬接收的信號模擬接收的信號) 4 4）按照軟件無線電實驗平臺軟件界面的提示進行后續(xù)操作；按照軟件無線電實驗平臺軟件界面的提示進行后續(xù)操作；(軟件無線電平臺產(chǎn)生本

13、振信號軟件無線電平臺產(chǎn)生本振信號) 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容1 1 數(shù)字上數(shù)字上/ /下變頻基礎(chǔ)實驗下變頻基礎(chǔ)實驗5 5）將示波器分別觀測實驗平臺將示波器分別觀測實驗平臺TXI和和TXQ端口，通過示波端口，通過示波器觀察輸出波形和頻譜。器觀察輸出波形和頻譜。6 6）根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖，觀察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過上變頻后的頻譜特征經(jīng)過上變頻后的頻譜特征 ：譜線個數(shù)譜線個數(shù)譜線分別所處頻段（譜線分別所處頻段（kHz）原始單頻信號原始單頻信號上變頻后信號上變頻后信號 按照以上同樣的方法，觀察并記錄下變頻的波形及頻譜。按照以上同樣的方法，觀察并記錄下變頻的

14、波形及頻譜。實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容2 2 數(shù)字上數(shù)字上/ /下變頻擴展實驗下變頻擴展實驗1）在）在ARM界面選擇進入界面選擇進入-擴展實驗擴展實驗-FPGA擴展實驗擴展實驗-上下上下變頻實驗；變頻實驗； 2）在）在ISE中編譯中編譯uc_dc工程，然后通過工程，然后通過JTAG仿真口將比特文仿真口將比特文件下載到件下載到FPGA中；中；3）用信號發(fā)生器發(fā)送）用信號發(fā)生器發(fā)送600KHz正弦波到平臺的正弦波到平臺的RXI端口；端口； 4）在）在ARM控制端的顯示界面中按控制端的顯示界面中按ENTER； 5）用示波器觀測平臺的）用示波器觀測平臺的TXI、TXQ端口，查看變頻前后的波端口，查看變頻前后的波形和頻譜。形和頻譜。 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容2 2 數(shù)字上數(shù)字上/ /下變頻擴展實驗下變頻擴展實驗6）改變數(shù)字調(diào)制信號頻率，將代碼中固化的改變數(shù)字調(diào)制信號頻率，將代碼中固化的1MHZ的正弦信號換為的正弦信號換為2MHZ，并采取相同的幅度放大。，并