实验1.数字下变频器(DDC)的设计与验证 一、实验原理 1.数字正交解调原理 2.带通采样定理 3.多速率信号处理理论 4.数字FIR滤波器设计理论与方法 二、实验目的 1.掌握DDC的基本原理与实现方法： 2.掌握利用MATLAB帮助系统设计与开发的方法： 3.掌握基于PGA的软件无线电系统的开发流程： 4.掌握软件无线电系统的设计验证方法。 三、实验内容 在实验平台上实现一个数字下变频(DDC)系统，完成DDC系 统和工作参数设计，利用MATLAB设计系统模块和对系统功能进行 仿真，编写FPGA程序，对硬件算法进行仿真，最后在实验平台上验 证设计结果。 DDC系统功能指标：将频率为f。=10.1MHz中频正弦信号经A/D 采样后下变频到0.1MHz,并将数据率降到400Ksps。实验中频频率范 围[10.2MHz:0.1MHz:12.1MHz,根据小组序号选择设计的中频频点。 四、实验器材 信号源、软件无线电系统仿真与验证实验平台、数字示波器 -1-
- 1 - 实验 1. 数字下变频器（DDC）的设计与验证 一、实验原理 1. 数字正交解调原理 2. 带通采样定理 3. 多速率信号处理理论 4. 数字 FIR 滤波器设计理论与方法 二、实验目的 1. 掌握 DDC 的基本原理与实现方法； 2. 掌握利用 MATLAB 帮助系统设计与开发的方法； 3. 掌握基于 FPGA 的软件无线电系统的开发流程； 4. 掌握软件无线电系统的设计验证方法。 三、实验内容 在实验平台上实现一个数字下变频（DDC）系统，完成 DDC 系 统和工作参数设计，利用 MATLAB 设计系统模块和对系统功能进行 仿真，编写 FPGA 程序，对硬件算法进行仿真，最后在实验平台上验 证设计结果。 DDC 系统功能指标：将频率为 0f =10.1MHz中频正弦信号经 A/D 采样后下变频到0.1MHz，并将数据率降到400Ksps。实验中频频率范 围[10.2MHz : 0.1MHz : 12.1MHz]，根据小组序号选择设计的中频频点。 四、实验器材 信号源、软件无线电系统仿真与验证实验平台、数字示波器
五、实验步骤 为说明实验步骤，以如下设计指标为例：将中频频率为 6=10.1Mz的中频正弦信号经A/D采样后下变频到0.1MHz,并将数 据率降到400Ksps 步骤1：设计具体的DDC实现结构与系统工作参数 1)系统结构设计 数字下变频器(DDC)基于数字正交解调理论，包含I、Q两条 正交支路，主要设计模块有：数字控制振荡器(NCO)、低通滤波器 (LPF)和抽取器。 基带路 LPF 抽取 模拟 数字 中频 中频 A/D NCO 基带Q路 抽取 2)确定采样频率 根据题目要求，设输入模拟中频为10.1MHz的正弦信号，对信号 带宽未做要求，此处假设信号带宽为10.1MHz±100kHz，,则输入信号中 心频率为f6=10.1MHz,带宽为△B=200kHz,属于窄带信号，因此可 以使用带通采样实现模拟信号的采样。 假设AD转换部分采样率为f,，根据带通采样定理， f= 4f0 2M+1 f≥2△B -2
- 2 - 五、实验步骤 为说明实验步骤，以如下设计指标为例：将中频频率为 0f =10.1MHz的中频正弦信号经 A/D 采样后下变频到0.1MHz，并将数 据率降到400Ksps。 步骤 1：设计具体的 DDC 实现结构与系统工作参数 1) 系统结构设计 数字下变频器（DDC）基于数字正交解调理论，包含 I、Q 两条 正交支路，主要设计模块有：数字控制振荡器（NCO）、低通滤波器 （LPF）和抽取器。 NCO LPF LPF 抽取 抽取 基带Q路 基带I路 A/D 模拟 中频 数字 中频 2) 确定采样频率 根据题目要求，设输入模拟中频为10.1MHz的正弦信号，对信号 带宽未做要求，此处假设信号带宽为10.1MHz 100kHz ± ，则输入信号中 心频率为 0f =10.1MHz ，带宽为∆ = B 200kHz ，属于窄带信号，因此可 以使用带通采样实现模拟信号的采样。 假设 A/D 转换部分采样率为 sf ，根据带通采样定理， 0 4 2 1 2 s s f f M f B = + ≥ ∆
代入数据，得： M≤50 取f=3.2MHz,此时M≈6，满足带通采样定理要求。因此，经过AD 采样后，数据率为3.2Msps,信号数字域频谱为： 、3 1 1 3 3)设计NCO模块 根据题目要求，A/D采样后射频信号需经过下变频到0.1MHz中 频，则数字本振NCO的频率为： %= NCO混频后信号的数字域频谱为： 5 8 -)x-a-π6x8π 2 8-16π 图中，π/16对应的模拟频率就是0.1MHz,此时数据率仍为3.2Msps。 4)设计抽取滤波模块 要求实现400ksps的数据率，需对下变频后的信号进行抽取。抽 -3-
- 3 - 代入数据，得： M ≤ 50 取 3.2MHz sf = ，此时M 6 ≈ ，满足带通采样定理要求。因此，经过 A/D 采样后，数据率为3.2Msps，信号数字域频谱为： 1 ω 4 π 3 8 π 3 8 − π 1 4 − π A 1 3) 设计 NCO 模块 根据题目要求，A/D 采样后射频信号需经过下变频到0.1MHz中 频，则数字本振 NCO 的频率为： 0 4 π ω = NCO 混频后信号的数字域频谱为： 1 ω 16 π 1 8 π 1 8 − π 1 16 − π A 1 1 2 π 5 8 π 5 8 − π 1 2 − π 图中，π 16对应的模拟频率就是0.1MHz，此时数据率仍为3.2Msps。 4) 设计抽取滤波模块 要求实现400ksps的数据率，需对下变频后的信号进行抽取。抽
取前数据率为3.2Msps,可以得出抽取器的总抽取倍数为： D=32M=8 0.4MHz 由于抽取倍数比较低，此时不适合选用CIC滤波器高效结构， 但是可以选用2级半带滤波器和1级FIR滤波器级联。 ●设计第一级HB抽取滤波器 选择第一级HB滤波器通带截止频率o为： o87 根据HB滤波器的条件，则阻带起始频率o为： 17 0=π-8=8π 因此，经第一级HB滤波器以及2倍抽取后信号数字域频谱为， 5 5 4 48 ●设计第二级HB抽取滤波器 选择第二级HB滤波器通带截止频率o2为， 02=元 4 根据HB滤波器的条件，则阻带起始频率o2为： -4-
- 4 - 取前数据率为3.2Msps，可以得出抽取器的总抽取倍数为： 3.2MHz 8 0.4MHz D = = 由于抽取倍数比较低，此时不适合选用 CIC 滤波器高效结构， 但是可以选用 2 级半带滤波器和 1 级 FIR 滤波器级联。 设计第一级 HB 抽取滤波器 选择第一级 HB 滤波器通带截止频率ωc1为： 1 1 8 ω π c = 根据 HB 滤波器的条件，则阻带起始频率ωA1为： 1 1 7 8 8 ωππ π A =− = 因此，经第一级 HB 滤波器以及 2 倍抽取后信号数字域频谱为， 1 ω 8 π 1 4 π 1 4 − π 1 8 − π A 1 π 5 4 π 5 4 − π π 设计第二级 HB 抽取滤波器 选择第二级 HB 滤波器通带截止频率ωc2为， 2 1 4 ω π c = 根据 HB 滤波器的条件，则阻带起始频率ωA2为：
0o- 因此，经第二级HB滤波器以及2倍抽取后信号数字域频谱为， 1 17 1 32 4π ●设计第三级FIR抽取滤波器 选择第三级FIR滤波器通带截止频率o,为： 1 03= 阻带起始频率o2为： 11 0A2= π 20 因此，经第三级R滤波器以及2倍抽取后信号数字域频谱为： 1 -π 2 2π 根据以上设计，在o=π附近会有部分频谱混叠，但是由于信号 -5
- 5 - 2 1 3 4 4 ωπππ A =− = 因此，经第二级 HB 滤波器以及 2 倍抽取后信号数字域频谱为， 1 ω 4 π 1 2 π 1 2 − π 1 4 − π A 1 设计第三级 FIR 抽取滤波器 选择第三级 FIR 滤波器通带截止频率ωc3为： 3 1 2 ω π c = 阻带起始频率ωA2为： 2 11 20 ω π A = 因此，经第三级 FIR 滤波器以及 2 倍抽取后信号数字域频谱为： 1 ω 2 −π π π 1 2 − π A 1 根据以上设计，在ω π = 附近会有部分频谱混叠，但是由于信号