数字下变频器的设计与实现
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Z BQ (t)
s in(0 n)
解放军理工大学通信工程学院 7
一、数字下变频器的基本原理
4、如何设计数字下变频器中的低通滤波器？
➢ 单级实现 采样速率高、过渡带宽窄导致滤波 器阶数巨大，工程上难以实现。
➢ 多级实现 分级抽取，每一级设计不同的过渡 带宽，可有效减小各级所需滤波器的阶数。
➢ 进一步改进措施 采用积分梳状（Cascaded Integrator-Comb CIC）滤波器，降低对计算量的要 求。
现代电子系统设计
解放军理工大学通信工程学院 1
实验目的与实验要求
实验目的
➢ 理解数字下变频器的基本原理 ➢ 掌握数字下变频器的设计方法 ➢ 学习如何用Matlab辅助完成FPGA设计
实验要求
➢ 根据给定的数字下变频器性能指标要求，利用 Matlab辅助完成各功能模块的参数设计
➢ 完成数字下变频器的FPGA设计，进行时序仿真， 并对结果进行分析
解放军理工大学通信工程学院 2
实验背景知识
相关先修课程
➢ 数字信号处理 ➢ 软件无线电
实验涉及到的相关基本原理
➢ 数字下变频器 ➢ 多速率信号处理 ➢ CIC抽取滤波器 ➢ FIR滤波器
解放军理工大学通信工程学院 3
本讲主要内容
一、数字下变频器的基本原理 二、数字下变频器的Matlab设计 三、数字下变频器的FPGA实现 四、扩展实验
解放军理工大学通信工程学院 10
二、数字下变频器的Matlba设计
2、设计步骤
步骤一：确定数字频率合成器输出频率 ➢ fc=21.4MHz
步骤二：确定总抽取率D ➢ D= 57.6MHz／720kHz = 80
步骤三：确定各级滤波器设计参数
➢ CIC滤波器：抽取率、级数 ➢ 补偿滤波器和FIR滤波器：抽取率、阶数及系数
LPF
x(t)
x(n)
A/D
LPF
Z BI (t)
Z BQ (t)
s in(0 n)
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一、数字下变频器的基本原理
3、数字下变频功能
➢ 进行频谱搬移 ➢ 降低采样速率 通过抽取将高速采样信号降低为低速
基带采样信号。
cos (0 n)
LPF
x(t)
x(n)
A/D
LPF
Z BI (t)
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一、数字下变频器的基本原理
1、数字变频与软件无线电
➢ 数字变频是实现软件无线电的核心技术之一。 ➢ 模拟变频 VS. 数字变频
模拟变频：混频器具有非线性；模拟本振的频率稳定度、相 位噪声、温度漂移、转换速率等性能指标较差。
数字变频：载频与数字滤波器系数具有可编程性；数字混频 不存在非线性失真；数字滤波频响特性好。
二、数字下变频器的Matlba设计
1、UHF波段战术电台数字下变频器设计指标
设计内容
中频频率 AD采样速率 信号带宽 基带采样速率 通带波动 阻带截止频率 阻带衰减 CIC滤波器混叠抑制
指标要求
21.4MHz 57.6MHz（14比特） 160kHz 720kHz 小于0.1dB 100kHz -60dB -80dB
CIC滤波器幅频响应(D=40 N=5)
参数 R M N IWL OWL
取值 40 1
意义 CIC滤波器抽取率 微分延迟值
5 CIC滤波器级数
14 输入字长
18 输出字长
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二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
Magnitude (dB)
0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180
BS
Normalized
B
Frequency
(
rad/sample)
0.8
0.9
CIC滤波器幅频响应(D=8 N=5)
CIC滤波器幅频响应衰减值：
Hale Waihona Puke Baidu
=20
log
f／
sin( f /
fs
/ fs
D
/D
)
N
最大混叠出现在什么位置？
f
/D
s
fB
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二、数字下变频器的Matlba设计
二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
Magnitude (dB)
Magnitude Response (dB) 0
Filter #1: Quantized -20
Filter #1: Reference -40 -60
-80 -100 -120
-140
f f /D- f 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
3、CIC抽取滤波器设计
➢ 抽取率D1 ➢ 级数N
阻带衰减指标满足抗混叠要求
D=20
D=40
N=4 -90.444dB
-64.5dB
N=5 -113.0555dB -80.6261dB
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二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
hcic = mfilt.cicdecim(R,M,N,IWL,OWL);
思考：软件无线电可采用哪几种类型的数字化方式？
从工程实现角度出发，现阶段那种方式比较合适？
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一、数字下变频器的基本原理
2、数字下变频组成
➢ 数字下变频器（Digital Down-Converters DDC）由数字混 频器、数字频率合成器和低通滤波器三部分组成。
cos (0 n)
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二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
➢ 抽取对数字频谱的影响分析
X
D (e
j )
1 D
D1 l0
X [e
] j(2l)/ D
频谱扩展+频谱叠加
要求频域中只含有小于 π/D 的频率分量
fs fs / 2
fs / 2
f
fs
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Magnitude Response (dB)
Filter #1: Quantized Filter #1: Reference
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
fs/D=1.44MHz Normalized Frequency ( rad/sample)
fs/2=28.8MHz
➢ 带来的问题 通带内的衰减，由CIC补偿滤波器 对幅频相应进行补偿。
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一、数字下变频器的基本原理
4、如何设计数字下变频器中的低通滤波器？
cos(0n)
X (t) X (n)
AD
CIC
补偿 FIR
FIR
CIC
补偿
FIR
FIR
sin(0n)
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s in(0 n)
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一、数字下变频器的基本原理
4、如何设计数字下变频器中的低通滤波器？
➢ 单级实现 采样速率高、过渡带宽窄导致滤波 器阶数巨大，工程上难以实现。
➢ 多级实现 分级抽取，每一级设计不同的过渡 带宽，可有效减小各级所需滤波器的阶数。
➢ 进一步改进措施 采用积分梳状（Cascaded Integrator-Comb CIC）滤波器，降低对计算量的要 求。
现代电子系统设计
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实验目的与实验要求
实验目的
➢ 理解数字下变频器的基本原理 ➢ 掌握数字下变频器的设计方法 ➢ 学习如何用Matlab辅助完成FPGA设计
实验要求
➢ 根据给定的数字下变频器性能指标要求，利用 Matlab辅助完成各功能模块的参数设计
➢ 完成数字下变频器的FPGA设计，进行时序仿真， 并对结果进行分析
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实验背景知识
相关先修课程
➢ 数字信号处理 ➢ 软件无线电
实验涉及到的相关基本原理
➢ 数字下变频器 ➢ 多速率信号处理 ➢ CIC抽取滤波器 ➢ FIR滤波器
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本讲主要内容
一、数字下变频器的基本原理 二、数字下变频器的Matlab设计 三、数字下变频器的FPGA实现 四、扩展实验
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二、数字下变频器的Matlba设计
2、设计步骤
步骤一：确定数字频率合成器输出频率 ➢ fc=21.4MHz
步骤二：确定总抽取率D ➢ D= 57.6MHz／720kHz = 80
步骤三：确定各级滤波器设计参数
➢ CIC滤波器：抽取率、级数 ➢ 补偿滤波器和FIR滤波器：抽取率、阶数及系数
LPF
x(t)
x(n)
A/D
LPF
Z BI (t)
Z BQ (t)
s in(0 n)
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一、数字下变频器的基本原理
3、数字下变频功能
➢ 进行频谱搬移 ➢ 降低采样速率 通过抽取将高速采样信号降低为低速
基带采样信号。
cos (0 n)
LPF
x(t)
x(n)
A/D
LPF
Z BI (t)
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一、数字下变频器的基本原理
1、数字变频与软件无线电
➢ 数字变频是实现软件无线电的核心技术之一。 ➢ 模拟变频 VS. 数字变频
模拟变频：混频器具有非线性；模拟本振的频率稳定度、相 位噪声、温度漂移、转换速率等性能指标较差。
数字变频：载频与数字滤波器系数具有可编程性；数字混频 不存在非线性失真；数字滤波频响特性好。
二、数字下变频器的Matlba设计
1、UHF波段战术电台数字下变频器设计指标
设计内容
中频频率 AD采样速率 信号带宽 基带采样速率 通带波动 阻带截止频率 阻带衰减 CIC滤波器混叠抑制
指标要求
21.4MHz 57.6MHz（14比特） 160kHz 720kHz 小于0.1dB 100kHz -60dB -80dB
CIC滤波器幅频响应(D=40 N=5)
参数 R M N IWL OWL
取值 40 1
意义 CIC滤波器抽取率 微分延迟值
5 CIC滤波器级数
14 输入字长
18 输出字长
解放军理工大学通信工程学院 15
二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
Magnitude (dB)
0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180
BS
Normalized
B
Frequency
(
rad/sample)
0.8
0.9
CIC滤波器幅频响应(D=8 N=5)
CIC滤波器幅频响应衰减值：
Hale Waihona Puke Baidu
=20
log
f／
sin( f /
fs
/ fs
D
/D
)
N
最大混叠出现在什么位置？
f
/D
s
fB
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二、数字下变频器的Matlba设计
二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
Magnitude (dB)
Magnitude Response (dB) 0
Filter #1: Quantized -20
Filter #1: Reference -40 -60
-80 -100 -120
-140
f f /D- f 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
3、CIC抽取滤波器设计
➢ 抽取率D1 ➢ 级数N
阻带衰减指标满足抗混叠要求
D=20
D=40
N=4 -90.444dB
-64.5dB
N=5 -113.0555dB -80.6261dB
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二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
hcic = mfilt.cicdecim(R,M,N,IWL,OWL);
思考：软件无线电可采用哪几种类型的数字化方式？
从工程实现角度出发，现阶段那种方式比较合适？
解放军理工大学通信工程学院 5
一、数字下变频器的基本原理
2、数字下变频组成
➢ 数字下变频器（Digital Down-Converters DDC）由数字混 频器、数字频率合成器和低通滤波器三部分组成。
cos (0 n)
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二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
➢ 抽取对数字频谱的影响分析
X
D (e
j )
1 D
D1 l0
X [e
] j(2l)/ D
频谱扩展+频谱叠加
要求频域中只含有小于 π/D 的频率分量
fs fs / 2
fs / 2
f
fs
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Magnitude Response (dB)
Filter #1: Quantized Filter #1: Reference
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
fs/D=1.44MHz Normalized Frequency ( rad/sample)
fs/2=28.8MHz
➢ 带来的问题 通带内的衰减，由CIC补偿滤波器 对幅频相应进行补偿。
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一、数字下变频器的基本原理
4、如何设计数字下变频器中的低通滤波器？
cos(0n)
X (t) X (n)
AD
CIC
补偿 FIR
FIR
CIC
补偿
FIR
FIR
sin(0n)
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