1、I砸SEARCH AND IMPLEMENTATIoNoF WIDEBAND DIGITALINTERMEDIATE FRE QUENCYTECHNoLoGY INREALTIME SPE C TRUM ANALYZERA DisseIrcation Submitted toSoutheast UniVersi够For the Academic Degree of Mastetr of EngineeringBYPING z11iqiProf PEI W|en_j iangDep抓ment of So胁are EngineeringSoutheast U_niVers时M2urch 2015东
2、南大学学位论文独创性了碍20870舢洲删本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 查三塞 日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密
3、论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：型 导师签名：监日期：摘要摘要无线通信技术的飞速发展使得电磁频谱的检测管理越来越重要。具有宽带信号采样、深存储捕获、实时宽带谱分析、高速数据传输等技术的实时频谱分析仪对频谱监测工作提供了有力的保障。建立实时频谱分析仪中的宽带数字中频系统将为我国宽带信号的频谱分析仪的研究、开发、设计与应用提供理论基础和技术支持。本文主要讨论了宽带数字中频系统的逻辑设计与实现。首先从阐述全数字中频处理技术的基础理论入手，本文对信号采样理论、数字下变频理论、采样率变换理论、快速傅里叶变
4、换理论进行分析和探讨。在此基础上结合宽带数字中频系统的应用需求，提出了适合于FPGA实现的宽带数字中频系统处理方案：首先采用带通采样定理对模拟中频信号进行采样，接着采用数字下变频将中频信号移至零频，又在保证有效信号不失真的前提下，对高速率的数据进行抽取滤波处理，得到低速率基带信号，在此基础上完成后续的FFT处理，提取所需的频谱信息，实现整个频谱仪的频谱测量功能。接着本文论述了FPGA中各模块的设计与实现，包括数字下变频模块、采样率转换模块和快速傅里叶变换模块。数字下变频模块中，结合具体的采样频率、中频频率，在数字混频理论的基础上提出了一种免去硬件乘法的定点混频算法。同时利用混频后结果的特殊性，
5、设计了一种只需普通FIR滤波器四分之一乘法器的低通抽取滤波器，并用FPGA实现。采样率转换模块中，结合Sinc插值算法理论，提出了一种l2倍抽取滤波器结构，实现了信号的小数倍抽取。同时在FPGA中利用卜2倍抽取滤波器与半带滤波器的级联，进行任意倍的采样率转换。快速傅里叶变换模块中，结合离散信号的加窗与分帧原理，先对信号进行加窗与分帧，然后利用FPGA中的FFT IP核对信号进行快速傅里叶变换。在此基础上，本文还论述了宽带数字中频系统中板卡的硬件结构。总体介绍了宽带数字中频系统硬件结构中的四个模块：数字中频信号处理模块、大容量数据存储模块、PCIe模块、DSP模块，并给出了各个模块的原理图与整个
6、中频系统的PCB图。此外本文还重点重点介绍了数字中频信号处理模块，说明了该模块中ADS5474模数转换芯片的采样过程和使用源同步时钟系统的数据传输过程，同时也阐明了该模块中FPGA接收数据的过程。同时本文根据各个系列FPGA的不同特点，对FPGA的选择进行了说明。最后对宽带数字中频系统进行了ModelSiIll仿真和硬件平台实机功能验证。本文通过M0delSim仿真软件分别对宽带数字中频系统中FPGA的各个模块，进行仿真，然后搭建实机测试平台，进行实机测试，并使用Matlab工具进行数据分析。关键词：宽带数字中频，带通采样，数字下变频，采样率转换，FFTTABSTRACTABSTRACTWim
7、 me rapid deVelopment of wireless commullication tecllllolog蜘the detection and managemem oft11e elec仃om楚皿etic spectrIlm become more aIld more importantThe real-time spect九埘analyzer proVidesa sn0ng目捌锄tee for spectmm moIlitoring workThe establisent of widebaIld digital iIltemediate舶quency syStem in re
8、altiIIle spectrL髓aIlalyzer accelemtes t11e research ofbroadballd si印al spectrL肌a11alyzer iIl our coum阱The specific contentS are aS followsFirstlyt11e paper expatiates on the baLsic meo巧of digital IF processing technologyfollowed witlldiscuSsions on me theo巧0f sigllal s锄plillg，digital d0帅cOnVener，s锄p
9、lmg rate transfom aIld FFTThen we put fonVard a scheme suitable for wideband digital inte册ediate丘equency processiIlg SyStemimplememed in FPGAThe processing module fiIStly uSes t11e bandpaLss s锄pling meorem to s锄pleanalog IF si驴al，a11d mal(es me IF sigllaltmsfom to baLseband sigllal，廿1en uSes decimat
10、ion filterS todecre弱e廿le data ra钯and eIlSure the analyzed sigml wi廿lout distoniom finally the FFT realizes tllespec仇ml meaSuIing fhnctionSecondly，me paper discuSses the design and realization of each module in FPGAIn digital doWnconversion module，it proposes a new kmd of digital m议mg algoritllmUsing
11、 tlle new algOritllm we candesi驴a di舀tal mixer wiut柚y hardware multiplierThen it designs a new lowp罄s decimator filter wimoIlly a h锄d允l of multiplier aIld realizes tlle digital mi)(er aIld filter in FPGAIn s锄pling rate conVersionmodule，it puts fonvard a structure of l2 times decimation filter baLsed
12、 on me SiIlc inte印olation algorimm廿1eo醪Tkn we uSe l2 tilIles decilnation filter锄d halfba芏1d filter to conVert s锄pling rate at arbi仃叫times iIl FPGAIn FFT module，it discuSses the仔锄e aIld window iIl FFT锄d h弱a detailed analysis ofFFTIPcoreTllirdly，me paper discuSses me hardware s仃uctL鹏of舭broadb锄d digita
13、l IF syStem111e IF systemhaLs four modules：digitaIIF signal processmg module，la唱e capacit)，data storage module，PCIe module，aIld DSP moduleIt presentS schematic di楚田叮ls of each module aIld PCB digrams of the broadb锄ddigitaJ IF systemThen It maillly introduces廿：le digitalIF signal processmg module inc
14、luding tlle processof s锄lplmg aIld data t瑚smission be觚een ADS5474锄d FPGAFmallywe haVe a so胁are sinlulation aIld hardware fuIlctional Verification for也e widebaJld digitalIF systemWe use ModelSim simulation soft、vare t0 simulate eaCh module in FPGA，aIld set up a real testplatform for the testThen we u
15、se Matlab for data analysisKeywords：Wideband IFBaIldpaSs s锄pl，Digital do啪conVerSion，S锄pling mte conVersion，FFTIII目录目录摘要IABSlRACTIII目勇专V第一章 绪论l11 研究背景及意义112 国内外研究现状3121 频谱分析仪研究现状3122宽带数字中频技术研究现状413 本文开展的主要工作614论文研究内容与结构安排7第二章 宽带数字中频系统理论基础921信号采样理论9211 N|yquiSt采样定理9212带通信号采样定理1 O22数字下变频ll221数字混频和正交原理1
16、2222 FIR滤波器理论和结构一14223离散信号的整数倍抽取l 523采样率变换1 6231 Sillc插值法1 62-32半带滤波器原理1 824 FFT算法20243数据的分帧与加窗2l25本章小结22第三章 宽带数字中频系统的FPGA设计与实现2331宽带数字中频系统关键设计指标2332宽带数字中频系统中的信号处理流程233-3宽带数字中频系统中的带通采样2534数字下变频的FPGA设计与实现26341 FPGA中定点混频的设计与实现27342 FPGA中低通抽取滤波器的设计与实现29V东南大学硕士学位论文343数字混频模块的优化与级联3535采样率变换滤波器37351l2倍抽取滤波
17、器FPGA设计与实现一37352半带滤波器的FPGA设计与实现4336 FFT的FPGA实现。44361数据分帧与加窗44362 FFT IP核实现结构47363 FFT IP核接口。4937本章小结52第四章宽带数字中频系统硬件架构与FPGA概述5341宽带数字中频系统中的硬件架构53411数字中频信号处理模块54412大容量数据存储模块57413 PCIe模块58414 DSP模块60415宽带数字中频系统PCB图与板卡图6142 FPGA概述与选择64421 FPGA概述64422 Xilinx 7系列FPGA选择644-3本章小结66第五章 宽带数字中频系统的仿真与测试6751 Mod
18、elSim仿真方案。6752数字下变频模块的仿真和调试67521数字下变频的M0delSim仿真67522数字下变频的平台测试685-3采样率变换滤波器的仿真与调试7l54数字下变频与采样率变换实机联合调试7555 FFT模块的仿真与调试7656本章小结77第六章 总结与展望79j马【谢81参考文献83攻读硕士期间公开发表的学术论文。89VI第一章绪论11研究背景及意义第一章绪论早在1860年之前，J锄es Clerk Ma)(well就通过数学推演，预测出了能在真空中传输能量的电磁波的存在。这之后，许多科学家和工程师一直在寻求能够利用射频技术的创新方法：1886年Hei耐chHenz演示了“
19、无线电波”；Gugliemo Marcom、Nikola Tesla等人首创了使用电磁波实现远程通信的方法。经过了一个世纪，无线电成为了射频信号的第一个实际应用。在过去几十年中，信号的发送和接收方法，以及目标的检测和定位成为了重要的研究课题。二战初期，雷达也成为了另一种流行的射频应用1】。此后无线电波在通信领域和军事领域运用的不断增多，导致了这两个世纪内射频技术创新的加速稳定增长。但是，由于射频信号的广泛应用，射频信号之间的干扰问题也越来越大。显然能够可靠地检测随时间变化的射频信号已经成为了克服这个挑战的关键因素。然而普通的传统测量工具并不能胜任这一点。为了解决这些难题，能够把射频信号无缝地捕
20、获到仪器的内存中，并能在时域、频域、调制与分析这些射频信号的实时频谱仪应运而生。图11超外差式频谱仪结构图视频滤波器示波器早在上个世纪六十年代，以扫描的方式处理数据的传统频谱仪诞生了。传统频谱仪又叫超外差式频谱仪或者扫频仪。其主要特点为：可以达到几十个GHz带宽的宽测试频带、噪声低、动态范围大。如图11所示：信号进入扫频仪以后，先经过一个衰减器，再通过预选器把感兴趣的信号滤出来，接着通过混频把信号进行下变频。并扫描通过分辨率带宽(RBw)滤波器，测量信号频率上的功率值。分辨率带宽滤波器后面有一个计算选择跨度内每个频率点幅度的检测器。由于检测器一次l东南大学硕士学位论文只能计算一个频率点，所以如
21、果信号的分析带宽很大的话，扫频仪分析一次需要很长的时间，有时甚至可以达到几十秒。显然扫频仪是在这个假设的基础上工作的：被测信号在扫频仪工作期间，没有明显变化。基于这个假设，输入信号就必须得相对稳定。而且扫频仪既不能给出信号的时域上的时间信息，也不能给出信号频域上的相位信息，所以无法描述信号随时间变化的过程也无法进行数字调制分析，难以测试现代既复杂又瞬间变化的信号【2】。图12矢量信号分析仪框图由于简单的频谱仪难以对数字调制信号进行分析，大约在上个世纪九十年代，专门进行数字调制分析的矢量信号分析仪(VSA)诞生了。VsA能够数字化检测到的射频功率，并把数字化波形的幅度信息和相位信息存放到内存中。
22、vSA内部的DSP可以使用这些存储的信息进行测量、解调或显示处理。图12是简化的VSA方框图，射频信号进入VSA后，先经过衰减器和预选器，然后通过混频，射频信号被下变频到中频。接着vSA内部的ADC对中频信号进行采样，数字化宽带中频信号，DsP以数字方式对采样后的中频信号进行下变频、滤波、检测，并且使用FFT将信号从时域转换到频域。由于信号的数字化，vSA能够测量调制参数，如码域功率、EVM、FM偏差等。然而vSA分析瞬态时间的能力有限。当vSA工作在自由运行模式下时，采集到的信号必须先存储到内存中然后才能按批进行处理，这使得采集之间的信号，仪器是无法侦察到的。显然它不能可靠地发现偶发事件【3
23、】。Ql输出献瓣裟瓣混颇器瓣采样器数嚣处存储器k理器篓合 衰减器 通滤波器混频器 波器米讦器 理器 存储器l微处理器信孓扛爵弗弭岖习i卜年习“甄嚣 同篓理图13实时频谱仪结构图2示波器第一章绪论为了解决瞬时动态射频信号的测量难题，实时频谱分析仪(RSA)诞生了。图13是简化的RSA方框图。与矢量信号分析仪一样，射频信号进入VSA后，先经过衰减器和预选器，然后通过混频，射频信号被下变频到中频。接着VSA内部的ADC对中频信号进行采样，数字化宽带中频信号，DsP以数字方式对采样后的中频信号进行下变频、滤波、检测，并且使用FFT把信号从时域转换到频域。实时频谱仪与矢量信号分析仪不同的是，后者一般是信
24、号采集后处理，而前者可以利用触发功能选择性地捕获信号到存储器中，并在多个域中全面分析。RSA的核心是实时处理引擎。它的速度非常快可以对所有的样点进行实时处理，即可以对存储在存储器中的数据进行幅度和相位的校准，对后续的数据进行实时处理。同时它还拥有触发功能。12国内外研究现状121频谱分析仪研究现状随着数字中频技术的发展，频谱分析仪正朝着大分析带宽、高分辨率、大动态范围、高幅度精度和大模拟输入范围的方向发展【4】。同时频谱分析仪也有着广泛的应用领域，如无线网络、蜂窝通信、医疗、航空航天等领域中【5】。近年来国内外涌现出一批先进的仪器公司都对宽带信号的频谱分析技术有了一定的研究。国外频谱分析技术处
25、于领先地位的公司有是德科技(KeysightTechnologies)公司、美国的泰克(Tek仃omx)公司、德国的罗德与施瓦茨(RS)公司等。国内的频谱分析仪公司主要有：普源精电(刚GoL)、国睿安泰信。是德科技(Keysight Tecllllologies)公司前身是安捷伦(Agilent)公司，是全球领先的电子测量公司，在频谱分析仪行业长期处于领导地位。目前是德科技公司推出了囊括高中低端产品的多个系列的频谱分析仪。其中N9040为该公司所推出的最高端的频谱分析仪，使用最高端的选件，该频谱分析仪的频率覆盖范围为3Hz265GHz，此外如果利用外部混频可将最高频率扩展到11THz。分析带宽
26、最高可以达到510z，幅度精度达到了O19dB。无杂散动态范围(SFDR)在全部510姗z带宽上为75dBc。该仪器通过使用实时频谱分析(I盯sA)选件可支持最高510MHz的带宽，同时能够以100的POI检测持续时间最短35ns的信号。结合该公司业内领先的89600VsA软件可以查看信号的几乎所有方面【6】。美国的泰克公司拥有世界领先的实施频谱分析技术，RsA6000系列频谱仪是泰克公司最高性能频谱仪。RSA6120B是该系列中性能最好的频谱分析仪，其输入频率范围为9KHz20GHz，分析带宽最高可达110MHz，无杂散动态范围(SFDR)在分析带宽上为75dBc。同时该频谱仪能够以1003
27、东南大学硕士学位论文的POI检测持续时间最短37 u s的信号。作为该公司的强项，该仪搭配了强大的时间相关的多域显示功能。上述公司长期占据着主流市场，给中国的大多数厂商都提供着系列产品，但它们的高端产品长期对我国禁运。近几年来，我国频谱测量技术及仪器的研究也获得了长足发展。中国的北京普源精电(砌GOL)是业界领先从事测量仪器研发、生产和销售的高新技术企业。对GOL有DsA800和DsAl000A两个系列的频谱仪。国睿安泰信是中国的另一家电子测量仪器、测试与保障设备研发、生产与销售的高科技企业。国瑞安泰信拥有GA40Xx系列、AT5000系列、AT6000系列，三个系列的频谱分析仪。我国频谱仪大
28、多是基于全数字中频技术的频谱仪，不能够进行实时分析，也无法对宽带数字中频信号进行分析。显然国内对实时频谱分析技术的研究还处于探索阶段，上述提到的国内公司，虽然推出了多个系列的频谱分析仪，目前主要研制生产的是采用全数字中频技术的频谱分析仪，均具有丰富额测量功能和多种自动测试功能以及优异的频域与幅度指标。这些产品具有突出的性价比优势，但他们几乎都是只能进行窄带分析的扫频式频谱分析仪。就目前国内市场来看，能分析宽带信号的频谱分析仪在国内还未出现，主要的研究成果还未成熟。而且对于宽带洗好分析的需求在各个应用领域不尽相同，例如一些通信行业对无缝的信号捕获率要求较高，另一些领域对宽阔的频带捕获分析能力如瞬
29、变非合作信号的测量更加青睐。对具有实时性的宽带频谱分析模块展开研究探讨，对国内实时频谱分析仪技术的发展具有很重要的意义。122宽带数字中频技术研究现状宽带数字中频技术基于软件无线电原理，它利用高速的模数转换器覆盖现有通信系统、雷达等各种无线设备频段【53】，并将频段内感兴趣的信号搬移到基带，在基带上对目标信号进行检测、识别、分析。随着现代Ic器件工艺水平和性能的提高，不断涌现出数GHz高速ADC器件和数千MIPS的DSP芯片，深刻影响着宽带数字中频技术的发展【54】，55】。其中基于宽带数字中频技术，已经出现了多种宽带数字接收机系统【56】，【57】。文献【58】【8l】提出了一种数字信道化瞬
30、时测频接收机；文献【59】提出了一种基于数字下变频的雷达信号接收机；文献【60】提出了一种基于延迟欠采样的雷达信号接收机；文献【6l】提出了一种基于多天线和MUSIC算法的雷达信号接收机。在宽带数字中频技术中，ADc将尽可能的靠近天线来采样模拟中频上的射频信号来增加监视带宽和获得更多的输入信号信息【62】。但是，ADc的提前、采样率的提高带来了数据量的增多，对后端DsP的处理速度提出了严峻的挑战【63】。如果直接使用NyquiSt低通采样定理采样，由该定理得采样率至少大于信号最高频率的两倍，这显然对采样率要求较高。利用带通采样定理，要求采样率4第一章绪论至少大于信号带宽的两倍，这对于一个带通信
31、号而言显然相比较低通采样定理要求的采样率变小了。当然随着宽带数字中频技术的不断发展，涌现出许多采样技术，压缩感知技术就是其一【64】65】。文献【66】指出压缩感知技术的前提是稀疏假设，即信号在频域上是稀疏的，且有一组固定的基组成其频谱。研究表明任何满足稀疏假设的信号都可以从欠采样的数据中恢复出原始信号信息。由于在实际的应用中，很多射频信号在频域都是稀疏的，所以压缩感知能成为现实，而且ENOB(有效位数)和带宽覆盖的权衡也不再是设计中的限制。显然本项目中设计的实时频谱仪的带宽还只是160MHz，所以带通采样定理就能进行采样，而且实时频谱仪需要实时显示信号当前的频谱状态不适合信号的压缩感知。文献
32、【60】也提出了一种延迟欠采样技术。该采样技术的原理是首先对两路具有一定相位延迟的信号进行欠采样，接着对采样后的数据分别进行傅里叶变换，把两路数据从时域转换为频域，然后对转换后频域上的数据进行分析得到余数频率和相位，最后再根据欠采样条件下频率与相位之间的关系得到信号的真实频率。通过给信号加窗或者增加信道降低旁瓣这两个方法能够解决该方法中存在的固定店频率模糊问题。显然这种方法的优点是由于不受采样定理的限制，能够降低采样率，减少数据量，但是其缺点是由于高精度延迟实现难度大，相位难以得到保证。针对高达数GHz带宽的信号，如果直接采用奈奎斯特采样定理进行采样，高速ADC带来的数据量的增加将给信号处理带
33、来巨大压力，目前为止尚无有效的解决方法。面对现代日益复杂多变的信号环境，信号通带匹配接收技术能够减缓后端数据处理难度。但是其成果也仅为合作信号形式下的互联网络【67】、光通信【68】和自动化控制【69】等领域。在宽带数字中频技术中，传统典型的数字下变频方式是模拟信号经过ADC后，与数控振荡器产生的信号进行混频，将目标信号混频至低频，再进行低通滤波后，按带宽对低频信号进行抽取，得到I、Q两路基带数字正交信号【70】，【7l】。显然运用此方法，前段越)C输出的数据流与后端DsP的吞吐率必须保持一致。文献72】，【73】提出了一种宽带数字下变频的多相滤波高效结构。在该结构中，将覆盖带按50重叠划分信
34、道，利用下变频序列的周期为信号抽取比的整数倍关系，只计算被抽取点数据，不计算抽取点以外的数据，节省了一个低通滤波器组，用并行结构实现高速、高效滤波，系统的复杂性大大降低，极大地提高了运算效率及算法的工程可实现性。本项目中的数字下变频利用信号采样频率与中频的特殊性质，免去了混频的乘法计算，同样节省了大量的资源与计算时间。在宽带数字中频技术中，传统的采样率转换算法采用抽取和插值相结合的算法，先对原始信号进行插值，再对插值后的信号进行抽取来完成采样率的转换，利用多相或者多级来实现滤波操作。虽然传统的采样率转换算法能高效的进行采样率转换操作，但是其只适用于抽取和插值的倍数小于5东南大学硕士学位论文10
35、倍的采样率转换情况。对于不适用于传统采样率转换算法的转换类型，文献74】提出了小波数字滤波器的方法，但是小波滤波器也有其缺点，就是其阻带对滤波器系数的敏感度很高【82】，【83】。文献【29】，【84】提出了一种利用正弦函数内插产生分数采样的信号采样率转换方法。此方法的原理与插值法中的Sinc插值法类似【85】，但是，这种方法需要一个很大的表格来存储滤波器的系数，空间需求很大。文献75】，【88】，【89】提出了一种基于B样条多项式插值的采样率转换的方法。这个方法的优点是两种采样率之间的转换和逆转换所用的滤波器的系数是相同的，但是其缺点是生成每一个DAT格式的输出样点，分数延迟滤波器的系数都要
36、重新计算一次，计算量非常庞大【76】。文献【77】提出了基于Farrow结构的有限脉冲响应(FIR)分数延迟滤波器的方法。在F撇w结构的分数延迟滤波器中，每一个新输入的采样点，只有分数延迟参数发生变化，Fa玎ow结构滤波器的系数不变。因此，这种方法不仅所需运算量小，所消耗的存储空间和运算时间都较小【86】，【87】。本项目中从编程难度和自身FPGA的资源出发，考虑使用利用正弦函数内插产生分数采样的信号的采样率转换方法。在宽带数字中频技术中，FFT作为时域信号转换成频域信号的工具，被广泛应用于实时频谱仪的数字信号处理中。在FFT中，频率分辨率与FFT点数成正比，FFT运算点数越多频率分辨率越高，
37、其运算量也越大，运算时间也越长；时间分辨率与FFT运算的窗滑动步长有关，窗滑动步长越小时间分辨率越大，此时系统的运算时间越少，运算量却越大。文献78】，79】，【80】提出了一种并行流水线FFT模块，其优点是能够处理频率分辨率和时间分辨率都比较高的特殊情况，但是其缺点是会占用大量的乘法器资源且运算点数有限。本项目中FPGA足以进行实时的FFT运算，不需要进行多信道运算。13本文开展的主要工作本文围绕宽带数字中频技术，设计了实时频谱仪中针对160MHz分析带宽的宽带数字中频系统。具体开展的工作如下所示：首先从阐述全数字中频处理技术的基础理论入手，本文对信号采样理论、数字下变频理论、采样率变换理论
38、、快速傅里叶变换理论进行分析和探讨，重点介绍了其中的带通信号采样定理、数字混频和正交原理、FIR滤波器理论和结构、离散信号的整数倍抽取、sinc插值法、半带滤波器原理、FFT理论。在此基础上结合宽带数字中频系统的应用需求，提出了适合于FPGA实现的宽带数字中频系统处理方案：首先采用带通采样定理对模拟中频信号进行采样，接着采用数字下变频将中频信号移至零频，又在保证有效信号不失真的前提下，对高速率的数据进行抽取滤波处理，得到低速率基带信号，在此基础上完成后续的FFT处理，提取所需的频谱信息，实现整个频谱仪的频谱测量功6第一苹绪论能。接着本文论述了FPGA中各模块的设计与实现，包括数字下变频模块、采
39、样率转换模块和快速傅里叶变换模块。数字下变频模块中，本文结合具体的采样频率、中频频率，在数字混频理论的基础上提出了一种免去硬件乘法的定点混频算法。同时利用混频后结果包含一半0的特殊性，设计了一种只需普通FIR滤波器四分之一乘法器的低通抽取滤波器，并用FPGA实现。采样率转换模块中，本文结合Sm插值算法理论，提出了一种12倍抽取滤波器结构，实现了信号的小数倍抽取。同时详细介绍了半带滤波器，在FPGA中利用l2倍抽取滤波器与半带滤波器的级联，进行任意倍的采样率转换。快速傅里叶变换模块中，结合离散信号的加窗与分帧原理，比对了信号加窗和不加窗频谱的区别，接着叙述了FPGA中信号的加窗与分帧操作，最后利
40、用FPGA中的FFT IP核对信号进行快速傅里叶变换。在此基础上，本文还论述了宽带数字中频系统中板卡的硬件结构。宽带数字中频系统的硬件板卡分为FPGA硬件板卡和DsP硬件板卡。本文总体概述了整个宽带数字中频系统硬件连接的原理图，并分别说明了数字中频信号处理模块、大容量数据存储模块、PCIe模块、DsP模块中FPGA的内部模块划分，与FPGA与外部芯片的连接，同时也展示了各模块的原理图。本文也重点介绍了数字中频信号处理模块，说明了该模块中ADS5474模数转换芯片通过采样把模拟信号转换为数字信号同时利用源同步时钟进行数据传输的过程，同时也说明了FPGA通过对时钟信号进行延时，进而接收采样信号的过
41、程，即把一路200MHz的DDR信号转为二路sDR信号的过程。本文还展示了FPGA硬件板卡和DSP硬件板卡的真实图片，并加以说明。最后对宽带数字中频系统进行了M0delSirIl仿真和硬件平台实机功能验证。本文通过M0delSiIIl仿真软件分别对宽带数字中频系统中FPGA的各个模块，进行仿真，得到时序仿真图，验证各个模块功能的正确与完整性。同时利用Matlab工具，分析了测试数据文档与仿真结果文档的数据，利用时域与频域上的坐标图，对各模块的功能进行验证。然后搭建实机测试平台，进行实机测试，抓取在实机测试时得到的数据，并使用Matlab工具进行数据分析，验证了宽带数字中频系统在实机测试时功能的
42、完整性。14论文研究内容与结构安排本文共有六个章节，每个章节的安排为：第一章为引言，主要介绍实时频谱分析仪的研究背景，分别简要介绍了传统的超外差式频谱仪、矢量信号分析仪(VSA)、实时频谱仪(RsA)，并阐明了国内外实时频谱分析仪与宽带数字中频技7东南大学硕士学位论文术的研究现状，在此基础上说明研究宽带实施频谱分析仪的意义。第二章为宽带数字中频系统理论基础。分别介绍了：信号采样定理，包括N-yquist采样定理和带通信号采样定理；数字下变频理论，包括数字混频和正交原理、FIR滤波器的理论和结构、离散信号的整数倍抽取；采样率转换理论，包括SiIlc插值定理和半带滤波器原理；FFT的理论基础。第三章为宽带数字中频系统的FPGA设计与实现。通过提出宽
