【摘要】：伴隨著無線電通信技術(shù)的不斷發(fā)展,包括電視廣播、移動(dòng)通信、雷達(dá)等各類無限通信設(shè)備正在大量的普及。由此,無線電電磁環(huán)境將愈來愈復(fù)雜,頻譜資源將愈發(fā)緊張。為保障更加高效和安全的通信環(huán)境,研制具有大帶寬、大動(dòng)態(tài)范圍、高分辨率的頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)是必要的條件保證。本文基于全數(shù)字處理的方案,實(shí)現(xiàn)了具有頻譜測(cè)量、模擬解調(diào)以及I/Q基帶數(shù)據(jù)時(shí)間戳功能的基帶數(shù)據(jù)處理模塊。本文首先概述了頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)的基本原理,其次結(jié)合數(shù)字帶通采樣定理、數(shù)字下變頻,抽取濾波等理論,論述了基于全數(shù)字處理的監(jiān)測(cè)接收機(jī)技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)。該方案包括帶通采樣數(shù)據(jù)接收、譜分析濾波、模擬信號(hào)解調(diào)以及基帶數(shù)據(jù)時(shí)間戳模塊。1.關(guān)于帶通采樣數(shù)據(jù)接收設(shè)計(jì),本文使用16bits 250MSPS高速AD轉(zhuǎn)換芯片做信號(hào)采樣,旨在實(shí)現(xiàn)高無雜散動(dòng)態(tài)范圍和高信噪比測(cè)量。采樣數(shù)據(jù)流接收采用Xilinx ZynqMP SOC的PL側(cè)高性能(HP)I/O BANK,利用Idelay和IDDR I/O資源實(shí)現(xiàn)高速采樣數(shù)據(jù)的接收。2.關(guān)于譜分析模塊,首先經(jīng)數(shù)字下變頻以及可變抽取率CIC+HB濾波,實(shí)現(xiàn)最大中頻帶寬40 MHz,最小分辨率帶寬239 Hz。配合射頻電路實(shí)現(xiàn)最大中頻帶寬下高達(dá)40 GHz/s速度的全景譜掃描。針對(duì)特定信號(hào)的細(xì)致捕捉,可根據(jù)信號(hào)特征設(shè)置觸發(fā)捕獲,一旦滿足觸發(fā)條件,將根據(jù)預(yù)觸發(fā)深度讀取DDR4緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析。3.對(duì)模擬調(diào)制信號(hào)的解調(diào)全部采用數(shù)字中頻式解調(diào)方案。針對(duì)不同調(diào)制帶寬的信號(hào),對(duì)量化數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)不同抽取率的濾波降采樣,得到I/Q基帶數(shù)據(jù)流。在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同的調(diào)制方式采用不同解調(diào)算法對(duì)模擬調(diào)制信號(hào)解調(diào)。4.借助外置GPS模塊,監(jiān)測(cè)接收機(jī)可得到準(zhǔn)確的整秒時(shí)間信息和PPS秒脈沖,后者配合本地高穩(wěn)定晶振可以得到高精度的納秒時(shí)間信息,將整秒和納秒時(shí)間信息添加到I/Q基帶數(shù)據(jù)上,實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)時(shí)間戳功能。本文完成了監(jiān)測(cè)接收機(jī)的各模塊的邏輯實(shí)現(xiàn),并使用信號(hào)發(fā)生器和Vivado邏輯分析(ILA)工具進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明本設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
【圖文】：

圖 3-8 CIC 濾波器 25 抽取時(shí)頻率響應(yīng)假設(shè)對(duì) 2 MHz 的帶寬的信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)于 250 MHz 的采樣率，采用 CIC 抽取 25 倍，2 級(jí)半帶濾波器級(jí)聯(lián)的方式抽取 4 倍，合計(jì)抽取 100 倍，即中頻帶寬為2.5 MHz。將 2.5 MHz/2 歸一化到 fs/2=125 MHz 時(shí)候,得到歸一化系數(shù)為 0.01，這里將 2.5 MHz 除以 2 的原因在于在信號(hào)下變頻時(shí)候，2.5 MHz 的寬帶信號(hào)在中心頻率 ±1 .25MHz范圍內(nèi)，下變頻之后信號(hào)可被視為以零頻為中心 ±1 .25MHz范圍內(nèi)。此時(shí)，對(duì)照?qǐng)D 3-8 的 CIC 濾波器頻率響應(yīng)曲線，可以發(fā)現(xiàn)其衰減大致為-1.26 dB，滿足設(shè)計(jì) 2 MHz 帶寬的要求。另外，，該 CIC 濾波在 0.08 歸一化頻率處達(dá)到第一旁瓣的最大衰減，最大衰減達(dá)-326 dB。在 CIC 濾波器的阻帶范圍，阻帶衰減最小為-60 dB，可以有效地做到抗混疊濾波�？偨Y(jié) CIC 實(shí)現(xiàn)抽取濾波的特點(diǎn)是抽取率大和可靈活的編程改變抽取率，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、占用資源較少、抗混疊性能較好。降采樣濾波中 HB 濾波器采用 Xilinx 提供的 FIR Compiler v7.2 IP 核來實(shí)現(xiàn)半帶濾波，在例化 HB 濾波器之前，應(yīng)該使用 Matlab 生成 HB 濾波器系數(shù)。調(diào)用 Matlab的 Fdatool 工具進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。如圖 3-9，左側(cè)參數(shù)設(shè)置欄選擇 HB 低通濾波器，

圖 3-9 Matlab 設(shè)計(jì) HB 低通濾波器例化 FIR IP 實(shí)現(xiàn) HB 濾波器的方法如下，在 Filter Option 選項(xiàng)頁設(shè)置濾波器系數(shù)為導(dǎo)入的.coe 文件，并將存儲(chǔ)的.coe 文件目錄指定。濾波器系數(shù)組選擇 1，因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)是根據(jù)歸一化頻率來設(shè)計(jì)的，濾波性能可以滿足不同分析帶寬的信號(hào)。濾波器類型選擇抽取濾波（decimation），抽取率設(shè)置為默認(rèn)值 2，在 Channel 頁設(shè)置 IP 的時(shí)鐘速率為 250 MHz。在 Implementation 頁設(shè)置濾波器系數(shù)為有符號(hào)數(shù)，設(shè)置系數(shù)的位寬與Matlab 量化的指定位寬一致為 16 位，濾波器結(jié)構(gòu)選擇 HB濾波，輸入數(shù)據(jù)設(shè)置為帶符號(hào)的，這是因?yàn)樯弦患?jí) CIC 濾波器的輸出數(shù)據(jù)是帶符號(hào)。輸入數(shù)據(jù)位寬和上一級(jí) CIC 輸出截位保持一致為 32 位。輸出數(shù)據(jù)同樣采取截位的方式保留 32 位。此外，勾選復(fù)位和使能選項(xiàng)，其他設(shè)置保持默認(rèn)即可。完成后可查看數(shù)據(jù)經(jīng)過 29 個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)輸出。完成 CIC+HB 的抽取濾波后，數(shù)據(jù)率得以降低，這時(shí)信號(hào)僅通過 CIC 和 HB濾波器的濾波，兩者對(duì)帶外信號(hào)的衰減有限，最后仍需要使用 FIR 進(jìn)行整形濾波，濾掉帶外的噪聲和干擾。采用 FIR 濾波器的原因在于其結(jié)構(gòu)決定的高穩(wěn)定性，其
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN850

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本文編號(hào)：2612165