一种监测接收机的基带数据处理模块设计
发布时间：2020-04-02 16:16
【摘要】：伴随着无线电通信技术的不断发展,包括电视广播、移动通信、雷达等各类无限通信设备正在大量的普及。由此,无线电电磁环境将愈来愈复杂,频谱资源将愈发紧张。为保障更加高效和安全的通信环境,研制具有大带宽、大动态范围、高分辨率的频谱监测接收机是必要的条件保证。本文基于全数字处理的方案,实现了具有频谱测量、模拟解调以及I/Q基带数据时间戳功能的基带数据处理模块。本文首先概述了频谱监测接收机的基本原理,其次结合数字带通采样定理、数字下变频,抽取滤波等理论,论述了基于全数字处理的监测接收机技术及其实现。该方案包括带通采样数据接收、谱分析滤波、模拟信号解调以及基带数据时间戳模块。1.关于带通采样数据接收设计,本文使用16bits 250MSPS高速AD转换芯片做信号采样,旨在实现高无杂散动态范围和高信噪比测量。采样数据流接收采用Xilinx ZynqMP SOC的PL侧高性能(HP)I/O BANK,利用Idelay和IDDR I/O资源实现高速采样数据的接收。2.关于谱分析模块,首先经数字下变频以及可变抽取率CIC+HB滤波,实现最大中频带宽40 MHz,最小分辨率带宽239 Hz。配合射频电路实现最大中频带宽下高达40 GHz/s速度的全景谱扫描。针对特定信号的细致捕捉,可根据信号特征设置触发捕获,一旦满足触发条件,将根据预触发深度读取DDR4缓存的数据进行细致分析。3.对模拟调制信号的解调全部采用数字中频式解调方案。针对不同调制带宽的信号,对量化数据实现不同抽取率的滤波降采样,得到I/Q基带数据流。在此基础上根据不同的调制方式采用不同解调算法对模拟调制信号解调。4.借助外置GPS模块,监测接收机可得到准确的整秒时间信息和PPS秒脉冲,后者配合本地高稳定晶振可以得到高精度的纳秒时间信息,将整秒和纳秒时间信息添加到I/Q基带数据上,实现基带数据时间戳功能。本文完成了监测接收机的各模块的逻辑实现,并使用信号发生器和Vivado逻辑分析(ILA)工具进行了验证测试,测试结果表明本设计满足设计指标要求。
【图文】：
图 3-8 CIC 滤波器 25 抽取时频率响应假设对 2 MHz 的带宽的信号进行分析，对于 250 MHz 的采样率，采用 CIC 抽取 25 倍，2 级半带滤波器级联的方式抽取 4 倍，合计抽取 100 倍，即中频带宽为2.5 MHz。将 2.5 MHz/2 归一化到 fs/2=125 MHz 时候,得到归一化系数为 0.01，这里将 2.5 MHz 除以 2 的原因在于在信号下变频时候，2.5 MHz 的宽带信号在中心频率 ±1 .25MHz范围内，下变频之后信号可被视为以零频为中心 ±1 .25MHz范围内。此时，对照图 3-8 的 CIC 滤波器频率响应曲线，可以发现其衰减大致为-1.26 dB，满足设计 2 MHz 带宽的要求。另外，，该 CIC 滤波在 0.08 归一化频率处达到第一旁瓣的最大衰减，最大衰减达-326 dB。在 CIC 滤波器的阻带范围，阻带衰减最小为-60 dB，可以有效地做到抗混叠滤波。总结 CIC 实现抽取滤波的特点是抽取率大和可灵活的编程改变抽取率，实现方式简单、占用资源较少、抗混叠性能较好。降采样滤波中 HB 滤波器采用 Xilinx 提供的 FIR Compiler v7.2 IP 核来实现半带滤波，在例化 HB 滤波器之前，应该使用 Matlab 生成 HB 滤波器系数。调用 Matlab的 Fdatool 工具进行滤波器设计。如图 3-9，左侧参数设置栏选择 HB 低通滤波器，
图 3-9 Matlab 设计 HB 低通滤波器例化 FIR IP 实现 HB 滤波器的方法如下，在 Filter Option 选项页设置滤波器系数为导入的.coe 文件，并将存储的.coe 文件目录指定。滤波器系数组选择 1，因为本文设计是根据归一化频率来设计的，滤波性能可以满足不同分析带宽的信号。滤波器类型选择抽取滤波（decimation），抽取率设置为默认值 2，在 Channel 页设置 IP 的时钟速率为 250 MHz。在 Implementation 页设置滤波器系数为有符号数，设置系数的位宽与Matlab 量化的指定位宽一致为 16 位，滤波器结构选择 HB滤波，输入数据设置为带符号的，这是因为上一级 CIC 滤波器的输出数据是带符号。输入数据位宽和上一级 CIC 输出截位保持一致为 32 位。输出数据同样采取截位的方式保留 32 位。此外，勾选复位和使能选项，其他设置保持默认即可。完成后可查看数据经过 29 个时钟周期的延时输出。完成 CIC+HB 的抽取滤波后，数据率得以降低，这时信号仅通过 CIC 和 HB滤波器的滤波，两者对带外信号的衰减有限，最后仍需要使用 FIR 进行整形滤波，滤掉带外的噪声和干扰。采用 FIR 滤波器的原因在于其结构决定的高稳定性，其
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN850
本文编号：2612165
【图文】：
图 3-8 CIC 滤波器 25 抽取时频率响应假设对 2 MHz 的带宽的信号进行分析，对于 250 MHz 的采样率，采用 CIC 抽取 25 倍，2 级半带滤波器级联的方式抽取 4 倍，合计抽取 100 倍，即中频带宽为2.5 MHz。将 2.5 MHz/2 归一化到 fs/2=125 MHz 时候,得到归一化系数为 0.01，这里将 2.5 MHz 除以 2 的原因在于在信号下变频时候，2.5 MHz 的宽带信号在中心频率 ±1 .25MHz范围内，下变频之后信号可被视为以零频为中心 ±1 .25MHz范围内。此时，对照图 3-8 的 CIC 滤波器频率响应曲线，可以发现其衰减大致为-1.26 dB，满足设计 2 MHz 带宽的要求。另外，，该 CIC 滤波在 0.08 归一化频率处达到第一旁瓣的最大衰减，最大衰减达-326 dB。在 CIC 滤波器的阻带范围，阻带衰减最小为-60 dB，可以有效地做到抗混叠滤波。总结 CIC 实现抽取滤波的特点是抽取率大和可灵活的编程改变抽取率，实现方式简单、占用资源较少、抗混叠性能较好。降采样滤波中 HB 滤波器采用 Xilinx 提供的 FIR Compiler v7.2 IP 核来实现半带滤波，在例化 HB 滤波器之前，应该使用 Matlab 生成 HB 滤波器系数。调用 Matlab的 Fdatool 工具进行滤波器设计。如图 3-9，左侧参数设置栏选择 HB 低通滤波器，
图 3-9 Matlab 设计 HB 低通滤波器例化 FIR IP 实现 HB 滤波器的方法如下，在 Filter Option 选项页设置滤波器系数为导入的.coe 文件，并将存储的.coe 文件目录指定。滤波器系数组选择 1，因为本文设计是根据归一化频率来设计的，滤波性能可以满足不同分析带宽的信号。滤波器类型选择抽取滤波（decimation），抽取率设置为默认值 2，在 Channel 页设置 IP 的时钟速率为 250 MHz。在 Implementation 页设置滤波器系数为有符号数，设置系数的位宽与Matlab 量化的指定位宽一致为 16 位，滤波器结构选择 HB滤波，输入数据设置为带符号的，这是因为上一级 CIC 滤波器的输出数据是带符号。输入数据位宽和上一级 CIC 输出截位保持一致为 32 位。输出数据同样采取截位的方式保留 32 位。此外，勾选复位和使能选项，其他设置保持默认即可。完成后可查看数据经过 29 个时钟周期的延时输出。完成 CIC+HB 的抽取滤波后，数据率得以降低，这时信号仅通过 CIC 和 HB滤波器的滤波，两者对带外信号的衰减有限，最后仍需要使用 FIR 进行整形滤波，滤掉带外的噪声和干扰。采用 FIR 滤波器的原因在于其结构决定的高稳定性，其
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN850
【参考文献】
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本文编号：2612165
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