中频信号采集及处理模块研制
发布时间：2021-08-13 15:30
随着现代无线通信技术和微电子技术的发展,软件无线电广泛运用于卫星、雷达、民用无线通信、遥感探测等领域,因此对软件无线电系统中的中频信号数字化的需求不断扩大。此外,PXIe总线作为PCIe总线在仪器仪表领域的扩展,因其高速率、高效率和高可靠性广泛运用于模块化仪器中。因此针对中频信号采集需求,本文研制了一款基于PXIe的中频信号采集及处理模块,完成对中频信号的采集、处理、传输和存储。本文首先根据中频信号采集及处理模块的功能和技术指标提出系统总体设计方案并对涉及到的相关理论进行介绍与分析。硬件设计方案中,中频信号采集及处理模块以Xilinx K7系列FPGA为主控芯片,使用ADC芯片AD9690和时钟芯片AD9524完成中频信号的采集,使用数字步进衰减器HMC540和运放LMH6554构成信号调理电路实现信号调理,使用DDR3 SDRAM实现高速数据缓存,使用PXIe接口将板卡与上位机连接实现高速数据传输。逻辑设计方案中,高速数据接收模块使用JESD204B IP核接收ADC发送的采样数据,信号处理模块完成对采样数据的数字下变频处理,高速数据缓存模块使用MIG IP核完成DDR3 SDRAM...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AD9690模拟输入控制
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文24ADC输出格式选择输出链路选择和映射JESD204B链路控制转换器输入SYSREFSYNCINSERDOUT0SERDOUT1SERDOUT2SERDOUT3图3-4JESD204B接口链路简化框图3.2信号调理电路设计中频信号采集及处理模块中信号调理电路主要将输入的模拟中频信号调理成符合ADC芯片输入端要求，能被后端ADC采集电路采集的信号。信号调理电路的好坏将直接影响后端ADC采集到的信号的精确度和稳定性并影响到最终的采样数据的准确性，因此本课题需要设计一个具有高动态性能和高抗干扰性的信号调理电路。中频信号采集及处理模块技术指标要求输入模拟中频信号最大带宽为1GHz，支持最高5Vpp的输入电压，同时选定的ADC芯片AD9690支持的最高输入电压为1.94Vpp且是差分输入。因此在信号调理电路中需要使用衰减电路和单端转差分电路，降低输入模拟信号的幅度并将输入的单端模拟中频信号转为差分信号以符合后端ADC对模拟输入端的要求。图3-5HMC540原理框图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文27使用TI公司的TINA-TI对图3-6单端转差分电路交流特性进行电路仿真，仿真结果如图3-7所示。可以看到该电路-3dB带宽约为2.5GHz，满足中频信号采集及处理模块信号调理电路的设计要求。图3-7单端转差分电路仿真结果3.3高速时钟电路设计3.3.1高速时钟芯片选型中频信号采集及处理模块中根据技术指标分析，高速时钟模块需要为ADC提供最高1GHz的采样时钟，同时还需要为JESD204B接口提供设备时钟。另一方面中频信号采集及处理模块作为软件无线电系统中的一部分，需要能够接收外部输入时钟作为参考时钟，同时输出一路参考时钟信号用于外部同步。中频信号采集及处理模块中时钟信号的质量将对整个系统有着举足轻重的作用。一个低抖动和低相位噪声的时钟信号对中频信号采集及处理模块尤其重要，能决定系统信噪比、信纳比等关键性指标[34]。因此在设计高速时钟电路时必须要考虑时钟抖动和相位噪声带来的影响。鉴频鉴相器PFD电荷泵CP环路滤波器LFP压控振荡器VCO分频器N时钟输出参考时钟输入图3-8荷泵锁相环原理框图高速时钟芯片内部主要是通过电荷泵锁相环（CPPLL）来输出时钟信号。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的磁共振接收机数字下变频设计[J]. 赵超,徐俊成,傅方杰,蒋瑜. 信息技术. 2019(08)
[2]宽窄带通道复用数字下变频设计[J]. 王利华. 电子信息对抗技术. 2019(02)
[3]一种高效多模式雷达数字下变频的设计[J]. 宋伟,秦建新,翟恒峰. 计算机测量与控制. 2018(05)
[4]一种PCIe 3.0高速数据采集卡驱动及上位机软件的实现[J]. 李亚南,吴建斌,谢桂辉,袁林锋. 电子测量技术. 2018(07)
[5]带通采样星载AIS非相干接收机的FPGA实现[J]. 唐然,吴虹,程树军,赵迎新. 电子技术应用. 2018(01)
[6]宽带数字下变频器的FPGA实现[J]. 顾明超,李倩. 无线电通信技术. 2014(05)
[7]一种基于多相结构的高效数字下变频设计[J]. 段国栋,蒋小平,马速良,李娜. 电子技术应用. 2014(04)
[8]FFT方法在ADC有效位测试中的应用探讨[J]. 李海涛,阮林波,田耕,田晓霞,渠红光. 电测与仪表. 2013(10)
[9]软件无线电的研究现状综述[J]. 林婧,王宏,方炜,余钟源,刘元安. 计算机测量与控制. 2011(10)
[10]基于带通采样的数字下变频技术[J]. 董晖,姜秋喜,毕大平. 电子对抗技术. 2004(04)
博士论文
[1]5G移动通信网络中缓存与计算关键技术研究[D]. 贾庆民.北京邮电大学 2019
硕士论文
[1]基于PCI Express的光纤通信卡研制[D]. 朱奇凡.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于PXIe的数据采集模块中数据传输及存储的设计[D]. 姚爽.电子科技大学 2019
[3]10GSPS示波器同步与波形显示技术[D]. 王硕.电子科技大学 2019
[4]基于PCIE协议的高速图像传输系统的设计[D]. 崔倩培.天津工业大学 2019
[5]PXIe总线板卡的设计与实现[D]. 丁泽峰.华中科技大学 2019
[6]基于PCIe总线的高速数据传输技术研究[D]. 柴磊.西安电子科技大学 2018
[7]PXIe宽带信号收发模块采集与产生电路设计[D]. 苏艺飞.电子科技大学 2018
[8]基于PCIe3.0的大容量高速传输与存储系统[D]. 季德林.南京理工大学 2018
[9]软件无线电数字下变频技术的研究及FPGA实现[D]. 周云.西南交通大学 2016
[10]基于软件无线电的移动通信系统研究与设计[D]. 文延东.湖南大学 2016
本文编号：3340683
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AD9690模拟输入控制
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文24ADC输出格式选择输出链路选择和映射JESD204B链路控制转换器输入SYSREFSYNCINSERDOUT0SERDOUT1SERDOUT2SERDOUT3图3-4JESD204B接口链路简化框图3.2信号调理电路设计中频信号采集及处理模块中信号调理电路主要将输入的模拟中频信号调理成符合ADC芯片输入端要求，能被后端ADC采集电路采集的信号。信号调理电路的好坏将直接影响后端ADC采集到的信号的精确度和稳定性并影响到最终的采样数据的准确性，因此本课题需要设计一个具有高动态性能和高抗干扰性的信号调理电路。中频信号采集及处理模块技术指标要求输入模拟中频信号最大带宽为1GHz，支持最高5Vpp的输入电压，同时选定的ADC芯片AD9690支持的最高输入电压为1.94Vpp且是差分输入。因此在信号调理电路中需要使用衰减电路和单端转差分电路，降低输入模拟信号的幅度并将输入的单端模拟中频信号转为差分信号以符合后端ADC对模拟输入端的要求。图3-5HMC540原理框图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文27使用TI公司的TINA-TI对图3-6单端转差分电路交流特性进行电路仿真，仿真结果如图3-7所示。可以看到该电路-3dB带宽约为2.5GHz，满足中频信号采集及处理模块信号调理电路的设计要求。图3-7单端转差分电路仿真结果3.3高速时钟电路设计3.3.1高速时钟芯片选型中频信号采集及处理模块中根据技术指标分析，高速时钟模块需要为ADC提供最高1GHz的采样时钟，同时还需要为JESD204B接口提供设备时钟。另一方面中频信号采集及处理模块作为软件无线电系统中的一部分，需要能够接收外部输入时钟作为参考时钟，同时输出一路参考时钟信号用于外部同步。中频信号采集及处理模块中时钟信号的质量将对整个系统有着举足轻重的作用。一个低抖动和低相位噪声的时钟信号对中频信号采集及处理模块尤其重要，能决定系统信噪比、信纳比等关键性指标[34]。因此在设计高速时钟电路时必须要考虑时钟抖动和相位噪声带来的影响。鉴频鉴相器PFD电荷泵CP环路滤波器LFP压控振荡器VCO分频器N时钟输出参考时钟输入图3-8荷泵锁相环原理框图高速时钟芯片内部主要是通过电荷泵锁相环（CPPLL）来输出时钟信号。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的磁共振接收机数字下变频设计[J]. 赵超,徐俊成,傅方杰,蒋瑜. 信息技术. 2019(08)
[2]宽窄带通道复用数字下变频设计[J]. 王利华. 电子信息对抗技术. 2019(02)
[3]一种高效多模式雷达数字下变频的设计[J]. 宋伟,秦建新,翟恒峰. 计算机测量与控制. 2018(05)
[4]一种PCIe 3.0高速数据采集卡驱动及上位机软件的实现[J]. 李亚南,吴建斌,谢桂辉,袁林锋. 电子测量技术. 2018(07)
[5]带通采样星载AIS非相干接收机的FPGA实现[J]. 唐然,吴虹,程树军,赵迎新. 电子技术应用. 2018(01)
[6]宽带数字下变频器的FPGA实现[J]. 顾明超,李倩. 无线电通信技术. 2014(05)
[7]一种基于多相结构的高效数字下变频设计[J]. 段国栋,蒋小平,马速良,李娜. 电子技术应用. 2014(04)
[8]FFT方法在ADC有效位测试中的应用探讨[J]. 李海涛,阮林波,田耕,田晓霞,渠红光. 电测与仪表. 2013(10)
[9]软件无线电的研究现状综述[J]. 林婧,王宏,方炜,余钟源,刘元安. 计算机测量与控制. 2011(10)
[10]基于带通采样的数字下变频技术[J]. 董晖,姜秋喜,毕大平. 电子对抗技术. 2004(04)
博士论文
[1]5G移动通信网络中缓存与计算关键技术研究[D]. 贾庆民.北京邮电大学 2019
硕士论文
[1]基于PCI Express的光纤通信卡研制[D]. 朱奇凡.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于PXIe的数据采集模块中数据传输及存储的设计[D]. 姚爽.电子科技大学 2019
[3]10GSPS示波器同步与波形显示技术[D]. 王硕.电子科技大学 2019
[4]基于PCIE协议的高速图像传输系统的设计[D]. 崔倩培.天津工业大学 2019
[5]PXIe总线板卡的设计与实现[D]. 丁泽峰.华中科技大学 2019
[6]基于PCIe总线的高速数据传输技术研究[D]. 柴磊.西安电子科技大学 2018
[7]PXIe宽带信号收发模块采集与产生电路设计[D]. 苏艺飞.电子科技大学 2018
[8]基于PCIe3.0的大容量高速传输与存储系统[D]. 季德林.南京理工大学 2018
[9]软件无线电数字下变频技术的研究及FPGA实现[D]. 周云.西南交通大学 2016
[10]基于软件无线电的移动通信系统研究与设计[D]. 文延东.湖南大学 2016
本文编号：3340683
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