基于零中频的频谱分析和相位差测量设备硬件设计
发布时间：2021-09-02 15:47
随着无线电技术的飞速发展,越来越多的无线电设备被广泛使用,日益增多的无线通信设备会占用更多的频谱资源并加剧信号之间的电磁干扰。为了确保无线通信能够正常进行,现代的部分通信设备除了满足本身的功能需求外还要求具备通信频谱监测和分析的能力。使用传统的台式频谱测量设备,体积稍大且功耗较高,只作为一个无线通信设备的频谱测量模块显得过于浪费,因此设计一款低功耗、体积小,具备扩展性的频谱监测模块符合部分通信设备的使用需求。在频谱测量的基础上,增加相位差测量的功能,相位差是表征两个信号关系的一个重要指标,可以通过测定相位差间接的完成其它参数测量,如信号的频率,输入输出信号的相位关系。本文的主要研究内容如下:1、根据需求指标,拟定总体设计方案,并对总体方案中的各个部分的设计方案进行可行性论证和分析。经过分析论证,采用零中频架构的接收机作为射频前端接收机,并采用FPGA（Field Programmable Gate Array）作为基带处理器,CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect）总线接口作为数据通信接口。2、根据确定的总体设计方案,对设备的硬件电...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AD9361数据接收时序仿真图
第四章设备逻辑设计37图4-6蝶形运算符号可以再对N/2序列的数据进行分解，得到N/4长度的序列，可得到式(4-13)和式(4-14):1(2)=3()(4-13)1(2+1)=4()(4-14)则其运算可相应分为式(4-12)所示的两项：1()=∑1(2)41=022+∑141=0(2+1)/2(2+1)=3()+24()(=0,1,,41)(4-15)将系数统一为以N为周期，即2=2，可得式(4-17)和(4-18)：1()=3()+24()(4-16)(+/4)=3()24()(=0,1,,41)(4-17)同样，对2X(k)也可进行类似的分解。依次类推，最后分解成两两一对的DFT序列。对于一个N=4096=212的DFT运算，就是2048个2点DFT。4.3.1.2FFT算法逻辑设计根据4.3.1.1小节的公式推导，需要把这些公式推导通过转化为硬件的逻辑设计。本设计所采用的FFT设计是调用Altera公司自带的FFTIP核，数据的转换长度为4096个点，数据的输入精度为12bit，旋转因子的输出精度与数据的输入精度一致。虽然是直接调用FFTIP核，但是需要对输入输出数据进行存储和处理，与此同时，还需要整个时序实现控制，对FFT进行相应控制。整体的FFT实现框图如图4-7所示。该部分的逻辑设计主要是对AD9361接收过来的数字基带信号，进行FFT计算。主要的逻辑实现由以下几个模块组成：数据输入转换模块、数据存储器RAM、FFT_IP计算模块、数据溢出检测模块、数据溢出截位模块、FFT时序控制模块。整个逻辑设计思路是：数据输入转换模块从外部接收需要计算的数据，即I/Q
第四章设备逻辑设计39图4-8中信号的定义如下：I_data_in[11..0]：输入12位的I路数据；Q_data_in[11..0]：输入12位的Q路数据；I_data_out[13..0]：符号扩展后14位的I路数据；Q_data_out[13..0]：符号扩展后14位的Q路数据；这部分的主要代码是：assignI_data_out={I_data_in[11],I_data_in[11],I_data_in};assignQ_data_out={Q_data_in[11],Q_data_in[11],Q_data_in};2、SRAM存储模块逻辑设计在进行FFT或相位差计算的时候，它们的数据来源是存储在SRAM中的I/Q数据，对SRAM的读写操作将在4.4小节进行详细介绍。3、FFTIP核调用在QuartusII13.0提供了FFTIP核，我们只需要配置相关的参数，就可以使用该IP核进行FFT的运算，它的IP核的输入输出信号模块框图如图4-9所示。图4-9FFTIP核数据接口框图在该模块的参数配置中，根据前面的参数指标设定，数据转换的点数应该为4096个点，I/Q数据的输入位宽应该为14bits，旋转因子的位宽应该跟输入数据的精度保持一致，即也为14bits，它的输入/输出数据流的方式设置为Streaming模式，它的运算速度更快，但是占用的逻辑资源更多。在这次设计中，对速度的要求更高，所以选择Streaming模式，根据FFTIP核模块中的信号定义，进行相应的时序控制逻辑设计，它的输入输出接口信号的定义如表4-8所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A digital signal processor（DSP）-based system for embedded continuous-time cuffless blood pressure monitoring using single-channel PPG signal[J]. Qirui ZHANG,Qingsong XIE,Kefeng DUAN,Bo LIANG,Min WANG,Guoxing WANG. Science China（Information Sciences）. 2020(04)
[2]煤发电厂大地网接地电阻测量方法及影响因素分析[J]. 史锡军,杨清,欧林忠. 农业灾害研究. 2020(01)
[3]一种基于SystemVerilog的CORDIC算法IP核实现方案[J]. 盛业斐. 通信技术. 2020(01)
[4]采用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读卡器射频前端[J]. Van Yang,Eagle Zhang,Aaron He. 世界电子元器件. 2019(10)
[5]探究影响直流稳压电源纹波系数的原因及抑制方法[J]. 胡杰,施琴,陈沐,李胜. 中国电子教育. 2019(03)
[6]无线充电设备国内外频谱管理现状综述[J]. 滕瑞莲,韩宝石. 中国无线电. 2019(07)
[7]多通道甚高频超外差式接收机的设计[J]. 钱梦园,杨国斌,张援农,姜春华. 现代电子技术. 2019(09)
[8]基于apFFT的I/Q通道幅相误差校正算法[J]. 杜梦园,赵宏钟,贠龄童. 无线电工程. 2019(04)
[9]基于FPGA的CORDIC算法实现[J]. 蔡权利,高博,龚敏. 电子器件. 2018(05)
[10]以太网的数控系统数字接口技术分析[J]. 黄传梅. 数字技术与应用. 2016(02)
硕士论文
[1]认知无线电系统中能量有效的频谱感知与接入技术研究[D]. 谢晨升.南京邮电大学 2019
[2]通信模拟器收发信机射频设备变频器单元设计与实现[D]. 郑明青.南京邮电大学 2019
[3]相干光通信系统中DPSK解调技术的研究[D]. 王义.西安理工大学 2019
[4]具有快速响应的低压差线性稳压器电路的研究与设计[D]. 王娜.湘潭大学 2019
[5]基于FPGA的高速、高精度FFT处理方案研究与实现[D]. 雷玉飞.西安电子科技大学 2019
[6]脉冲噪声下相位编码信号的参数估计[D]. 郝浪浪.西安电子科技大学 2019
[7]FDD大规模MIMO系统下行信道重构方法[D]. 谢松伯.中国科学技术大学 2019
[8]基于AD936X的无线收发机设计与实现[D]. 严旭东.西安电子科技大学 2018
[9]实时频谱分析仪数字处理前端模块设计[D]. 江易蔚.电子科技大学 2018
[10]基于ZYNQ与AD9361的微型频谱监测设备的设计与实现[D]. 刘健.电子科技大学 2018
本文编号：3379287
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AD9361数据接收时序仿真图
第四章设备逻辑设计37图4-6蝶形运算符号可以再对N/2序列的数据进行分解，得到N/4长度的序列，可得到式(4-13)和式(4-14):1(2)=3()(4-13)1(2+1)=4()(4-14)则其运算可相应分为式(4-12)所示的两项：1()=∑1(2)41=022+∑141=0(2+1)/2(2+1)=3()+24()(=0,1,,41)(4-15)将系数统一为以N为周期，即2=2，可得式(4-17)和(4-18)：1()=3()+24()(4-16)(+/4)=3()24()(=0,1,,41)(4-17)同样，对2X(k)也可进行类似的分解。依次类推，最后分解成两两一对的DFT序列。对于一个N=4096=212的DFT运算，就是2048个2点DFT。4.3.1.2FFT算法逻辑设计根据4.3.1.1小节的公式推导，需要把这些公式推导通过转化为硬件的逻辑设计。本设计所采用的FFT设计是调用Altera公司自带的FFTIP核，数据的转换长度为4096个点，数据的输入精度为12bit，旋转因子的输出精度与数据的输入精度一致。虽然是直接调用FFTIP核，但是需要对输入输出数据进行存储和处理，与此同时，还需要整个时序实现控制，对FFT进行相应控制。整体的FFT实现框图如图4-7所示。该部分的逻辑设计主要是对AD9361接收过来的数字基带信号，进行FFT计算。主要的逻辑实现由以下几个模块组成：数据输入转换模块、数据存储器RAM、FFT_IP计算模块、数据溢出检测模块、数据溢出截位模块、FFT时序控制模块。整个逻辑设计思路是：数据输入转换模块从外部接收需要计算的数据，即I/Q
第四章设备逻辑设计39图4-8中信号的定义如下：I_data_in[11..0]：输入12位的I路数据；Q_data_in[11..0]：输入12位的Q路数据；I_data_out[13..0]：符号扩展后14位的I路数据；Q_data_out[13..0]：符号扩展后14位的Q路数据；这部分的主要代码是：assignI_data_out={I_data_in[11],I_data_in[11],I_data_in};assignQ_data_out={Q_data_in[11],Q_data_in[11],Q_data_in};2、SRAM存储模块逻辑设计在进行FFT或相位差计算的时候，它们的数据来源是存储在SRAM中的I/Q数据，对SRAM的读写操作将在4.4小节进行详细介绍。3、FFTIP核调用在QuartusII13.0提供了FFTIP核，我们只需要配置相关的参数，就可以使用该IP核进行FFT的运算，它的IP核的输入输出信号模块框图如图4-9所示。图4-9FFTIP核数据接口框图在该模块的参数配置中，根据前面的参数指标设定，数据转换的点数应该为4096个点，I/Q数据的输入位宽应该为14bits，旋转因子的位宽应该跟输入数据的精度保持一致，即也为14bits，它的输入/输出数据流的方式设置为Streaming模式，它的运算速度更快，但是占用的逻辑资源更多。在这次设计中，对速度的要求更高，所以选择Streaming模式，根据FFTIP核模块中的信号定义，进行相应的时序控制逻辑设计，它的输入输出接口信号的定义如表4-8所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A digital signal processor（DSP）-based system for embedded continuous-time cuffless blood pressure monitoring using single-channel PPG signal[J]. Qirui ZHANG,Qingsong XIE,Kefeng DUAN,Bo LIANG,Min WANG,Guoxing WANG. Science China（Information Sciences）. 2020(04)
[2]煤发电厂大地网接地电阻测量方法及影响因素分析[J]. 史锡军,杨清,欧林忠. 农业灾害研究. 2020(01)
[3]一种基于SystemVerilog的CORDIC算法IP核实现方案[J]. 盛业斐. 通信技术. 2020(01)
[4]采用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读卡器射频前端[J]. Van Yang,Eagle Zhang,Aaron He. 世界电子元器件. 2019(10)
[5]探究影响直流稳压电源纹波系数的原因及抑制方法[J]. 胡杰,施琴,陈沐,李胜. 中国电子教育. 2019(03)
[6]无线充电设备国内外频谱管理现状综述[J]. 滕瑞莲,韩宝石. 中国无线电. 2019(07)
[7]多通道甚高频超外差式接收机的设计[J]. 钱梦园,杨国斌,张援农,姜春华. 现代电子技术. 2019(09)
[8]基于apFFT的I/Q通道幅相误差校正算法[J]. 杜梦园,赵宏钟,贠龄童. 无线电工程. 2019(04)
[9]基于FPGA的CORDIC算法实现[J]. 蔡权利,高博,龚敏. 电子器件. 2018(05)
[10]以太网的数控系统数字接口技术分析[J]. 黄传梅. 数字技术与应用. 2016(02)
硕士论文
[1]认知无线电系统中能量有效的频谱感知与接入技术研究[D]. 谢晨升.南京邮电大学 2019
[2]通信模拟器收发信机射频设备变频器单元设计与实现[D]. 郑明青.南京邮电大学 2019
[3]相干光通信系统中DPSK解调技术的研究[D]. 王义.西安理工大学 2019
[4]具有快速响应的低压差线性稳压器电路的研究与设计[D]. 王娜.湘潭大学 2019
[5]基于FPGA的高速、高精度FFT处理方案研究与实现[D]. 雷玉飞.西安电子科技大学 2019
[6]脉冲噪声下相位编码信号的参数估计[D]. 郝浪浪.西安电子科技大学 2019
[7]FDD大规模MIMO系统下行信道重构方法[D]. 谢松伯.中国科学技术大学 2019
[8]基于AD936X的无线收发机设计与实现[D]. 严旭东.西安电子科技大学 2018
[9]实时频谱分析仪数字处理前端模块设计[D]. 江易蔚.电子科技大学 2018
[10]基于ZYNQ与AD9361的微型频谱监测设备的设计与实现[D]. 刘健.电子科技大学 2018
本文编号：3379287
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