軟件無線電(SDR，Software Defined Radio)由于具備傳統(tǒng)無線電技術(shù)無可比擬的優(yōu)越性，已成為業(yè)界公認(rèn)的現(xiàn)代無線電通信技術(shù)的發(fā)展方向。理想的軟件無線電系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和可編程性，減少靈活性著的硬件電路，把數(shù)字化處理(ADC和DAC)盡可能靠近天線，通過軟件的更新改變硬件的配置、結(jié)構(gòu)和功能。目前，直接對射頻(RF)進(jìn)行采樣的技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)普及的產(chǎn)品化，而用數(shù)字變頻器在中頻進(jìn)行數(shù)字化是普遍采用的方法，其主要思想是，數(shù)字混頻器用離散化的單頻本振信號與輸入采樣信號在乘法器中相乘，再經(jīng)插值或抽取濾波，其結(jié)果是，輸入信號頻譜搬移到所需頻帶，數(shù)據(jù)速率也相應(yīng)改變，以供后續(xù)模塊做進(jìn)一步處理。數(shù)字變頻器在發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備中分別稱為數(shù)字上變頻器(DUC，Digital Upper Converter)和數(shù)字下變頻器(DDC，Digital Down Converter)，它們是軟件無線電通信設(shè)備的關(guān)鍵部什。大規(guī)模可編程邏輯器件的應(yīng)用為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來極大的靈活性?；贔PGA的數(shù)字變頻器設(shè)計(jì)是深受廣大設(shè)計(jì)人員歡迎的設(shè)計(jì)手段。本文的重點(diǎn)研究是數(shù)字下變頻器(DDC)，然而將它與數(shù)字上變頻器(DUC)完全割裂后進(jìn)行研究顯然是不妥的，因此，本文對數(shù)字上變頻器也作適當(dāng)介紹。 第一章簡要闡述了軟件無線電及數(shù)字下變頻的基本概念，介紹了研究背景及所完成的主要研究工作。 第二章介紹了數(shù)控振蕩器(NCO)，介紹了兩種實(shí)現(xiàn)方法，即基于查找表和基于CORDIC算法的實(shí)現(xiàn)。對CORDIc算法作了重點(diǎn)介紹，給出了傳統(tǒng)算法和改進(jìn)算法，并對基于傳統(tǒng)CORDIC算法的NCO的FPGA實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了EDA仿真。 第三章介紹了變速率采樣技術(shù)，重點(diǎn)介紹了軟件無線電中廣泛采用的級聯(lián)積分梳狀濾波器 (cascaded integratot comb， CIC)和ISOP(Interpolated Second Order Polynomial)補(bǔ)償法，對前者進(jìn)行了基于Matlab的理論仿真和FPGA實(shí)現(xiàn)的EDA仿真，后者只進(jìn)行了基于Matlab的理論仿真。 第四章介紹了分布式算法和軟件無線電中廣泛采用的半帶(half-band，HB)濾波器，對基于分布式算法的半帶濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了EDA仿真，最后簡要介紹了FIR的多相結(jié)構(gòu)。 第五章對數(shù)字下變頻器系統(tǒng)進(jìn)行了噪聲綜合分析，給出了一個噪聲模型。 第六章介紹了數(shù)字下變頻器在短波電臺中頻數(shù)字化應(yīng)用中的一個實(shí)例，給出了測試結(jié)果，重點(diǎn)介紹了下變頻器的：FPGA實(shí)現(xiàn)，其對應(yīng)的VHDL程序收錄在本文最后的附錄中，希望對從事該領(lǐng)域設(shè)計(jì)的技術(shù)人員具有一定參考價值。
隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，數(shù)字集成電路被廣泛應(yīng)用。通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備互連的標(biāo)準(zhǔn)接口之一，是一種點(diǎn)對點(diǎn)的通信接口，可同時支持多個外圍設(shè)備。USB2.0規(guī)范的通信速率非常高，其峰值可達(dá)480Mbit/s，使得它已經(jīng)成為目前最流行的外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)。FPGA芯片是今后電子產(chǎn)品發(fā)展的趨勢，帶有USB接口的FPGA系統(tǒng)將有很好的市場需求和發(fā)展前景。
論文主要從研究FPGA的結(jié)構(gòu)、Xilinx公司Spartan3F系列中的XC3S400的引腳功能、了解FPGA開發(fā)流程、熟悉USB2.0的通信協(xié)議以及驅(qū)動的一些基本知識入手，目的是完成帶有USB接口的FPGA的PCB板的制作和FPGA內(nèi)部程序的編寫以及USB固件的開發(fā)。結(jié)合了Cypress公司的上位機(jī)，開發(fā)了基于USB接口的FPGA和PC機(jī)通信系統(tǒng)，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。論文研究了Xilinx的3S400芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各個引腳的功能，設(shè)計(jì)了關(guān)于Xilinx的3S400最小系統(tǒng)電路圖，在Xilinx的FPGA的開發(fā)環(huán)境，編寫了FPGA的代碼。由于FPGA內(nèi)嵌的USB2.0的內(nèi)核價格昂貴，需要向生產(chǎn)FPGA的芯片廠商購買，因此論文選擇了外接USB芯片，雖然增加了PCB板的面積，但其開發(fā)成本較低，且技術(shù)成熟，大多數(shù)USB通信研究者進(jìn)行廣泛研究。論文在詳細(xì)介紹了USB2.0的通信協(xié)議，Cypress公司生產(chǎn)的CY7C68013芯片的結(jié)構(gòu)，以及其固件的開發(fā)基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于FPGA的USB與PC機(jī)的通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)可以和上位機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，為大批量的數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品的開發(fā)提供了研究和生產(chǎn)的基礎(chǔ)。
