全国研究生电子设计大赛

全国研究生电子设计大赛全数字FM接收机学校：成都信息工程学院目录1.绪论.................................................................................................................................................12.系统总体与指标设计.....................................................................................................................12.1系统总体简介..........................................................................................................................12.2A/D转换器的选择..................................................................................................................22.3数控振荡器（NCO）指标.....................................................................................................22.4高速抽取滤波器指标..............................................................................................................32.5邻频抑制FIR低通滤波器指标..............................................................................................32.6数字FM解调方法..................................................................................................................42.7低速抽取滤波器指标..............................................................................................................52.8音频输出..................................................................................................................................63.系统硬件的实现.............................................................................................................................63.1射频前端..................................................................................................................................83.2电源..........................................................................................................................................93.3A/D转换器电路......................................................................................................................93.4FPGA最小系统电路.............................................................................................................103.5音频输出电路........................................................................................................................123.6功率放大电路........................................................................................................................124.设计总结.......................................................................................................................................16附件.......................................................................................................................................................181/211.绪论软件无线电是上世纪末新兴的一门学科，它突破了传统的无线电台以硬件为核心的功能单一、可扩展性差的设计局限性，强调以可编程的硬件作为通用平台，尽量地用可升级、可重配置的软件来实现各种无线电功能的设计新思路。软件无线电是多频段无线电，它具有宽带的天线、射频前端、模-数/数-模变换，能够支持多个空中接口和协议，在理想的状态下，所有方面(包括物理空中接口)都可以通过软件来定义。软件无线电不仅能应用在通信领域，也可以应用在无线电工程的其他相关领域，如：雷达、电子战、导航、广播电视、测控等领域。针对频带为88~108MHz，最大频率偏差为75KHz的FM信号，本设计实现了一种宽带中频带通直接采样的FM全数字接收系统。在具体设计方面，首先，通过MATLAB进行系统的仿真；然后，利用FPGA平台实现FM信号的解调以及音频输出；最后，通过丁类音频功率放大器输出声音。主要技术包括：数字混频、CIC抽取滤波及补偿、FIR低通滤波、FM数字解调和音频功率放大等。2.系统总体与指标设计2.1系统总体简介98Mhz20MhzADCXilinxFPGAXC6SLX9语音芯片UDA1341TSD类音频功率放大器状态指示灯LR80MHz耳机频道切换按钮AMP图2-1系统框图2/212.2A/D转换器的选择首先，确定A/D转换器的采样速率。根据过渡带允许混叠时的带通采样定理。0214snff，1sfrB（3-1）其中0,1,2,3,n为正整数；r为抗混叠滤波器的矩形系数。取sf为80MHz，n为2，那么中心频率0f为100MHz。考虑到覆盖FM信号88~108MHz的频道范围，带宽B最小为24MHz，那么由1sfrB（3-2）可得2.33r，对于前端的LC带通滤波器，这是完全可实现的。其次，确定A/D转换器的分辨率。因为器件的分辨率越高，所需的输入信号幅度越小，对模拟前端的放大量要求也越小。A/D的分辨率主要取决于器件的转换位数和器件的信号输入范围。考虑到FM信号较通信信号要清晰的多，因此可以选择转换位数在10bit以内，Vpp范围在2V以上的A/D转换器件。再次，确定A/D的模拟输入带宽。A/D转换器的模拟输入带宽指标是衡量其内部采样保持性能的重要指标，A/D器件的采样孔径误差越小，其模拟输入带宽就越宽，所能适应的输入信号频率也就越高。对于中频以上的带通采样，模拟输入带宽必需高于输入采样信号的最高频率。因此，A/D转换器的模拟输入带宽必需在108M以上。最后，确定A/D的动态范围以及其他接口参数。考虑到电源的结构，系统处理要求，选择3.3V供电，TTL电平，2进制补码并行输出的A/D转换器件。综合以上考虑，本设计选择美国ADI公司的AD9215BRU-105器件作为中频带通直接采样的A/D转换器。2.3数控振荡器（NCO）指标NCO是决定数字下变频性能的最主要因素之一。NCO的性能与数据位数有关，NCO的数据位数包括相位数据位数和相位的正弦值数据的位数。根据Xilinx公司给出的DDS输出频率分辨率公式2nclkBff（3-3）假设系统时钟clkf为80MHz，相位数据位数nB取为32，则输出频率分辨率将达到0.0186Hz，3/21满足要求。考虑到A/D的数据位10位，以及数字混频后的输出位宽不易过宽，固NCO的输出位宽选择16位是比较合适的。2.4高速抽取滤波器指标当信号通过数字下变频处理后，位宽已经展宽到25位，数据率为80MHz。要实现高速抽取滤波，又能节省硬件资源。级联积分器梳妆滤波器（CIC滤波器）因有不许乘法运算的优势尤其适合做高速抽取，其次是适合做2M倍抽取或内插的半带滤波器。通常的方案是CIC加半带滤波器的方法实现高速，多倍抽取。但在本设计中，考虑到硬件资源以及算法的精简性，采用CIC直接高倍抽取加CIC补偿的方法。首先，设计一个抽取倍数为128，延时参数为1，6级级联的CIC滤波器。考虑到高倍抽取带来的通带畸变，必须在后级加以补偿，提高通带特性。所以，在速率将为625KHz后，马上要进行CIC补偿滤波。经过补偿的CIC滤波器的幅频响应，通带局部放大图如图3-2所示。补偿后的滤波器3dB通带截至频率在200KHz附近，在250KHz和450KHz附近阻带衰减最大，达到了-50dB。在保全有用信号的同时，完全能够抑制抽取带来的混叠效应。图3-2经过补偿的CIC滤波器的幅频响应，通带局部放大图2.5邻频抑制FIR低通滤波器指标完成高速抽取滤波后，数据速率已经降低到625KHz，可以做高阶的FIR滤波。由于一般FM信号的频偏在75KHz以内，所以设计的FIR低通滤波器通带频率指标必须稍稍大于75KHz。FM信号不同频道之间的间隔为200KHz，所以阻带频率不超过200KHz最好。本设计主要考虑，上一级滤波得阻带衰减并不是特别理想，需要进一步抑制阻带内的无用信号。因此，采用高阶阻带特性好的FIR4/21低通滤波器。采用Equiripple方法设计，其幅频响应局部放大图如图3-3所示。可见，阻带衰减在图3-3FIR低通滤波器幅频响应局部放大图115KHz附近时达到了-80dB，满足设计要求。该滤波器为68阶FIR滤波器。2.6数字FM解调方法解调是软件无线电中最为关键的信号处理能力。本文使用I/Q信号对接收数据进行解调，FM的表达式为：00cosnmknAnsc（3-4）对信号进行正交分解后得：同相分量：00cosnmkAnXI正交分量：00sinnmkAnXQ对正交与同相分量之比值反正切运算：arctanQIXnX（3-5）可以得到：1fnnn（3-6）利用上式就可以得到瞬时频率nf.5/212.7低速抽取滤波器指标在数据率为625KHz时，进行完FM数字解调后，直接面对的就是音频信号。而要解出