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2系统总体与指标设计
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 1
2. 系统总体与指标设计 1
2.1 系统总体简介 1
2.2 A/D转换器的选择 2
2.3 数控振荡器(NCO)指标 2
2.4 高速抽取滤波器指标 3
2.5 邻频抑制FIR低通滤波器指标 3
2.6 数字FM解调方法 4
2.7 低速抽取滤波器指标 5
2.8 音频输出 6
3. 系统硬件的实现 6
3.1 射频前端 8
3.2 电源 9
3.3 A/D转换器电路 9
3.4 FPGA最小系统电路 10
3.5 音频输出电路 12
3.6 功率放大电路 12
4. 设计总结 16
附件 18
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。
系统总体与指标设计
系统总体简介
图2-1 系统框图
A/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。
, (3-1)
其中为正整数;为抗混叠滤波器的矩形系数。
取为80MHz,为2,那么中心频率为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
(3-2)
可得,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。
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
(3-3)
假设系统时钟为80MHz,相位数据位数取为32,则输出频率分辨率将达到0.0186Hz,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。
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
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