钦件无线电系统的 设计与验证 实验指导书 (第号版) 电子科技大学信息与通信工程学院
软件无线电系统的 设计与验证 实验指导书 （第二版） 电子科技大学信息与通信工程学院
实验规则 为了维护正常的实验教学次序，提高实验课的教学质量，顺利的完成各项实 验任务，确保人身、设备安全，特定制如下实验规则： 一、实验前必须对每个实验所要求的预备知识要充分预习，另外还要求： 1、认真阅读本实验指导书分析掌握本次实验的基本原理： 2、完成各实验预习要求中制定的内容： 3、熟悉实验任务 二、 实验时，认真、仔细的写出源程序，进行调试，有问题向指导老师举手提 问： 三、实验时注意观察，如发现有异常现象（电脑故障或仪器故障），必须及时 报告指导老师，严禁私自乱动： 四、实验过程中应仔细观察实验数据并加以记录 五、 自觉保持实验室的肃静、整洁：实验结束后，必须清理实验桌，将实验设 备、工具、连线按规定放好，并填写仪器设备使用记录。 六、凡有下列情况之一者，不准做实验： 1、实验开始后迟到10分钟以上者： 2、实验中不遵守实验室有关规定，不爱护仪器，表现不好而又不服从管 理教育者： 七、实验后，必须认真做好实验报告，下次实验时交实验指导老师批阅。没有 交实验报告者，在规定时间内没有完成视为缺做一次实验。 八、一次未做实验，本实验课成绩视为不及格，原则上与下一届学生进行重修。 以上实验规则，请同学们自觉遵守，并互相监督
实验规则 为了维护正常的实验教学次序，提高实验课的教学质量，顺利的完成各项实 验任务，确保人身、设备安全，特定制如下实验规则： 一、 实验前必须对每个实验所要求的预备知识要充分预习，另外还要求： 1、 认真阅读本实验指导书分析掌握本次实验的基本原理； 2、 完成各实验预习要求中制定的内容； 3、 熟悉实验任务 二、 实验时，认真、仔细的写出源程序，进行调试，有问题向指导老师举手提 问； 三、 实验时注意观察，如发现有异常现象（电脑故障或仪器故障），必须及时 报告指导老师，严禁私自乱动； 四、 实验过程中应仔细观察实验数据并加以记录 五、 自觉保持实验室的肃静、整洁；实验结束后，必须清理实验桌，将实验设 备、工具、连线按规定放好，并填写仪器设备使用记录。 六、 凡有下列情况之一者，不准做实验： 1、实验开始后迟到 10 分钟以上者； 2、实验中不遵守实验室有关规定，不爱护仪器，表现不好而又不服从管 理教育者； 七、 实验后，必须认真做好实验报告，下次实验时交实验指导老师批阅。没有 交实验报告者，在规定时间内没有完成视为缺做一次实验。 八、 一次未做实验，本实验课成绩视为不及格，原则上与下一届学生进行重修。 以上实验规则，请同学们自觉遵守，并互相监督
前 言 “电子信息工程专业实验室位于科C508,拥有20套专业软件无 线电实验平台、2台泰克DP07104数字示波器、2台安捷伦E4438C 信号源、2台安捷伦频谱仪和其他配套设备，能同时开设40个学生 的专业实验。 实验室面向电子信息工程专业学位硕士研究生开设5个实验： 雷达信号产生与处理的设计与验证、软件无线电系统的设计与验证、 自适应波束形成的算法设计与验证、信号最佳接收检测的设计与验 证、线性调频脉冲压缩雷达系统设计与验证。 通过一系列的综合实验，可以加深学生对典型电子系统设计与实 现的理解，突出我校人才培养的专业特色，对提高电子信息工程专业 学位研究生的培养质量、突出培养特色起到了很好的推动作用。 本实验指导书为有效开展软件无线电系统的设计与验证实验提 供指导和依据，首先简单介绍本实验的平台构成，然后介绍软件无线 电系统设计与验证实验设置，并分节介绍实验内容及实验步骤。 1.实验平台结构 电子信息工程专业实验室以软件无线电实验平台MFS-6842为核 心，结合信号源、频谱仪和示波器，开展针对典型电子信息系统的系 列设计与验证实验，整个电子信息工程专业实验室实验平台结构示意 框图如下：
前 言 “电子信息工程专业实验室”位于科 C508，拥有 20 套专业软件无 线电实验平台、2 台泰克 DPO7104 数字示波器、2 台安捷伦 E4438C 信号源、2 台安捷伦频谱仪和其他配套设备，能同时开设 40 个学生 的专业实验。 实验室面向电子信息工程专业学位硕士研究生开设 5 个实验： 雷达信号产生与处理的设计与验证、软件无线电系统的设计与验证、 自适应波束形成的算法设计与验证、信号最佳接收检测的设计与验 证、线性调频脉冲压缩雷达系统设计与验证。 通过一系列的综合实验，可以加深学生对典型电子系统设计与实 现的理解，突出我校人才培养的专业特色，对提高电子信息工程专业 学位研究生的培养质量、突出培养特色起到了很好的推动作用。 本实验指导书为有效开展软件无线电系统的设计与验证实验提 供指导和依据，首先简单介绍本实验的平台构成，然后介绍软件无线 电系统设计与验证实验设置，并分节介绍实验内容及实验步骤。 1. 实验平台结构 电子信息工程专业实验室以软件无线电实验平台MFS-6842 为核 心，结合信号源、频谱仪和示波器，开展针对典型电子信息系统的系 列设计与验证实验，整个电子信息工程专业实验室实验平台结构示意 框图如下：
实验电源 信号源 计算机 11001 顷谱仪 示波器 图1电子信息工程实验室实验平台结构示意框图 该实验平台由软件无线电实验平台MFS-6842、数字示波器、射 频信号源以及频谱仪组成。整个实验平台可以组成典型的软件无线电 系统，可以方便地在中频和射频对整个信号通道上的产生和处理结果 进行观测，有助于学生加深对所学理论知识和实践技能的理解掌握。 2.实验题目 本实验课程设置有以下两个软件无线电系统的设计与验证实验： 实验1.数字下变频器(DDC)的设计与验证 在实验平台上实现一个数字下变频(DDC)系统，完成DDC系 统和工作参数设计，利用MATLAB设计系统模块和对系统功能进行 仿真，编写FPGA程序，对硬件算法进行仿真，最后在实验平台验证 设计结果。 实验2.数字上变频器(DUC)的设计与验证 在实验平台上实现一个数字上变频(DUC)系统，完成DUC系 统和工作参数设计，利用MATLAB设计系统模块和对系统功能进行 仿真，编写FPGA程序，对硬件算法进行仿真，最后在实验平台上验 证设计结果
图 1 电子信息工程实验室实验平台结构示意框图 该实验平台由软件无线电实验平台 MFS-6842、数字示波器、射 频信号源以及频谱仪组成。整个实验平台可以组成典型的软件无线电 系统，可以方便地在中频和射频对整个信号通道上的产生和处理结果 进行观测，有助于学生加深对所学理论知识和实践技能的理解掌握。 2. 实验题目 本实验课程设置有以下两个软件无线电系统的设计与验证实验： 实验 1. 数字下变频器（DDC）的设计与验证 在实验平台上实现一个数字下变频（DDC）系统，完成 DDC 系 统和工作参数设计，利用 MATLAB 设计系统模块和对系统功能进行 仿真，编写 FPGA 程序，对硬件算法进行仿真，最后在实验平台验证 设计结果。 实验 2. 数字上变频器（DUC）的设计与验证 在实验平台上实现一个数字上变频（DUC）系统，完成 DUC 系 统和工作参数设计，利用 MATLAB 设计系统模块和对系统功能进行 仿真，编写 FPGA 程序，对硬件算法进行仿真，最后在实验平台上验 证设计结果
目录 实验1.数字下变频器(DDC)的设计与验证1 实验2.数字上变频器(DUC)的设计与验证. 20 附录A软件无线电实验平台硬件接口配置.36
目录 实验 1. 数字下变频器（DDC）的设计与验证.......................1 实验 2. 数字上变频器（DUC）的设计与验证.....................20 附录 A 软件无线电实验平台硬件接口配置 .......................36
实验1.数字下变频器(DDC)的设计与验证 一、实验原理 1.数字正交解调原理 2.带通采样定理 3.多速率信号处理理论 4.数字FIR滤波器设计理论与方法 二、实验目的 1.掌握DDC的基本原理与实现方法： 2.掌握利用MATLAB帮助系统设计与开发的方法： 3.掌握基于PGA的软件无线电系统的开发流程： 4.掌握软件无线电系统的设计验证方法。 三、实验内容 在实验平台上实现一个数字下变频(DDC)系统，完成DDC系 统和工作参数设计，利用MATLAB设计系统模块和对系统功能进行 仿真，编写FPGA程序，对硬件算法进行仿真，最后在实验平台上验 证设计结果。 DDC系统功能指标：将频率为f。=10.1MHz中频正弦信号经A/D 采样后下变频到0.1MHz,并将数据率降到400Ksps。实验中频频率范 围[10.2MHz:0.1MHz:12.1MHz,根据小组序号选择设计的中频频点。 四、实验器材 信号源、软件无线电系统仿真与验证实验平台、数字示波器 -1-
- 1 - 实验 1. 数字下变频器（DDC）的设计与验证 一、实验原理 1. 数字正交解调原理 2. 带通采样定理 3. 多速率信号处理理论 4. 数字 FIR 滤波器设计理论与方法 二、实验目的 1. 掌握 DDC 的基本原理与实现方法； 2. 掌握利用 MATLAB 帮助系统设计与开发的方法； 3. 掌握基于 FPGA 的软件无线电系统的开发流程； 4. 掌握软件无线电系统的设计验证方法。 三、实验内容 在实验平台上实现一个数字下变频（DDC）系统，完成 DDC 系 统和工作参数设计，利用 MATLAB 设计系统模块和对系统功能进行 仿真，编写 FPGA 程序，对硬件算法进行仿真，最后在实验平台上验 证设计结果。 DDC 系统功能指标：将频率为 0f =10.1MHz中频正弦信号经 A/D 采样后下变频到0.1MHz，并将数据率降到400Ksps。实验中频频率范 围[10.2MHz : 0.1MHz : 12.1MHz]，根据小组序号选择设计的中频频点。 四、实验器材 信号源、软件无线电系统仿真与验证实验平台、数字示波器
五、实验步骤 为说明实验步骤，以如下设计指标为例：将中频频率为 6=10.1Mz的中频正弦信号经A/D采样后下变频到0.1MHz,并将数 据率降到400Ksps 步骤1：设计具体的DDC实现结构与系统工作参数 1)系统结构设计 数字下变频器(DDC)基于数字正交解调理论，包含I、Q两条 正交支路，主要设计模块有：数字控制振荡器(NCO)、低通滤波器 (LPF)和抽取器。 基带路 LPF 抽取 模拟 数字 中频 中频 A/D NCO 基带Q路 抽取 2)确定采样频率 根据题目要求，设输入模拟中频为10.1MHz的正弦信号，对信号 带宽未做要求，此处假设信号带宽为10.1MHz±100kHz，,则输入信号中 心频率为f6=10.1MHz,带宽为△B=200kHz,属于窄带信号，因此可 以使用带通采样实现模拟信号的采样。 假设AD转换部分采样率为f,，根据带通采样定理， f= 4f0 2M+1 f≥2△B -2
- 2 - 五、实验步骤 为说明实验步骤，以如下设计指标为例：将中频频率为 0f =10.1MHz的中频正弦信号经 A/D 采样后下变频到0.1MHz，并将数 据率降到400Ksps。 步骤 1：设计具体的 DDC 实现结构与系统工作参数 1) 系统结构设计 数字下变频器（DDC）基于数字正交解调理论，包含 I、Q 两条 正交支路，主要设计模块有：数字控制振荡器（NCO）、低通滤波器 （LPF）和抽取器。 NCO LPF LPF 抽取 抽取 基带Q路 基带I路 A/D 模拟 中频 数字 中频 2) 确定采样频率 根据题目要求，设输入模拟中频为10.1MHz的正弦信号，对信号 带宽未做要求，此处假设信号带宽为10.1MHz 100kHz ± ，则输入信号中 心频率为 0f =10.1MHz ，带宽为∆ = B 200kHz ，属于窄带信号，因此可 以使用带通采样实现模拟信号的采样。 假设 A/D 转换部分采样率为 sf ，根据带通采样定理， 0 4 2 1 2 s s f f M f B = + ≥ ∆
代入数据，得： M≤50 取f=3.2MHz,此时M≈6，满足带通采样定理要求。因此，经过AD 采样后，数据率为3.2Msps,信号数字域频谱为： 、3 1 1 3 3)设计NCO模块 根据题目要求，A/D采样后射频信号需经过下变频到0.1MHz中 频，则数字本振NCO的频率为： %= NCO混频后信号的数字域频谱为： 5 8 -)x-a-π6x8π 2 8-16π 图中，π/16对应的模拟频率就是0.1MHz,此时数据率仍为3.2Msps。 4)设计抽取滤波模块 要求实现400ksps的数据率，需对下变频后的信号进行抽取。抽 -3-
- 3 - 代入数据，得： M ≤ 50 取 3.2MHz sf = ，此时M 6 ≈ ，满足带通采样定理要求。因此，经过 A/D 采样后，数据率为3.2Msps，信号数字域频谱为： 1 ω 4 π 3 8 π 3 8 − π 1 4 − π A 1 3) 设计 NCO 模块 根据题目要求，A/D 采样后射频信号需经过下变频到0.1MHz中 频，则数字本振 NCO 的频率为： 0 4 π ω = NCO 混频后信号的数字域频谱为： 1 ω 16 π 1 8 π 1 8 − π 1 16 − π A 1 1 2 π 5 8 π 5 8 − π 1 2 − π 图中，π 16对应的模拟频率就是0.1MHz，此时数据率仍为3.2Msps。 4) 设计抽取滤波模块 要求实现400ksps的数据率，需对下变频后的信号进行抽取。抽
取前数据率为3.2Msps,可以得出抽取器的总抽取倍数为： D=32M=8 0.4MHz 由于抽取倍数比较低，此时不适合选用CIC滤波器高效结构， 但是可以选用2级半带滤波器和1级FIR滤波器级联。 ●设计第一级HB抽取滤波器 选择第一级HB滤波器通带截止频率o为： o87 根据HB滤波器的条件，则阻带起始频率o为： 17 0=π-8=8π 因此，经第一级HB滤波器以及2倍抽取后信号数字域频谱为， 5 5 4 48 ●设计第二级HB抽取滤波器 选择第二级HB滤波器通带截止频率o2为， 02=元 4 根据HB滤波器的条件，则阻带起始频率o2为： -4-
- 4 - 取前数据率为3.2Msps，可以得出抽取器的总抽取倍数为： 3.2MHz 8 0.4MHz D = = 由于抽取倍数比较低，此时不适合选用 CIC 滤波器高效结构， 但是可以选用 2 级半带滤波器和 1 级 FIR 滤波器级联。 设计第一级 HB 抽取滤波器 选择第一级 HB 滤波器通带截止频率ωc1为： 1 1 8 ω π c = 根据 HB 滤波器的条件，则阻带起始频率ωA1为： 1 1 7 8 8 ωππ π A =− = 因此，经第一级 HB 滤波器以及 2 倍抽取后信号数字域频谱为， 1 ω 8 π 1 4 π 1 4 − π 1 8 − π A 1 π 5 4 π 5 4 − π π 设计第二级 HB 抽取滤波器 选择第二级 HB 滤波器通带截止频率ωc2为， 2 1 4 ω π c = 根据 HB 滤波器的条件，则阻带起始频率ωA2为：
0o- 因此，经第二级HB滤波器以及2倍抽取后信号数字域频谱为， 1 17 1 32 4π ●设计第三级FIR抽取滤波器 选择第三级FIR滤波器通带截止频率o,为： 1 03= 阻带起始频率o2为： 11 0A2= π 20 因此，经第三级R滤波器以及2倍抽取后信号数字域频谱为： 1 -π 2 2π 根据以上设计，在o=π附近会有部分频谱混叠，但是由于信号 -5
- 5 - 2 1 3 4 4 ωπππ A =− = 因此，经第二级 HB 滤波器以及 2 倍抽取后信号数字域频谱为， 1 ω 4 π 1 2 π 1 2 − π 1 4 − π A 1 设计第三级 FIR 抽取滤波器 选择第三级 FIR 滤波器通带截止频率ωc3为： 3 1 2 ω π c = 阻带起始频率ωA2为： 2 11 20 ω π A = 因此，经第三级 FIR 滤波器以及 2 倍抽取后信号数字域频谱为： 1 ω 2 −π π π 1 2 − π A 1 根据以上设计，在ω π = 附近会有部分频谱混叠，但是由于信号