软件无线电技术实验报告_实验三

电 子 科 技 大 学

实 验 报 告

学生姓名：李志 学 号：[1**********]23 指导教师：沈莹 邮箱：[email protected]

一、实验室名称：通信信号处理及传输实验室

二、实验项目名称： 数字上下变频

三、实验原理：

1、数字上/下变频的理论基础

通常的无线通信都是通过载波调制信号来实现。这意味着产生了数字基带信号后，需要将信号通过数模（DA ）转换，由射频端调制到某个载波频段进行发送。这个将基带信号调制到高频载波频段的过程就称为上变频。反之，在接收机端将模数（AD ）转换后的高速率高频带数字信号转换为低速率的基带信号，即将中频或者高频信号搬移到基带或者低频波段的过程就称为下变频。

因此，上变频和下变频的概念分别是指把信号搬移到更高或更低的频率上。这可以通过信号c (t )与一个复旋转向量相乘得到，结果为：

s (t )=c (t )e j 2πf c t

其中，f c 代表搬移的频率，通常称为载波频率。 （3.1）

复数信号的实部和虚部也可以分别称做同相分量或正交分量。

数字上变频和下变频就是对上式进行数字化。这就意味着信号和复向量都要用量化的样本来表示。引入满足采样定理的采样周期T ，这样，数字上变频和下变频可以写为：

s (kT )=c (kT )e j 2πf c kT

（3.2）

进行上变频还是下变频是由频率f c 的符号决定。因此只要对其中一种情况进行讨论即可。我们假设对接收到的信号在模拟前端对整个接收带宽进行下变频，然后进行滤波。

假设信道可位于带宽为Band 的频带(波段) 内的任何位置，频带内包含所需信道加上干扰邻道。如图1所示。对信号进行下变频可以得到图2。邻道干扰可以通过信。

为了分析方便，我们假设中频信号为单频形式，暂不考虑邻道及其他干扰。

1）数字下变频的时域分析：

数字下变频的目的是把所需的分量从载波频率加搬移至基带。模拟中频信号为单频形式：

c (t )=cos (ωc t +ϕ0)

其中ωc 表示信号频率，ϕ0表示信号初始相位。 （3.3）

同时假设用于正交解调的两路数字本振的初始相位为0，那么模拟中频信号经过A/D后得到的信号形式为

C (kT )=c (t )⨯P T (t )=

k =-∞∑[c (kT )⨯δ(t -kT )] +∞ （3.4）

可见信号C (kT )是原信号c (t )在t =0, ±T , ±2T , 处的一些离散值。因此A/D输出的最终信号形式为：

c [k ]=cos (ωc kT +ϕ0), k =0, ±1, ±2, （3.5）

那么，此信号经过正交数字解调后的信号形式 (设信号频率和本振频率相同，即ωc

I 路： =ωp ) 可以表示如下：

s I (k )=c (k )⨯cos (ωp kT )=cos (ωc kT +ϕ0)⨯cos (ωp kT )

1 （3.6） =⎡cos (2ωc kT +ϕ0)+cos (ϕ0)⎤⎣⎦2

Q 路：

s Q (k )=c (k )⨯cos (ωp kT )=cos (ωc kT +ϕ0)⨯sin (ωp kT ) 1 （3.7） =⎡sin (2ωc kT +ϕ0)-sin (ϕ0)⎤⎣⎦2

可以看出：数字正交解调输出包括两项，其中第1项为解调过程中引入的高频分量，第二项为所需要的低频分量。

2）数字下变频的频域分析：

输入模拟中频信号的频谱为：

j ϕ0-j ϕ0F c (ω)=π⎡e ⨯δω-ω+e ⨯δ(ω+ωc )⎤()c ⎣⎦ （3.8）

此信号经A/D变换后的输出信号频谱为：

11⎡2πF s (ω)=P T (ω)⊗F c (ω)=2π2π⎢⎣T

2πk ⎫⎤⎛δ ω-∑⎪⎥⊗F c (ω) T ⎭⎦k =-∞⎝+∞ 1+∞⎛2πk ⎫ =∑F c ω-⎪T k =-∞⎝T ⎭ （3.9） 经过数字正交解调后的频谱：

I 路：

12π⎤F Is (ω)=⨯π⎡δω-ω+δω+ω⊗(p )p )⎦⎣(2πT k =-∞∑δ ω-

+∞⎛⎝2πk ⎫⎪ T ⎭（3.10） ⎡⎛2πk ⎫2πk ⎫⎤⎛=∑⎢δ ω-ωp -⎪+δ ω+ωp -⎪⎥ T k =-∞⎣⎝T ⎭T ⎭⎦⎝+∞π

Q 路：

1π2π⎡⎤F Qs (ω)=⨯⎣δ(ω-ωp )+δ(ω+ωp )⎦⊗2πj T 2πk ⎫⎛δ ω-∑⎪ T ⎭k =-∞⎝+∞

=⎡⎛2πk ⎫2πk ⎫⎤⎛δω-ω-+δω+ω-∑p p ⎪ ⎪⎥ ⎢jT k =-∞⎣⎝T ⎭T ⎭⎦⎝+∞π （3.11）

应该注意的是，实际上发射机和接收机的本振是不同步的。因而，经过接收机下变频后的信号与发射信号之间存在相位和频率偏差，必须进行校正。

2、VHDL 实现数字上/下变频

在程序中，我们先对AD 输入的信号进行采样，然后将采样后的数据与内部的1MHz 正弦载波信号值表相乘，再通过DA 发送出去。

（1）1MHz 正弦载波信号的产生

由于实验箱中输入信号的采样率是16MHZ ，要产生1MHz 的正弦载波信号，我们可将1MHz 的正弦信号离散化为16个样本，等效于用16MHZ 的时钟采样，即：

sin(2*pi*f*n/fs)，其中f=1MHz，fs=16MHZ→sin(2*pi*n/16)

其中，n 的取值为0到15，也就完整地表示了这个调制正弦信号的一个周期。在离散化之后，我们再进行一个幅值上的放大，这里我们以乘以511为例，最终得到的一个样本用10bit 长的向量来表示。

在程序中，我们用变量dc_array来表示调制正弦信号modulation_signal，它是一个包含16个元素的数组，每个元素都是一个长度为10bit 的向量。

（2）上变频过程

上变频过程其实就是输入信号uc_din（经过AD 之后长度也为10bit ）与调制信号modulation_signal的相乘过程。

四、实验目的：

1. 理解数字上/下变频的原理，了解无线通信中进行上/下变频的原因。

2. 分析上/下变频后信号时域和频域波形的变化。

3. 能够基于ISE 编写并调试FPGA 上下变频程序。

五、实验内容：

（1）数字上/下变频基础验证实验，观察并记录上/下变频后信号时域和频域波形的变化；

（2）编写VHDL 程序，完成基于FPGA 的数字上/下变频实验。

六、实验器材（设备、元器件）：

计算机、软件无线电实验箱、信号发生器、示波器、DSP 仿真器、FPGA 仿真器、＋5V 电源

七、实验步骤及实验数据结果分析：

1. 数字上/下变频基础实验

通过实验平台的菜单窗口提示，利用键盘选择菜单内容，逐级进入该实验操作界面，根据操作步骤的提示，利用示波器在指定接口进行输出信号波形观察。具体步骤如下：

检查实验平台左上方和右下方的Power Switch是否处于关闭（OFF ）状态； 检查实验平台的电源线是否连接正确，若连接正确，实验平台右下方的Power Ready指示灯会亮起；

将实验平台左上方的Power Switch置为开启（ON ）状态，实验系统进入启动状态，观察实验平台中部的显示屏直至进入“高级软件无线电教学系统”；

按下“确认（回车）”键进入系统实验列表；

对于基础实验，选择“1”按Enter 键，屏幕显示“进入实验中，请稍候”提示框，直至进入基础实验列表；

对于扩展实验，在ARM 界面选择进入->扩展实验->FPGA扩展实验->上下变频实验；

（1） 数字上变频

A 、选择“2”进入数字上变频实验；

B 、在按“确认（回车）”后，进入数字上变频实验仿真实验窗口；

C 、将能产生正弦信号的函数信号发生器与实验平台的RXI 端口连接，正弦

单频信号的幅度不要超过2V ，信号频率设为1MHz ；

D 、按照软件无线电实验平台软件界面的提示进行后续操作；

E 、将示波器分别观测实验平台TXI 和TXQ 端口，通过示波器观察输出波形和频谱。

根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录发送波形经过上变频后的频谱特征：

（2） 数字下变频

A 、选择“3”进入数字下变频实验；

B 、在按“确认（回车）”后，进入数字下变频实验仿真实验窗口；

C 、将能产生正弦信号的函数信号发生器与实验平台的RXI 端口连接，正弦单频信号的幅度不要超过2V ，信号频率设为1MHz ；

D 、按照软件无线电实验平台软件界面的提示进行后续操作；

E 、将示波器分别观测实验平台TXI 和TXQ 端口，通过示波器观察输出波形和频谱。

根据示波器上产生波形的频谱图，观察并记录发送波形经过上变频后的频谱特征：

2． 数字上/下变频扩展实验

A 、在ISE 中编译uc_dc工程，然后通过JTAG 仿真口将比特文件下载到FPGA 中；

B 、用信号发生器发送600KHz 正弦波到平台的RXI 端口；

C 、在ARM 控制端的显示界面中按ENTER ；

D 、用示波器观测平台的TXI 、TXQ 端口，查看变频前后的波形和频谱。 E 、改变数字调制信号频率，将代码中固化的1MHz 的正弦信号换为2MHz ，并采取相同的幅度放大。（提示：511*sin(2*pi*f’*n/fs) = 511*sin(2*pi*n/8)，其中n 的取值是从0到7，将8个样本值转换成二进制数。具体的样本请学生自行

完成。

八、实验结论：

九、思考题

十、总结及心得体会：

十一、对本实验过程及方法、手段的改进建议： 报告评分：

指导教师签字：