全国研究生电子设计大赛.doc

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