CN109088641B - 一种基于fpga的数字接收机系统及射频模数转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的数字接收机系统及射频模数转换方法，该系统包括：功率分配模块、参考信号产生模块、射频模数转换模块和数字信号处理模块，该射频模数转换方法包括以下步骤：将任一频段的射频信号分成(n‑1)路；对FPGA产生的数字参考信号进行滤波得到模拟参考信号；对任一频段的射频信号进行模数转换得到数字信号。通过该射频模数方法能实现对模拟信号的直接射频模数转换。对于不同频段、不同制式的射频信号，该接收机系统从射频量化到基带解调的整个信号处理过程，完全在FPGA的数字域中执行，省去了模拟本振、混频器和中频滤波器等器件，有效避免模拟器件的损耗和失真。

Description

一种基于FPGA的数字接收机系统及射频模数转换方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于FPGA的数字接收机系统及射频模数转换方法。
背景技术
在过去的二十年中，移动无线通信在用户、移动终端以及多媒体的吞吐量需求方面出现了惊人的增长，移动蜂窝标准从2G(GSM)、3G(UMTS)发展到成熟商用的4G(LTE)，第五代移动通信技术(5G)也在研究中。宽带通信网络是未来无线通信发展的趋势，数据速率越来越高，频谱带宽越来越宽，对于新一代的无线通信标准必须要有新技术的支持。
新型的无线通信网络将非常密集，具有灵活性与异构性的特点，这为网络建模、分析、设计和优化带来了许多新挑战。软件定义无线电(SDR)方法的灵活性和高性能促成了数字化的发展趋势，可应对2G、3G、LTE等多种制式、多种频段共存的难题。数字化有利于设计小型化、性能强的设备系统，有利于在新建网络中充分利用有限的空间。
传统的无线通信接收机仍属于模拟接收机，通常采用混频器、中频抗混叠滤波器和中频模数转换的超外差架构，将模拟域信号转换到数字域处理。这种架构使用过多的模拟器件，接收机具有很大的功耗和失真，不能支持宽带应用。FPGA作为数字信号处理的重要平台，结合高速射频模数转换的方法，可以省去大部分传统接收机中的模拟器件，在单芯片上集成数字接收机系统，不仅降低了功耗和失真，还具有全数字可重构的灵活性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于FPGA的数字接收机系统及射频模数转换方法，以满足当前无线通信系统大带宽多制式的应用需求。
根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种基于FPGA的数字接收机系统，所述数字接收机系统包括：功率分配模块、参考信号产生模块、射频模数转换模块和数字信号处理模块，其中，
所述功率分配模块，用于对任一频段的射频信号进行分路后输出到所述射频模数转换模块；
所述参考信号产生模块，用于产生多路多相的数字参考信号，并对所述数字参考信号进行滤波后输出到所述射频模数转换模块；
所述射频模数转换模块，用于对任一频段的射频信号进行多相模数转换，以得到多电平数字信号；
所述数字信号处理模块，用于对所述多电平数字信号进行频谱搬移和数字滤波。
进一步地，所述功率分配模块包括功分器，通过功分器对输入的任一频段的射频信号分成(n-1)路。
进一步地，所述参考信号产生模块包括PWM模块和外置滤波器组，其中，
所述PWM模块，用于从FPGA产生(n-1)路多相数字参考信号，并输出到外置滤波器组处理；
所述外置滤波器组，用于对所述(n-1)路多相数字参考信号进行滤波，以符合射频模数转换方法对于参考信号的要求，并将滤波后的参考信号输出到所述射频模数转换模块。
进一步地，所述射频模数转换模块包括(n-1)个高速比较器，其中，经功分器分成(n-1)路的射频信号分别输入到(n-1)个高速比较器的P端，经滤波后的(n-1)路多相参考信号分别输入到(n-1)个高速比较器的N端，所述(n-1)个高速比较器，用于对所述射频信号进行多相模数转换，并通过数字合路得到n电平数字信号。
进一步地，所述数字信号处理模块包括数字混频器和数字抽取滤波器，其中，
所述数字混频器，用于产生数字本振信号，并利用数字本振信号与n电平数字射频信号相乘，完成数字下变频；
所述数字抽取滤波器，用于对经过下变频的数字信号进行滤波和降速，以得到基带信号。
根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种基于FPGA的数字接收机系统的射频模数转换方法，所述射频模数转换方法包括以下步骤：
将任一频段的射频信号分成(n-1)路；
对FPGA产生的数字参考信号进行滤波得到模拟参考信号；
对任一频段的射频信号进行模数转换得到数字信号。
进一步地，所述对FPGA产生的数字参考信号进行滤波得到模拟参考信号的过程如下：
通过PWM模块从FPGA产生(n-1)路多相数字参考信号，输出到外置滤波器组处理；
通过外置滤波器组对所述(n-1)路多相数字参考信号进行滤波，以符合所述射频模数转换方法对于参考信号的要求。
进一步地，所述对任一频段的射频信号进行模数转换得到数字信号的过程如下：
通过功分器对任一频段的射频信号分路后，分别输入到(n-1)个高速比较器的P端；
通过外置滤波器组对FPGA产生的(n-1)路多相数字参考信号进行滤波后，分别输入到(n-1)个高速比较器的N端；
通过(n-1)个高速比较器对所述分路后的射频信号进行多相模数转换；
通过数字合路得到n电平量化的数字信号。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明公开的基于FPGA的数字接收机系统及射频模数转换方法，其中射频模数转换方法能实现对模拟信号的直接射频模数转换，只需要加上射频滤波器、低噪声放大器和自动增益控制器即能实现任意频段的宽带接收机。对于不同频段、不同制式的射频信号，从射频量化到基带解调的整个信号处理过程，完全在FPGA的数字域中执行，省去了模拟本振、混频器和中频滤波器等器件，有效避免模拟器件的损耗和失真。不仅提高了系统的集成度，还具有软件可重构的灵活性。
附图说明
图1是本发明第一实施例的射频模数转换方法流程图；
图2是本发明第二实施例的步骤S2的具体流程示意图；
图3是本发明第三实施例的n电平量化的射频模数转换方法流程图；
图4是本发明第四实施例的数字接收机的组成示意图；
图5是本发明第五实施例的数字接收机的结构示意图；
图6是本发明第六实施例的参考信号产生模块的组成示意图；
图7是本发明第六实施例的数字信号处理模块的组成示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明第一实施例公开了一种基于FPGA的数字接收机系统的射频模数转换方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1，将任一频段的射频信号分成(n-1)路；
步骤S2，对FPGA产生的数字参考信号进行滤波得到模拟参考信号；
步骤S3，对任一频段的射频信号进行模数转换得到数字信号。
本发明第二实施例公开了一种数字接收机系统的射频模数转换方法，本实施例所述方法与第一实施例大致相同，区别在于，本发明实施例提供一种优选的技术方案，以支持第一实施例中的一部分步骤在实际工程中的具体实现方式。
如图2所示，步骤S2中，对FPGA产生的数字参考信号进行滤波得到模拟参考信号，包括：
步骤S201，通过PWM(脉冲宽度调制)模块从FPGA产生(n-1)路多相数字参考信号，输出到外置滤波器组处理；
步骤S202，通过外置滤波器组对所述(n-1)路多相数字参考信号进行滤波，以符合所述射频模数转换方法对于参考信号的要求。
本发明第三实施例公开了一种数字接收机系统的射频模数转换方法，本实施例所述方法与第一实施例大致相同，区别在于，本发明实施例提供一种优选的技术方案，以支持第一实施例中的一部分步骤在实际工程中的具体实现方式。
如图3所示，步骤S3中，对任一频段的射频信号进行模数转换得到数字信号，包括：
步骤S301，通过功分器对任一频段的射频信号分路后，分别输入到(n-1)个高速比较器的P端；
步骤S302，通过外置滤波器组对FPGA产生的(n-1)路多相数字参考信号进行滤波后，分别输入到(n-1)个高速比较器的N端；
步骤S303，通过(n-1)个高速比较器对所述分路后的射频信号进行多相模数转换；
步骤S304，通过数字合路得到n电平量化的数字信号。
本发明第四实施例公开了一种基于FPGA的数字接收机系统，如图4所示，包括以下组成部分：功率分配模块、参考信号产生模块、射频模数转换模块和数字信号处理模块，其中，
功率分配模块100，用于对任一频段的射频信号进行分路后输出到射频模数转换模块；
参考信号产生模块200，用于产生多路多相的数字参考信号，并对所述数字参考信号进行滤波后输出到射频模数转换模块；
射频模数转换模块300，用于对任一频段的射频信号进行多相模数转换，以得到多电平数字信号；
数字信号处理模块400，用于对所述多电平数字信号进行频谱搬移和数字滤波。
本发明第五实施例公开了一种基于FPGA的数字接收机系统，本实施例所述接收机系统与第四实施例所述接收机系统大致相同，区别在于：本发明实施例展示一种优选的结构，以体现第四实施例中各功能模块的具体实现与联系。
如图5所示，经过功分器后的多路射频信号与经过滤波后的多相参考信号，分别输入到多个高速比较器的P端和N端，所述高速比较器用于完成模数转换过程，通过数字合路得到多电平量化的数字信号，再通过所述数字信号处理模块，具体包括数字混频器和数字抽取滤波器，完成接收机的下变频和降采样工作。
本发明第六实施例公开了一种基于FPGA的数字接收机系统，本实施例所述接收机系统与第四、五实施例所述接收机系统大致相同，区别在于：本发明实施例提供一种优选的技术方案，以支持第四、五实施例中各功能模块在实际工程中的实现。
如图6所示，参考信号产生模块200，包括：
PWM(脉冲宽度调制)模块201，用于从FPGA产生(n-1)路多相数字参考信号，并输出到外置滤波器组处理；
外置滤波器组202，用于对所述(n-1)路多相数字参考信号进行滤波，以符合所述射频模数转换方法对于参考信号的要求，并将滤波后的参考信号输出到射频模数转换模块。
如图7所示，数字信号处理模块400，包括：
数字混频器401，用于产生数字本振信号，并利用数字本振信号与所述n电平数字信号相乘，完成数字下变频；
数字抽取滤波器402，用于对经过下变频的数字信号进行滤波和降速，以得到基带信号。
综上所述，上述各个实施例提供了一种宽带、多制式的数字接收机系统以及高集成度的射频模数转换方法，该系统可将射频信号直接转换成数字信号，完全通过FPGA进行射频到基带的信号处理，能实现任意频段的信号接收。通过本发明，射频信号可在数字域转换成基带信号，省去了模拟本振、混频器和中频滤波器等器件，有效避免模拟器件的损耗和失真，有利于缩小PCB面积，提高接收机系统的集成度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的数字接收机系统，其特征在于，所述数字接收机系统包括：功率分配模块、参考信号产生模块、射频模数转换模块和数字信号处理模块，其中，
所述功率分配模块，用于对任一频段的射频信号进行分路后输出到所述射频模数转换模块；
所述参考信号产生模块，用于产生多路多相的数字参考信号，并对所述数字参考信号进行滤波后输出到所述射频模数转换模块；
所述射频模数转换模块，用于对任一频段的射频信号进行多相模数转换，以得到多电平数字信号；
所述数字信号处理模块，用于对所述多电平数字信号进行频谱搬移和数字滤波。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的数字接收机系统，其特征在于，所述功率分配模块包括功分器，通过功分器对输入的任一频段的射频信号分成(n-1)路。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的数字接收机系统，其特征在于，所述参考信号产生模块包括PWM模块和外置滤波器组，其中，
所述PWM模块，用于从FPGA产生(n-1)路多相数字参考信号，并输出到外置滤波器组处理；
所述外置滤波器组，用于对所述(n-1)路多相数字参考信号进行滤波，以符合射频模数转换方法对于参考信号的要求，并将滤波后的参考信号输出到所述射频模数转换模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的数字接收机系统，其特征在于，所述射频模数转换模块包括(n-1)个高速比较器，经功分器分成(n-1)路的射频信号分别输入到(n-1)个高速比较器的P端，经滤波后的(n-1)路多相参考信号分别输入到(n-1)个高速比较器的N端；
所述(n-1)个高速比较器，用于对所述射频信号进行多相模数转换，并通过数字合路得到n电平数字信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的数字接收机系统，其特征在于，所述数字信号处理模块包括数字混频器和数字抽取滤波器，其中，
所述数字混频器，用于产生数字本振信号，并利用数字本振信号与n电平数字射频信号相乘，完成数字下变频；
所述数字抽取滤波器，用于对经过下变频的数字信号进行滤波和降速，以得到基带信号。
6.一种基于FPGA的数字接收机系统的射频模数转换方法，其特征在于，所述射频模数转换方法包括以下步骤：
将任一频段的射频信号分成(n-1)路；
对FPGA产生的数字参考信号进行滤波得到模拟参考信号；
对任一频段的射频信号进行模数转换得到数字信号；
其中，所述对FPGA产生的数字参考信号进行滤波得到模拟参考信号的过程如下：
通过PWM模块从FPGA产生(n-1)路多相数字参考信号，输出到外置滤波器组处理；
通过外置滤波器组对所述(n-1)路多相数字参考信号进行滤波，以符合所述射频模数转换方法对于参考信号的要求。
7.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的数字接收机系统的射频模数转换方法，其特征在于，所述对任一频段的射频信号进行模数转换得到数字信号的过程如下：
通过功分器对任一频段的射频信号分路后，分别输入到(n-1)个高速比较器的P端；
通过外置滤波器组对FPGA产生的(n-1)路多相数字参考信号进行滤波后，分别输入到(n-1)个高速比较器的N端；
通过(n-1)个高速比较器对所述分路后的射频信号进行多相模数转换；
通过数字合路得到n电平量化的数字信号。
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