数字下变频器的设计与实现
家庭网络中数字下变频器的设计与实现
家庭网络中数字下变频器的设计与实现近年来，随着家庭网络的普及，人们对网络速度和稳定性的需求也越来越高。
而作为家庭网络的关键组成部分之一，数字下变频器在提供高效且稳定的网络连接方面发挥着不可忽视的作用。
本文将重点探讨家庭网络中数字下变频器的设计与实现，旨在为读者提供有关该技术的全面了解和实际应用指导。
一、数字下变频器的原理及作用数字下变频器，又称为数字降频器，主要用于将网络信号从高频率转换为低频率，以提供更高的稳定性和传输效率。
其主要作用包括但不限于以下几个方面：1. 信号降频：通过数字下变频器，家庭网络信号可以从高频率（例如5GHz）转换为低频率（例如2.4GHz），使信号更容易穿透墙壁和障碍物，以覆盖更广的区域。
2. 网络优化：数字下变频器可以通过自动选择最佳工作频率和信道，消除网络中的干扰和拥挤现象，从而提供更稳定、高效的网络连接。
3. 设备兼容：由于某些老旧设备只支持低频率网络，数字下变频器可以将高频率信号转换为低频率，以兼容这些设备，增强网络的通用性。
二、数字下变频器的设计要点数字下变频器的设计需要考虑以下几个重要要点，读者可以根据实际情况进行参考和调整：1. 信号处理能力：数字下变频器应具备足够的信号处理能力，以快速、准确地将高频率信号转换为低频率。
高速的处理器和优化的算法可以提高信号处理效率和稳定性。
2. 网络优化算法：数字下变频器应采用智能化的网络优化算法，能够自动选择最佳工作频率和信道，减少干扰和拥挤，提供更稳定和高效的网络连接。
3. 天线设计：良好的天线设计可以改善信号覆盖范围和穿透能力。
数字下变频器的天线应该具备高增益、低损耗的特性，以提供更稳定、广泛的网络覆盖。
4. 安全性保障：数字下变频器应提供多种安全机制，包括但不限于WPA2加密、MAC地址过滤等，以确保家庭网络的安全性和隐私保护。
三、数字下变频器的实现步骤在实际应用中，数字下变频器的实现步骤可以大致分为以下几个方面：1. 硬件选型：根据实际需求和预算，选择适合的数字下变频器硬件设备。
数字下变频电路的FPGA实现
数字下变频电路的FPGA实现随着数字化时代的到来，数字信号处理技术已经成为了许多领域中不可或缺的一部分。
其中，数字下变频技术是一种非常重要的数字信号处理技术，被广泛应用于雷达、通信、音频处理等领域。
本文将介绍数字下变频电路的FPGA实现。
数字下变频电路的基本原理数字下变频电路的基本原理是将输入信号进行混频，将高频信号转换为低频信号，并对低频信号进行采样和滤波，得到一个纯净的低频信号。
数字下变频电路通常由数字信号处理器、数字乘法器和数字低通滤波器等组成。
FPGA实现数字下变频电路的优势 FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，能够根据需要实现各种数字电路。
与传统的数字信号处理芯片相比，FPGA具有以下优势：高速并行处理能力：FPGA内部具有大量的可编程逻辑器件，可以实现高速并行处理，提高处理速度和效率。
灵活性：FPGA可以通过重新编程实现不同的数字电路，方便灵活，可以快速适应不同的应用场景。
可靠性：FPGA内部具有严格的质量保证措施，保证了数字电路的可靠性和稳定性。
设计数字下变频电路的算法：根据具体应用场景和要求，利用MATLAB 等软件设计数字下变频电路的算法。
将算法转换为硬件描述语言：将设计的数字下变频电路算法转换为硬件描述语言（如VHDL或Verilog），并利用EDA工具进行仿真和验证。
将硬件描述语言编译成二进制文件：将生成的硬件描述语言编译成二进制文件，以便在FPGA上实现。
将二进制文件下载到FPGA中：将生成的二进制文件下载到FPGA中，通过调试和测试，最终实现数字下变频电路。
结论数字下变频电路的FPGA实现具有高速并行处理能力、灵活性和可靠性等优势，已经被广泛应用于雷达、通信、音频处理等领域。
通过设计算法、转换为硬件描述语言、编译成二进制文件以及下载到FPGA中等步骤，可以实现数字下变频电路的高效、快速和可靠实现。
数字下变频电路是一种重要的信号处理单元，它在通信、雷达、电子对抗等领域有着广泛的应用。
基于FPGA的DDC(数字下变频)设计与实现
在早期的雷达收发系统中，都是采用模拟器件来实现各个功能模块，设计过程中经常会出现温度漂移、增益变化等问题.相对于模拟电路来说，数字电路具有可自检、可编程等优点,上面所述的系统很多部分都已经逐步数字化.在数字化进程中,数字信号处理技术的应用也受到了雷达系统研究工作者的重视,成为相关积累(如FFT、数字滤波、脉冲压缩等）、非相关积累（视频积累）、目标检测以及图像处理等功能的技术保证。随着数字信号处理理论的不断成熟和完善，微电子技术的飞速发展，雷达技术和其它的电子信息化技术的发展，尤其是软件无线电技术的兴起，更加方便了雷达数字化系统的实现。在这样的发展趋势下，除了微波发射和射频部分，整个雷达系统将全部由数字电路实现，在数字信号处理的优势能得到全面的发挥的同时，还使具有体制标准化、系统数字化，功能模块化，低功耗，高度开放性以及灵活性等性能,这将成为了现代雷达系统的关键技术和发展趋势［]。在现今的高科技发展的时代,人们纷纷打起的信息战和电子战,雷达系统在其中扮演的角色尤为重要。为了能更好的适应现代战争的需求，对现今的雷达系统也提出抗干扰、反隐形，具有高分辨力以及强大的自我生存等能力，高要求的提出，使得雷达信号处理技术的研究也得到了快速的进步.目前雷达信号处理正在由视频处理阶段向中频处理阶段迈进,目的就是实现雷达中频以下的处理全部数字化，研究热点.
微系统设计、测试与控制
课程大作业之
基于FPGA的DDC(数字下变频）的设计与仿真
基于matlab的简单数字下变频器的设计
t=0:1/Fs:endtime; N=length(t); n=1; y=zeros(1, N); IND=zeros(1, N); % Input Frequency Word k=floor(fout/Fs*2^Bits); index=0;
%输入原始信号
b = firhalfband(18,0.00245,'dev'); % 获得设计的半带滤波器抽头系数
impz(b);
% 半带滤波器的冲击响应
h = mfilt.firdecim(2,b);
figure
y_fi = filter(h,x);
x = double(x);
y = double(y_fi);
11000
1001
0.809
11010
1010 1011 1100 1101 1110 1111
0.866 0.914 0.951 0.978 0.994 1.000
Matlab程序： %fout: Output frequency %Fs: Sample frequency %Bits: Number of bits of the LUT %endtime: Expectedቤተ መጻሕፍቲ ባይዱsimulation endtime %y: Output sine wave %t: Output time
址吗对数据 ROM 进行寻址。
地址码
幅度（满度值为 1）
9款变频器设计方案,包含完整软硬件设计
9款变频器设计方案，包含完整软硬件设计变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
本文为大家介绍几种变频器的设计方案，包含完整软硬件方案。
基于Simulink的数字下变频器设计及其FPGA实现本文利用MATLAB的Simulink工具箱结合Altera公司的DspBuilder软件,仿真和设计了一体积较小(只需要一片FPGA)、可灵活配置的中频数字宽带接收机,并进行了FPGA的硬件实现。
实验结果表明:设计的数字中频接收机具有系统带宽较宽,体积较小,可以进行灵活的配置,能满足不同的性能要求等优点。
变频器与PLC通讯的精简设计本文介绍一种非常简便的三菱FX系列PLC通讯方式控制变频器的方法：它只需在PLC主机上安装一块RS485通讯板或挂接一块RS485通讯模块; 在PLC的面板下嵌入一块造价仅仅数百元的“功能扩展存储盒”，编写4条极其简单的PLC梯形图指令，即可实现8台变频器参数的读取、写入、各种运行的监视和控制，通讯距离可达50m或500m。
基于CPLD的级联型多电平变频器脉冲发生器的设计级联型多电平变频器其PWM驱动信号很难由单一的DSP或单片机完成。
本文设计的由DSP与CPLD构成的PWM脉冲发生器较好的解决了这一问题,用双DSP输出24路时存在同时性的问题,因而用复杂可编程逻辑器件CPLD来实现。
在级联型多电平变频器中有比较好的应用前景。
基于 RFFC2071的变频器设计结合RFFC2071设计变频器，主要应用于通信市场中各频段室内、室外覆盖用直放站及其它频率变换应用等。
变频器在数字化转型中有哪些创新应用
变频器在数字化转型中有哪些创新应用在当今数字化转型的浪潮中，变频器作为工业自动化领域的关键设备，正经历着一系列创新应用的变革。
这些创新不仅提升了生产效率、降低了能耗，还为企业的智能化发展提供了有力支持。
变频器，简单来说，就是通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。
它的基本原理是将固定频率的交流电转换为可变频率的交流电，从而实现对电机转速的精确调节。
在数字化转型的背景下，变频器的创新应用首先体现在智能控制方面。
传统的变频器控制方式往往较为简单，而现在，通过与先进的传感器和智能算法相结合，变频器能够实现对电机运行状态的实时监测和精准控制。
例如，通过安装温度传感器、振动传感器等，可以实时获取电机的运行参数，然后利用智能算法对这些数据进行分析和处理，进而自动调整变频器的输出频率和电压，使电机始终在最佳工作状态下运行。
这种智能控制不仅提高了设备的稳定性和可靠性，还大大延长了电机的使用寿命。
另外，变频器在能源管理方面也有了显著的创新应用。
随着全球对节能减排的重视程度不断提高，企业对于降低能耗的需求日益迫切。
变频器能够根据实际负载情况，动态地调整电机的转速和输出功率，从而实现能源的高效利用。
在一些大型工业设备中，如风机、水泵等，采用变频器进行调速控制，可以显著降低能耗。
据统计，在合适的应用场景下，使用变频器节能效果可达 30%以上。
而且，通过与能源管理系统的集成，变频器可以将能源消耗数据实时上传到云端，企业管理者能够清晰地了解各个设备的能耗情况，为制定节能策略提供科学依据。
在工业 40 的推动下，变频器在智能制造领域也发挥着重要作用。
在自动化生产线中，众多的电机需要协同工作，以实现高效的生产流程。
变频器通过与工业网络的连接，能够实现与其他设备的无缝通信和协同控制。
例如，在汽车生产线上，当某个工位的生产任务发生变化时，变频器可以迅速调整相关电机的转速，以适应新的生产节奏。
同时，借助数字化技术，变频器还可以实现远程监控和诊断。
扩频通信系统中数字下变频器的设计
后 详细分析 了数字 下变频各 功能模 块的工作原 理 ，通过 Ｓｍ ｌ ｋ对数 字下 变频各部 分 的性 能进行 了仿 真。在仿 ｉ ｕｉ ｎ
真 的 基础 上使 用 Ｉｓ ｈ 公 司 的 Ｆ Ｇ 开 发 系统 ， 用测 试 电路 实 测 了数 字 下 变频 的 性 能 。 ｎｉ ｔ ｇ ＰＡ
Ｊ Ｊｅ ｉｎ，Ｓ ｎ ｅｕ ｉ ｉｘａ ｏ ｇＸｕ ｒ ｉ
（ ｃｏｌ ｆｎｏｍ ｔ ｎＳｉ ｃ Ｓｈｏ ｏ ｆ ａｉ ｃ ｎｅ＆ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ ｅｔ ｌ ｏｔ Ｕ ｉ ｒｔ，Ｃ ａ ｇ ａ １０ ３ ｈｎ ） Ｉ ｒ ｏ ｅ ｎｉ ｅ ｎ ，Ｃ ｎｒ ｕ ｎｖ ｓｙ ｈ ｎｓ ０ ８ ，Ｃ ｉａ ｎ ｉ ａＳ ｈ ｅｉ ｈ４
Ａ ｓ ａｔ Ｄｇａ ｄｗ ｏｖｒｏ ｌ ｓ ｅ ｌ ｉ ｔｅ ｅ ｉ ｔ ｎｏ ｔｅ ｒ ｎｅ ｒｃｓ ｏ ｅＳｒａ — ｂｔ ｃ ｒ ｉｔ ｏ ｎｃｎｅ ｉ ｐ ｙ ｋｙｒ ｅ ｎ ｈ ａ ｚ ｉ ｆｈ ｉ ｔ ｐｏｅｓ ｆｈ ｐｅｄ ｉｌ ｓ ｎ ａ ａ ｏ ｒｌ ａ ｏ ｏ ｅ ｄ ｔ
收 稿 日期 ：２ ０ — １０ ０ ７ １ —８
图 １ 数字 下变频器原 理 图
１ 数控振荡器 的设计及 实现
数 字 下 变 频 器 的功 能 主 要 是 结 合 数 控 振 荡 器
作者简介 ：纪捷先（ ９ ３一） １８ ，男，硕 士研 究生。研 究方向 ：
嵌入 式 系统。 宋 学瑞 （９７一） １５ ，男 ，副 教授 。研 究方 向：
关键词
扩频通信 ；数 字下变频器 ；数控振 荡器；数 字混频器 ；Ｆ Ｇ ＰＡ Ｔ ９４４ Ｎ １．２ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０ ７ ２ （０ ８ ０ ０ １— ３ ０ ７— ８０ ２ ０ ）７— ２ ０
通信系统中的数字上变频和下变频
通信系统中的数字上变频和下变频数字上变频器(DUC)和数字下变频器(DDC)不仅仅是通信应用(如软件无线电)中的关键，而且在需要窄带信号高速流的应用中也是重要的。
另外，DDC结构容易控制所有取样速率下的混淆防止分样。
让我们看看数字记录5MHz带宽(中心在50MHz)信号的问题。
此信号可以是来自RF-IF模拟下变频器的信号或者是直接从天线接收的信号。
为了满足尼奎斯特准则，我们需要以105ms/s取样率取样此信号。
然而，为了合理地捕获此信号，应该在较高的取样率(至少200ms/s)取样此信号。
假设ADC为16位，在该速率下被取样的信号会产生400MB/s数据。
也许更难办的是以这样高速率采集和存储数据缺乏商业可用的方案。
大多数可用的PC基数字器仅能在大约几分之几秒内存储此数据。
数字下变频DDC在持续时间期间可以数字记录RF信号。
在此实例中，我们仅需要记录5MHz信号(中心频率50MHz)，而不是ADC的整个尼奎斯特带宽。
DDC允许除去其余数据，并降低数据率。
在现场可编程门阵列(FPGA)中实现时，简单的数字下变频分为3个性质不同的步：频率变换、滤波和分样(图1)。
频率变换和滤波第1步是频率变换。
5MHz频带需要降低变换到基带，靠乘或与载频(fc)正弦信号混频实现这种变换。
用数字控制振荡器(NCO)数字产生正弦波。
NCO通常也称之为本机振荡器(LO)，它可以在精确频率和相位下产生取样波形。
随着信号从50MHz变频到基带，信号拷贝也从50 MHz变频到100 MHz。
基于此原因，新的基带信号必须滤波，去除较高频率的信号。
然而，到此我们的任务没有完成。
我们仍有1个在200ms/s取样的低频基带信号。
传输额外不必要数据时不希望PC总线过载，我们重新取样信号来降低有效取样率。
这靠分样实现，在规则的时间间隔内从数字化的信号中去除数据点。
在此例中，取样从200ms/s下降到10ms/s，每20个取样去除19个取样。
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实验目的与实验要求
实验目的
➢ 理解数字下变频器的基本原理 ➢ 掌握数字下变频器的设计方法 ➢ 学习如何用Matlab辅助完成FPGA设计
实验要求
➢ 根据给定的数字下变频器性能指标要求，利用 Matlab辅助完成各功能模块的参数设计
➢ 完成数字下变频器的FPGA设计，进行时序仿真， 并对结果进行分析
思考：软件无线电可采用哪几种类型的数字化方式？
从工程实现角度出发，现阶段那种方式比较合适？
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一、数字下变频器的基本原理
2、数字下变频组成
➢ 数字下变频器（Digital Down-Converters DDC）由数字混 频器、数字频率合成器和低通滤波器三部分组成。
cos (0 n)
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二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
➢ 抽取对数字频谱的影响分析
X
D (e
j )
1 D
D1 l0
X [e
] j(2l)/ D
频谱扩展+频谱叠加
要求频域中只含有小于 π/D 的频率分量
fs fs / 2
fs / 2
f
fs
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二、数字下变频器的Matlba设计
1、UHF波段战术电台数字下变频器设计指标
设计内容
中频频率 AD采样速率 信号带宽 基带采样速率 通带波动 阻带截止频率 阻带衰减 CIC滤波器混叠抑制
指标要求
21.4MHz 57.6MHz（14比特） 160kHz 720kHz 小于0.1dB 100kHz -60dB -80dB
参数 R M N IWL OWL
取值 40 1
Hale Waihona Puke 意义 CIC滤波器抽取率 微分延迟值
5 CIC滤波器级数
14 输入字长
18 输出字长
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二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
Magnitude (dB)
0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180
➢ 带来的问题 通带内的衰减，由CIC补偿滤波器 对幅频相应进行补偿。
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一、数字下变频器的基本原理
4、如何设计数字下变频器中的低通滤波器？
cos(0n)
X (t) X (n)
AD
CIC
补偿 FIR
FIR
CIC
补偿
FIR
FIR
sin(0n)
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二、数字下变频器的Matlba设计
2、设计步骤
步骤一：确定数字频率合成器输出频率 ➢ fc=21.4MHz
步骤二：确定总抽取率D ➢ D= 57.6MHz／720kHz = 80
步骤三：确定各级滤波器设计参数
➢ CIC滤波器：抽取率、级数 ➢ 补偿滤波器和FIR滤波器：抽取率、阶数及系数
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一、数字下变频器的基本原理
1、数字变频与软件无线电
➢ 数字变频是实现软件无线电的核心技术之一。 ➢ 模拟变频 VS. 数字变频
模拟变频：混频器具有非线性；模拟本振的频率稳定度、相 位噪声、温度漂移、转换速率等性能指标较差。
数字变频：载频与数字滤波器系数具有可编程性；数字混频 不存在非线性失真；数字滤波频响特性好。
CIC滤波器幅频响应(D=40 N=5)
二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
Magnitude (dB)
Magnitude Response (dB) 0
Filter #1: Quantized -20
Filter #1: Reference -40 -60
-80 -100 -120
-140
f f /D- f 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Z BQ (t)
s in(0 n)
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一、数字下变频器的基本原理
4、如何设计数字下变频器中的低通滤波器？
➢ 单级实现 采样速率高、过渡带宽窄导致滤波 器阶数巨大，工程上难以实现。
➢ 多级实现 分级抽取，每一级设计不同的过渡 带宽，可有效减小各级所需滤波器的阶数。
➢ 进一步改进措施 采用积分梳状（Cascaded Integrator-Comb CIC）滤波器，降低对计算量的要 求。
3、CIC抽取滤波器设计
➢ 抽取率D1 ➢ 级数N
阻带衰减指标满足抗混叠要求
D=20
D=40
N=4 -90.444dB
-64.5dB
N=5 -113.0555dB -80.6261dB
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二、数字下变频器的Matlba设计
3、CIC抽取滤波器设计
hcic = mfilt.cicdecim(R,M,N,IWL,OWL);
LPF
x(t)
x(n)
A/D
LPF
Z BI (t)
Z BQ (t)
s in(0 n)
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一、数字下变频器的基本原理
3、数字下变频功能
➢ 进行频谱搬移 ➢ 降低采样速率 通过抽取将高速采样信号降低为低速
基带采样信号。
cos (0 n)
LPF
x(t)
x(n)
A/D
LPF
Z BI (t)
BS
Normalized
B
Frequency
(
rad/sample)
0.8
0.9
CIC滤波器幅频响应(D=8 N=5)
CIC滤波器幅频响应衰减值：
=20
log
f／
sin( f /
fs
/ fs
D
/D
)
N
最大混叠出现在什么位置？
f
/D
s
fB
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二、数字下变频器的Matlba设计
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实验背景知识
相关先修课程
➢ 数字信号处理 ➢ 软件无线电
实验涉及到的相关基本原理
➢ 数字下变频器 ➢ 多速率信号处理 ➢ CIC抽取滤波器 ➢ FIR滤波器
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本讲主要内容
一、数字下变频器的基本原理 二、数字下变频器的Matlab设计 三、数字下变频器的FPGA实现 四、扩展实验
Magnitude Response (dB)
Filter #1: Quantized Filter #1: Reference
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
fs/D=1.44MHz Normalized Frequency ( rad/sample)
fs/2=28.8MHz