基于MATLAB的中频数字接收机仿真系统

资 源 简 介

本项目主要实现了中频数字接收机的全流程信号处理功能，旨在将模拟射频前端下变频后的中频信号进行数字化提取与解调。程序通过构建数字下变频（DDC）核心架构，完成了从高采样率的中频信号到低采样率基带信号的转换。具体功能涵盖了数字混频、数控振荡器（NCO）频率合成、信号多级滤波及抽取处理。系统首先通过正交混频将输入的中频信号分解为同相（I）和正交（Q）两路分量，随后利用级联积分梳状滤波器（CIC）进行大倍数抽取，并配合补中低通滤波器（FIR）进行精细滤波与降采样，从而有效滤除镜像干扰和带外噪声。该程序不仅可以模拟

详 情 说 明

中频数字接收机仿真程序 (DDC) 项目指南

项目介绍

本项目提供了一个基于MATLAB的中频数字接收机全流程仿真环境，专注于数字下变频（DDC）核心技术的实现。程序模拟了现代数字通信接收机中的关键环节，将高采样率的中频（IF）信号通过正交混频、多级抽取滤波等手段转换成低采样率的基带信号。该项目不仅模拟了信号处理的数学流程，还深入展示了数控振荡器（NCO）、级联积分梳状滤波器（CIC）及有限冲激响应滤波器（FIR）在硬件逻辑中的实现原理，适用于软件无线电研究与信号处理算法验证。

功能特性

• 全流程提取： 涵盖了从带噪中频信号生成到基带I/Q分量提取的完整链路。
• 正交混频处理： 通过内置NCO产生正交相干载波，实现信号从中心频率向零频的频谱搬移。
• 级联抽取架构： 采用CIC滤波器进行大倍数抽取，配合FIR补偿滤波器实现精细滤波和二次降采样，优化计算效率。
• 硬件逻辑建模： CIC滤波器采用积分器（Integrator）与梳状器（Comb）的典型结构建模，模拟了实际硬件的累加与差分过程。
• 多维度可视化： 实时生成时域波形图与功率谱密度图，直观展现信号在各级处理后的频谱演变及噪声抑制效果。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将包含主程序文件的文件夹设置为当前工作目录。
3. 在命令行窗口输入主程序名称并回车运行。
4. 程序将自动执行信号生成、下变频、滤波、抽取及绘图操作，并弹出仿真结果窗口。
5. 用户可根据需求在程序源代码的参数配置区域调整采样率、载波频率、抽取因子等参数进行对比实验。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 安装有 Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）。

详细实现逻辑

程序按照数字下变频的标准物理流程进行分步骤实现，具体如下：

1. 系统参数与信号生成 系统配置采样频率为100MHz，载波中频为10MHz。程序首先生成随机比特流，并采用BPSK调制方案将其调制到中频载波上。为了模拟真实的无线电环境，仿真过程中向中频信号添加了指定信噪比（20dB）的高斯白噪声。

2. 正交混频 (Mixing & NCO) 利用数控振荡器（NCO）的思想，生成两路相位差为90度的正交相干信号（cos和-sin）。将输入的中频信号分别与这两路载波相乘，得到同相分量（I）和正交分量（Q）。此时信号已包含基带分量和二倍频高频分量。

3. CIC 抽取滤波器实现 作为下变频的第一级滤波，程序实现了抽取因子为10、差分延迟为1、级数为3的CIC滤波器：

• 积分器部分： 对混频后的信号进行三级连续累加处理。
• 抽取部分： 按10倍比例对累加结果进行降采样，将采样率降至10MHz。
• 梳状器部分： 对降采样后的序列进行三级差分运算。
• 归一化： 根据公式对信号增益进行补偿，防止溢出并恢复正常幅度。

4. FIR 补偿滤波与二次抽取 由于CIC滤波器在通带内存在幅度衰减，程序设计了一个64阶的FIR低通滤波器，截止频率设为1.2MHz。该阶段对CIC输出信号进行进一步精细滤波，滤除残留的高频分量和镜像干扰。随后进行抽取因子为2的二次降采样，最终输出采样率为5MHz的基带信号。

5. 频谱分析与可视化 程序利用快傅里叶变换（FFT）计算各阶段信号的频谱。绘图模块分别展示了：

• 输入信号的时域波形图与原始功率谱。
• 混频后的和频/差频信号功率谱。
• CIC处理后的中间样点序列。
• 最终下变频后的I/Q基带波形以及零频附近的基带功率谱。

关键算法与实现细节

1. 采样率变换逻辑 程序体现了多速率信号处理的核心思想。通过10倍和2倍的两级抽取，将采样率从100MHz逐级降低至5MHz，这在实际工程中极大地减轻了后续基带处理器的计算负担。

2. CIC 结构的数学模拟 程序未直接调用库函数，而是通过cumsum（累加）和diff（差分）函数手工构建了CIC滤波器的内部结构。这种实现方式准确模拟了硬件寄存器在处理数字溢出和直流增益时的数学特性，其中 R1=10, D=1, N=3 的配置保证了在大倍数抽取时具有良好的旁瓣抑制能力。

3. 正交分解一致性 在混频阶段，程序通过在NCO相位中引入负正弦分量实现正交分解，确保了下变频后能够完整保留信号的幅度和相位信息，生成的I/Q双路信号为后续的数据解调提供了标准正交基底。

4. FIR 窗函数法设计 使用fir1函数设计的低通滤波器充当了抗混叠和通带平坦补偿的双重角色。通过1.2MHz的通带界定，有效提取了1Mbps速率的BPSK信号主瓣，并压制了循环移位引起的带外噪声。