【正文】 ................................................................... 48 參 考 文 獻(xiàn) ....................................................................................................................... 49 致 謝 ............................................................................................................................. 50 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 前言 軟件無線電（ Software Radio）技術(shù)是 20 世紀(jì)末提出的一種設(shè)計(jì)思想，它突破了傳統(tǒng)電臺(tái)以硬件為核心的設(shè)計(jì)模式，將寬帶 A/D 轉(zhuǎn)換器盡可能靠近射頻天線，盡可能早的將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，在通用的硬件平臺(tái)上最大程度的通過軟件來實(shí)現(xiàn)不同的通信方式。它以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號(hào)處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐，突破了傳統(tǒng)的無線電臺(tái)以功能單一、可擴(kuò)展性差的硬件為核心的設(shè)計(jì)局限性，強(qiáng)調(diào)以可編程的硬件作為通用平臺(tái)，盡量的用可升級(jí)、可重配置的 軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計(jì)新思路。軟件無線電技術(shù)一經(jīng)提出，就得到了廣泛的關(guān)注并成為未來通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。數(shù)字化、寬帶化是當(dāng)今無線通信的重點(diǎn)主流方向，并且發(fā)展極為迅猛，新技術(shù)層出不窮。許多傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)方法已被淘汰，而基于專用集成芯片（ ASIC）的開發(fā)模式又總是落后于無線通信技術(shù)前進(jìn)的步伐。 FPGA 以其功能強(qiáng)大，開發(fā)周期短、投資少、可重復(fù)修改、開發(fā)工具智能及可軟件升級(jí)等特點(diǎn)成為無線通信領(lǐng)域硬件涉及的首選方式之一 [1]。 軟件無線電的概念 軟件無線電思想是 20 世紀(jì) 90 年代以后逐漸興起的一種 全新的設(shè)計(jì)思想，其完整的概念和體系結(jié)構(gòu)是由 MITRE 公司的美國(guó)科學(xué)家 Joseph Mitola 于 1992 年 5 月在NTC（ National Telesystems Conference）上明確提出，其核心是在通用的通信硬件平臺(tái)上加載不同的通信軟件，以實(shí)現(xiàn)不同的通信方式間的轉(zhuǎn)換。這種全新的設(shè)計(jì)思想使通信中的無線電臺(tái)可以適應(yīng)各種不同的通信方式，軟件無線電臺(tái)良好的兼容性和可編程性使得通信系統(tǒng)的開發(fā)主要成為 DSP（數(shù)字信號(hào)處理）軟件的研究。這將極大的縮短通信系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間和成本，可以說未來采用軟件無線電技術(shù)的軟件無 線電臺(tái)在通信系統(tǒng)中的作用完全可以同通用 PC（個(gè)人電腦）在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域所起的作用相提并論。 軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一次巨大飛躍，將會(huì)給電子技術(shù)帶來深刻變革。軟件無線電臺(tái)的實(shí)現(xiàn)采用了全數(shù)字技術(shù)，但其與第二代全數(shù)字接收機(jī)有著根本的不同。這種技術(shù)采用了通用的 DSP 硬件平臺(tái)，具有完全的可編程性。這與全數(shù)字接收機(jī)專用的硬件芯片結(jié)構(gòu)完全不同，是電子技術(shù)領(lǐng)域繼模擬與數(shù)字技術(shù)之后的第三次重大的飛躍，必將在未來對(duì)電子技術(shù)的發(fā)展及設(shè)計(jì)思想的變革產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并且在軍用與民用兩個(gè)方面都將有著廣泛的應(yīng)用 [1]。 軟件無 線電技術(shù)的基本思想是將寬帶的 A/D 轉(zhuǎn)換器盡可能的靠近射頻天線，即盡可能早的將接收到模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，在最大程度上通過 DSP 軟件來實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能，其基本的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 顯然，理想的軟件無線電臺(tái)是對(duì)天線接收的模擬信號(hào)經(jīng)過放大后直接采樣，實(shí)現(xiàn)完全的可編程性，其后所有的信號(hào)處理，包括下變頻混頻、帶通濾波、載波提取、 IQ 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 圖 軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 （同相與正交）解調(diào)、低通濾波、位同步提取、信道編碼、信源編碼、加密等，全部由 A/D 轉(zhuǎn)換器之后的 DSP 芯片處理?？梢娎硐氲能浖o線電臺(tái)可實(shí)現(xiàn)完全的可編程性，因此可以實(shí)現(xiàn)通信中的各種調(diào)制方式，完全可以根據(jù)要求實(shí)現(xiàn) FDMA（頻分多址接入）、 TDMA（時(shí)分多址接入）和 CDMA（碼分多址接入）等各種多址方式。 軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)于移動(dòng)通信的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用，構(gòu)建一個(gè)通用的、標(biāo)準(zhǔn)的、模塊化的硬件平臺(tái)，把以前用硬件實(shí)現(xiàn)的無線電功能用軟件來實(shí)現(xiàn)，大大地提高了通信系統(tǒng)的靈活性。用軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字調(diào)制靈活性好，可以通過空中下載實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)制方式，從而適應(yīng)不同的通信體制。軟件無線電是 近幾年在無線通信領(lǐng)域提出的一種新的通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，其基本思想是以開發(fā)性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)的硬件為通用平臺(tái)，把盡可能多的通信功能用可升級(jí)、可替換的軟件來實(shí)現(xiàn)。這一新概念一經(jīng)提出，就得到了全世界無線電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。由于它所具有的靈活性、開放性等特點(diǎn)，不僅在軍、民無線通信中獲得了應(yīng)用，而且還被推廣到其它領(lǐng)域。 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 是上世紀(jì) 80 年代中期出現(xiàn)的一類新型可編程器件。應(yīng) 用 FPGA 設(shè)計(jì)功能電路時(shí)，可以讓人們的思路從傳統(tǒng)的以單片機(jī)或 DSP 芯片為核心的系統(tǒng)集成型轉(zhuǎn)向單一專用芯片型設(shè)計(jì)。 FPGA 技術(shù) 的發(fā)展使單個(gè)芯片上集成的邏輯門數(shù)目越來越多，實(shí)現(xiàn)的功能越來越復(fù)雜，人們通過硬件編程設(shè)計(jì)和研制 ASIC，可以極大地提高芯片的研制效率，降低開發(fā)費(fèi)用。 基于上述優(yōu)點(diǎn)，用 FPGA 實(shí)現(xiàn)軟件無線電發(fā)射機(jī)，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設(shè)備體積，滿足了系統(tǒng)的需要，而且比專用芯片具有更大的靈活性和可控性。在資源允許下，還可以實(shí)現(xiàn)多路調(diào)制，并能對(duì)每一路發(fā)射信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行細(xì)調(diào)，這也是實(shí)現(xiàn) 3G 智能波束跟蹤算法的基礎(chǔ)。 理想的軟件無線電及其限制的解決思路 理想的軟件無線電的定義是：軟件無線電臺(tái)是用軟件定義波段、調(diào)制方式 、信號(hào)波形由數(shù)字信號(hào)采樣產(chǎn)生，用寬帶的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，可能還要由中頻上變頻到射頻。類似的，接收機(jī)使用寬帶的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得該軟件無線電臺(tái)節(jié)點(diǎn)所有波段的信號(hào)。接收機(jī)用通用處理器上的軟件完成信號(hào)的提取、下變頻和解調(diào)。 終端 接口 射頻收 發(fā) RF轉(zhuǎn)換 A/D D/A 數(shù)字中頻 DSP 用戶或 計(jì)算機(jī) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 軟件無線電技術(shù)的核心思想是將寬帶的 A/D 轉(zhuǎn)換器盡可能的靠近射頻天線，即盡可能早的將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最大程度的通過 DSP 軟件來實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能。 限制理想軟件無線電實(shí)現(xiàn)的主要瓶頸有 3 個(gè)： (1)天線帶寬： 22020MHz，覆蓋多個(gè) 10 倍頻程，目前無法實(shí)現(xiàn)； (2)總線數(shù)據(jù)速率要大于 5Gbit/s（根據(jù) Nyquist 定律， fs）； (3)數(shù)字處理部分的處理能力。 軟件無線電技術(shù)的研究沿著兩個(gè)思路進(jìn)行：一個(gè)思路是在現(xiàn)有的硬件水平上，通過將 A/D 與天線之間增加模擬環(huán)節(jié)、應(yīng)用并行處理技術(shù)、改進(jìn)算法等；另一個(gè)思路是通過多個(gè) PC 或工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)理想軟件無線電技術(shù)的模擬（虛擬無線電），雖然不能立即投入實(shí)用，但為將來的軟件無線電技術(shù)研究提供理論指導(dǎo) [1]。 研究數(shù)字調(diào)制方法的目的和意義 近幾十年來，移動(dòng)通信進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期，它與人 們的日常生活息息相關(guān)，已經(jīng)成為了人們生活中的必需品，目前移動(dòng)通信正處在由第二代向第三代過渡的階段。調(diào)制技術(shù)是移動(dòng)通信中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)不同的無線信道的特點(diǎn)選擇合適的、高效的調(diào)制方式對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能非常重要。由于頻率資源的有限性，限制了我們無法用開路信道傳輸信息。再者，通信的最終目的是遠(yuǎn)距離傳遞信息。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內(nèi)特性的原因，基帶信號(hào)是無法在無線信道或光纖信道上進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸?shù)摹榱诉M(jìn)行長(zhǎng)途傳輸，必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制將信號(hào)頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。所以調(diào)制就是將基帶信 號(hào)搬移到信道損耗較小的指定的高頻處進(jìn)行傳輸（即載波傳輸），調(diào)制后的基帶信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，其頻率比較高。 數(shù)字信號(hào)的載波傳輸與基帶傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別就是增加了調(diào)制與解調(diào)的環(huán)節(jié)，是在復(fù)接器后增加了一個(gè)調(diào)制器，在分接器前增加一個(gè)解調(diào)器而已。 調(diào)制的目的是把基帶信號(hào)變換成適合信號(hào)傳輸?shù)男盘?hào)，解調(diào)是調(diào)制的逆過程；無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全數(shù)字化，其中調(diào)制、解調(diào)的數(shù)字化是最基本的功能之一。 通過本研究可以為自己 今后從事無線通信系統(tǒng)的開發(fā)奠定重要的基礎(chǔ)。 實(shí)施方案及主要研究手段 作為移動(dòng)通信核心技術(shù) 之一的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速、高效的移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要保證。在通信過程中， 對(duì)于大多數(shù)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)來說，數(shù)字基帶信號(hào)往往具有豐富的低頻成分，而實(shí)際的通信信道又具有帶通特性，因此，必須用數(shù)字信號(hào)來調(diào)制某一高頻率的正弦或脈沖載波，使已調(diào)信號(hào)能通過帶限信道傳輸。這種用基帶數(shù)字信號(hào)控制高頻載波，把基帶數(shù)字信號(hào)變換為頻帶數(shù)字信號(hào)的過程稱為數(shù)字調(diào)制。已調(diào)信號(hào)通過信道傳輸?shù)浇邮斩?，然后通過解調(diào)把頻帶數(shù)字信號(hào)還原成基帶數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)的反變換過程稱為數(shù)字解調(diào)。通常，我們把數(shù)字調(diào)制與解調(diào)合起來稱為數(shù)字濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 調(diào)制 。 本 設(shè)計(jì)題目是低中頻數(shù)字調(diào)制方法的研究及 FPGA 實(shí)現(xiàn)，故其主要任務(wù) 是系統(tǒng)仿真。 由于中低頻數(shù)字調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法太多，而本人的研究時(shí)間有限，不可能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)各種方法逐一研究，故選擇 2ASK、 MQAM、 QPSK、 OFDM 方法 ,運(yùn)用 MATLAB和 FPGA， 利用 Verilog HDL 語言和 Quartus、 Synplify Pro 和 ModelSim 軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行研究， 實(shí)現(xiàn)對(duì) 低中頻數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)技術(shù)仿真 。在具體設(shè)計(jì)仿真之前，首先查閱大量 低中頻數(shù)字調(diào)制技術(shù)的 相關(guān)資料與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，了解 低中頻數(shù)字調(diào)制系統(tǒng) 原理，學(xué)習(xí)掌握應(yīng)用軟件，熟練運(yùn)用軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真 。 選題的創(chuàng)新之處 作為移動(dòng)通信核心技術(shù)之一的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速、高效的移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要保證。 基本的二進(jìn)制和多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法的研究已經(jīng)比較成熟，但為了提高通信系統(tǒng)的數(shù)字傳輸性能，研究人員對(duì)這些數(shù)字調(diào)制方法不斷的加以改進(jìn)，提出了許多新的調(diào)制解調(diào)方法 。這些新的調(diào)制解調(diào)體制，各有所長(zhǎng)，分別在不同方面有其優(yōu)勢(shì)。雖然這些新型體制較為復(fù)雜，但是隨著超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使得復(fù)雜的設(shè)計(jì)可以用少量集成電路模塊實(shí)現(xiàn)，有些硬件電路的功能還可以用軟件實(shí)現(xiàn)。因此使得一些復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)體制能夠容易地用單片集成電路實(shí)現(xiàn)，并出現(xiàn)了單片系統(tǒng)（ System on Chip,SOC），它大大促進(jìn)了新型數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展 [1]。 FPGA 技術(shù)的發(fā)展使單個(gè)芯片上集成的邏輯門數(shù)目越來越多，實(shí)現(xiàn)的功能越來越復(fù)雜，人們通過硬件編程設(shè)計(jì)和研制 ASIC，可以極大地提高芯片的研制 效率，降低開發(fā)費(fèi)用。 所以 ，用 FPGA 實(shí)現(xiàn)軟件無線電發(fā)射機(jī) 和接收機(jī) ，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設(shè)備體積，滿足了系統(tǒng)的需要，而且比專用芯片具有更大的靈活性和可控性。在資源允許下，還可以實(shí)現(xiàn)多路調(diào)制，并能對(duì)每一路發(fā)射信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行細(xì)調(diào)，這也是實(shí)現(xiàn) 3G 智能波束跟蹤算法的基礎(chǔ)。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2 數(shù)字調(diào)制方法 數(shù)字信號(hào)是一種離散的、脈沖有無的組合形式，是負(fù)載數(shù)字信息的信號(hào)。數(shù)字通信與模擬通信相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：首先是抗干擾能力強(qiáng)。模擬信號(hào)在傳輸過程中和疊加的噪聲很難分離，噪聲會(huì)隨著信號(hào)被傳輸、放大、嚴(yán)重影響通 信質(zhì)量。數(shù)字通信中的信息是包含在脈沖的有無之中的，只要噪聲絕對(duì)值不超過某一門限值，接收端便可判別脈沖的有無，以保證通信的可靠性。其次是遠(yuǎn)距離傳輸仍能保證質(zhì)量。因?yàn)閿?shù)字通信是采用再生中繼方式，能夠消除噪音，再生的數(shù)字信號(hào)和原來的數(shù)字信號(hào)一樣，可繼續(xù)傳輸下去，這樣 通信 質(zhì)量便不受距離的影響，可高質(zhì)量地進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。此外，它還具有適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)要求 (如電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等 )，便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，便于采用大規(guī) 模集成電路，便于實(shí)現(xiàn)加密處理，便于實(shí)現(xiàn) 通信 網(wǎng)的計(jì)算機(jī)管理等優(yōu)點(diǎn)。與模擬通信相比，數(shù)字通信具有許多優(yōu)良的特性，它的主要缺點(diǎn)就是設(shè)備復(fù)雜并且需要極大的傳輸帶寬。近年來，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜程度和技術(shù)難度大大降低，同時(shí)高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以及光纖等大容量傳輸介質(zhì)的使用正逐步使帶寬問題得到了解決。因此，作為通信主要環(huán)節(jié)的數(shù)字調(diào)制方法日益受到歡迎。 無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全數(shù)字化，其中調(diào)制、解 調(diào)的數(shù)字化是最基本的功能之一 。 數(shù)字調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 所示 圖 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 近年來，我國(guó)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展，已深入到社會(huì)生活的各個(gè)方面。面對(duì)移動(dòng)用戶群的持續(xù)增長(zhǎng)和新業(yè)務(wù)的層出不窮，移動(dòng)通信體系要及時(shí)適應(yīng)甚至超前于市場(chǎng)需求的步伐。而作為移動(dòng)通信核心技術(shù)之一的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速、高效的移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要保證。 對(duì)于大多數(shù)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)來說，數(shù)字基帶信號(hào)往往具有豐富的低頻成分，而實(shí)際的 通信信道又具有帶通特性，因此，必須用數(shù)字信號(hào)來調(diào)制某一高頻率的正弦或脈信 源 信道編碼 調(diào)制器 信道 受信者 解調(diào)器 信道解碼 信源解