【正文】 1 引言1．1 研究背景 ，在一個多世紀的時間中，在飛速發(fā)展的計算機和半導(dǎo)體技術(shù)的推動下，無線通信的理論和技術(shù)不斷取得進步，今天，無線移動通信已經(jīng)發(fā)展到大規(guī)模商用并逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚闹匾ㄐ欧绞街?。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展與應(yīng)用數(shù)字信號處理在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越重要。數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)。頻帶傳輸系統(tǒng)也叫數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對基帶信號進行調(diào)制，使其頻譜搬移到適合信道傳輸?shù)念l帶上數(shù)字調(diào)制信號有稱為鍵控信號。在調(diào)制的過程中可用鍵控[1]的方法由基帶信號對載頻信號的振幅，頻率及相位進行調(diào)制最基本的方法有三種：正交幅度調(diào)制（QAM）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。作為數(shù)字通信技術(shù)中重要組成部分的調(diào)制解調(diào)技術(shù)一直是通信領(lǐng)域的熱點課題。隨著當代通信的飛速發(fā)展，通信體制的變化也日新月異，新的數(shù)字調(diào)制方式不斷涌現(xiàn)并且得到實際應(yīng)用[2]。目前的模擬調(diào)制方式有很多種，主要有AM、FM、SSB、DSB、CW等，而數(shù)字調(diào)制方式的種類更加繁多，如ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、DPSK、 QPSK、QAM等。如果產(chǎn)生每一種信號需要一個硬件電路甚至一個模塊，那么能產(chǎn)生幾種、十幾種通信信號的通信機的電路將相當復(fù)雜，體積重量將會很大，而且要增加新的調(diào)制方式也是十分困難的。在眾多調(diào)制方式中，四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)信號由于抗干擾能力強而得到了廣泛的應(yīng)用[3], [4]，具有較高的頻譜利用率和較好的誤碼性能，并且實現(xiàn)復(fù)雜度小，解調(diào)理論成熟，廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波、衛(wèi)星數(shù)字通信系統(tǒng)、有線電視的上行傳輸、寬帶接入與移動通信等領(lǐng)域中[5]，并已成為新一代無線接入網(wǎng)物理層和B3G通信中使用的基本調(diào)制方式[6]。現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)是20世紀9年代發(fā)展起來的大規(guī)模可編程邏輯器件，隨著電子設(shè)計自動化(ElectronDesign Automation EDA)技術(shù)和微電子技術(shù)的進步，F(xiàn)PGA的時鐘延遲可達到ns級，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實時測控方面都有著非常廣闊的應(yīng)用前景[7]。FPGA具有高集成度、高可靠性等特點，在電子產(chǎn)品設(shè)計中也將得到廣泛的應(yīng)用。FPGA器件的另一特點是可用硬件描述語言VHDL對其進行靈活編程[8]，可利用FPGA廠商提供的軟件仿真硬件的功能，使硬件設(shè)計如同軟件設(shè)計一樣靈活方便，縮短了系統(tǒng)研發(fā)周期。基于上述優(yōu)點，用FPGA實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)電路，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，還可以實現(xiàn)多路調(diào)制。數(shù)字調(diào)制信號又稱為鍵控信號。調(diào)制過程可用鍵控的方法由基帶信號對載頻信號的振幅、頻率及相位進行調(diào)制。最基本的方法有3種：正交幅度調(diào)制(QAM)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)．根據(jù)所處理的基帶信號的進制不同分為二進制和多進制調(diào)制（M進制)。多進制數(shù)字調(diào)制與二進制相比，其頻譜利用率更高。其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多進制相移鍵控)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)制方式。本課題主要研究了基于FPGA的QPSK調(diào)制解調(diào)電路的實現(xiàn)方法，并給出了MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結(jié)果。1. 2 國內(nèi)外研究狀況及趨勢 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字信號調(diào)制是用基帶數(shù)字信號控制高頻載波，把基帶數(shù)字信號變換為頻帶數(shù)字信號的過程，數(shù)字信號的調(diào)制設(shè)備包括數(shù)字信號處理（編碼）單元和調(diào)制單元。 數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)框圖首先將模擬信號數(shù)字化，然而數(shù)字信號序列進行編碼碼流是不能或不適合直接通過傳輸信道進行傳輸?shù)?，必須?jīng)過某種處理，使之變成適合在規(guī)定信道中傳輸?shù)男问健Ｔ谕ㄐ旁砩?，這種處理稱為信道編碼，一般包括擾碼，RS編碼，卷積交織，卷積編碼這幾部分；有關(guān)調(diào)制單元的調(diào)制類型的分類：（1）按數(shù)據(jù)類型數(shù)字調(diào)制可分為二進制調(diào)制和多進制調(diào)制兩種?！。?）按已調(diào)信號的結(jié)構(gòu)形式可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩種。（3）按數(shù)字調(diào)制方式分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式。，主要包括解調(diào)單元、信碼再生單元和譯碼單元。其中，載波同步和定時同步是解調(diào)器的2個核心單元，它們直接決定著解調(diào)器的誤碼性能。 數(shù)字通信解調(diào)系統(tǒng)框圖在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機的解調(diào)單元都是用模擬處理方法和器件實現(xiàn)的。其中，共同之處在于使用了模擬濾波器、鑒相器（乘法器）和壓控振蕩器(VCO)。這種傳統(tǒng)的模擬解調(diào)單元電路體積大、形式復(fù)雜；調(diào)試周期長而且受人為因素影響大；器件內(nèi)部噪聲大，易受環(huán)境影響，可靠性差；因此，這種傳統(tǒng)的接收機不能完全發(fā)揮數(shù)字通信的優(yōu)勢，不能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的最佳接收。解調(diào)單元的載波同步和定時同步將完全在數(shù)字部分完成，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位置決定了接收機的數(shù)字化程度。在全數(shù)字解調(diào)中，幾乎所有的模擬解調(diào)單元和件都可以對應(yīng)地找到它的數(shù)字化形式，如數(shù)字濾波器（FIR或IIR）、全數(shù)字乘法器和數(shù)控振蕩器[9], [10]（NCO）等。但全數(shù)字解調(diào)并不是簡單的將模擬解調(diào)中的器件全部數(shù)字化，它具有以下的特點：1)電路結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試；2)可以使用復(fù)雜的算法，從而實現(xiàn)最佳的接收；3)便于計算機輔助設(shè)計，實現(xiàn)電子設(shè)計自動化（EDA）；4)易于集成和大規(guī)模生產(chǎn)，價格低廉。QPSK是目前應(yīng)用非常廣泛的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，目前QPSK調(diào)制的實現(xiàn)主要是利用數(shù)字電路和專用芯片來完成，通常利用可編程數(shù)字電路對基帶信號進行碼元變換，成形濾波等處理后得到同相分量和正交分量，然后將兩路信號分量經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換獲得模擬信號送入一個正交相乘器與中頻載波調(diào)制得到中頻QPSK調(diào)制信號。該方法適合高碼率數(shù)字信號的傳輸，但系統(tǒng)的開放性和靈活性較差。 FPGA的發(fā)展概況 FPGA/CPLD、DSP和CPU被稱為未來數(shù)字電路系統(tǒng)的3塊基石，也是目前硬件設(shè)計研究的熱點[11]。過去的數(shù)字信號處理實現(xiàn)中，大多采用ASIC和DSP，但這類器件都有一定的缺陷。ASIC處理速度快，但開發(fā)成本高，而且內(nèi)部功能不可改變，這樣系統(tǒng)的可重構(gòu)性差；DSP可以通過更改軟件來改變其功能，其重構(gòu)性好，但它的處理速度慢，逐漸跟不上越來越高的信號處理速度的要求。 20世紀90年代以來，微電子技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，其工藝水平達到深亞微米級，在一個芯片上可集成數(shù)百萬乃至上千萬只晶體管。這為制造出規(guī)模更大，速度更快和信息容量更大的芯片系統(tǒng)提供了條件，促進了電子設(shè)計自動化(EDA)技術(shù)的發(fā)展。FPGA的出現(xiàn)就是超大規(guī)模數(shù)字集成電路技術(shù)和計算機輔助設(shè)計技術(shù)發(fā)展的結(jié)果[7]。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，F(xiàn)PGA具有功能強大，開發(fā)過程投資小、周期短，可反復(fù)編程修改，保密性能好，開發(fā)工具智能化等特點，正好充分發(fā)揮了軟件無線電可編程能力強，易于升級的特點，用FPGA取代或部分取代專用ASIC芯片可提高靈活性。FPGA允許電路設(shè)計者利用基于計算機的開發(fā)平臺，經(jīng)過設(shè)計輸入、仿真、測試和校驗，直到達到預(yù)期的結(jié)果。采用FPGA器件可以將原來的電路板級產(chǎn)品集成為芯片級產(chǎn)品，同時還可以很方便地對設(shè)計進行在線修改，它成為研制開發(fā)的理想器件之一。FPGA可以看作是介于ASIC和DSP之間的一種實現(xiàn)手段，它既具有ASIC的高速處理能力，又擁有很好的可重構(gòu)性能，而且開發(fā)成本低，開發(fā)周期短，優(yōu)勢十分明顯[12]。雖然FPGA的思路來源于門陣列，但它與門陣列PLD不同，其內(nèi)部由許多獨立的可編程邏輯模塊(CLB)組成，邏輯塊之間可以靈活地相互連接。FPGA的結(jié)構(gòu)一般分為三部分：可編程邏輯塊、可編程I/O模塊和可編程內(nèi)部連線，現(xiàn)場可編程是指用戶在自己的工作室內(nèi)編程。世界上主要的FPGA生產(chǎn)商是美國Altera公司和Xilinx公司，總共占據(jù)了全球市場份額的60%以上。當前，Altera公司的主流產(chǎn)品為大規(guī)模的Stratix系列和中規(guī)模、低成本、高性價比的Cyclone系列，并分別推出了兩者的下一代產(chǎn)品StratixⅡ和CycloneⅡ。 近年來，F(xiàn)PGA工藝發(fā)展很快，F(xiàn)PGA的工作時鐘頻率也不斷增高，使芯片的處理能力增強。隨著大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計進入“片上可編程系統(tǒng)(SOPC)”的新紀元，越來越多的新型FPGA內(nèi)嵌CPU或者DSP內(nèi)核，支持軟硬件協(xié)同設(shè)計；芯片朝著高密度、低壓、低功耗方向挺進；國際各大公司都在積極擴充其IP庫，以優(yōu)化的資源更好地滿足用戶的需求，擴大市場?；谶@樣的發(fā)展，F(xiàn)PGA己經(jīng)成為實現(xiàn)軟件無線電數(shù)字信號處理的一種非常有效的選擇。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理過程，而它靈活的可重構(gòu)性能保證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線重構(gòu)，使系統(tǒng)具有高度的靈活性，當設(shè)備需要增加新的無線接口時，不需要增加新的FPGA芯片，而只需將現(xiàn)有FPGA的內(nèi)部邏輯重構(gòu)就可以了，這樣就降低了設(shè)備的成本，縮短了開發(fā)周期，正是因為它的這些優(yōu)點，F(xiàn)PGA在無線電技術(shù)的研究和設(shè)備開發(fā)中正在發(fā)揮越來越重要的作用。1. 3 課題研究的意義和主要工作數(shù)字字調(diào)制解調(diào)技術(shù)在數(shù)字通信中占有非常重要的地位，數(shù)字通信技術(shù)與FPGA的結(jié)合是現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的一個必然趨勢。在數(shù)寧信號的頻帶傳輸中，最重要的技術(shù)就是調(diào)制解調(diào)技術(shù)。數(shù)字調(diào)制是數(shù)字符號轉(zhuǎn)換成與信道特性相匹配的波形的過程。數(shù)字信號對載波的調(diào)制與模擬信號對載波的調(diào)制類似。它同樣足用輸入的數(shù)字信號控制(鍵控)載波的幅度、頻率和相位，因而有三種基本調(diào)制技術(shù)：幅移鍵控ASK(Ampl itudeShift Keying)、頻移鍵控FSK(FrequencyShift Keying)、相移鍵控PSK(PhaseShift Keying)。隨著技術(shù)的發(fā)展又演變出多種多樣的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。相移鍵控是用數(shù)字基帶信號控制載波的相位，使載波的相位發(fā)生跳變的一種調(diào)制方式。由于PSK系統(tǒng)抗噪聲性能優(yōu)于ASK和FSK，而且頻帶利用率高，所以，在中、高速數(shù)字通信中被廣泛應(yīng)用。文中介紹了通信系統(tǒng)的組成、QPSK調(diào)制解調(diào)原理，并基于FPGA實現(xiàn)了QPSK調(diào)制電路。并給出了MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結(jié)果與Systemview的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明了該設(shè)計的正確性。本課題的主要研究工作包括以下四方面：（1）了解數(shù)字調(diào)制解調(diào)的基本原理（2）學(xué)習(xí)數(shù)字QPSK的特點、解調(diào)原理、數(shù)學(xué)模型；學(xué)習(xí)VHDL語言（3）了解數(shù)字QPSK的發(fā)展狀況及現(xiàn)實中應(yīng)用；了解FPGA的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)（4）用Systemview對QPSK的調(diào)制解調(diào)進行仿真2 通信系統(tǒng)的組成 通信系統(tǒng)的模型通信的目的是傳輸消息。消息具有不同的形式，例如：符號、文字、話音、音樂、數(shù)據(jù)、圖片、活動圖像等等。因而，根據(jù)所傳遞消息的不同，目前通信業(yè)務(wù)可分為電報、電話、傳真、數(shù)據(jù)傳輸即可視電話等。如果從廣義的角度看，則廣播、電視、雷達、導(dǎo)航、遙測、遙控等也可以列入通信范疇。當然，數(shù)字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸，如計算機數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線路傳輸，但這時必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號進行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。可見，模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘柗N類。發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｗ儞Q方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。對數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼與信道編碼。信道是指傳輸信號的物理媒質(zhì)。在無線信道中，信道可以是大氣（自由空間），在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對象的不同，需要對實際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型，以反映傳輸媒質(zhì)對信號的影響。噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所