【正文】 軟件無線電的基本思想是以把 DSP 或 FPGA 芯片或通用 CPU 芯片等硬件平臺(tái)為依托，將盡可能多的無線通信功能 (如調(diào)制解調(diào)、信道信源編碼、 加密模式、通信協(xié)議等 )由軟件實(shí)現(xiàn)。3。3 可以看出，其串行處理的結(jié)構(gòu)不可能實(shí)現(xiàn)高階的數(shù)字濾波器功能。2 FPGA 與 ASIC、高速 DSP 性能比較 [6] 器件 功耗 體積 成本 現(xiàn)場(chǎng)可編程性 硅芯片的解決方案 高速 DSP 高 中等 中 /高 高 易 ASIC 中等 大 高 無 難 FPGA 低 小 中 /低 高 易 表 1 國(guó)外率先展開了 DDS 用于調(diào)制技術(shù)的研究，并已生產(chǎn)出了非常成熟的 DDS 調(diào)制芯片。 (3) 本文將 FPGA 技術(shù)與 DDS 技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮了兩大技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。利用 直接數(shù)字頻率合成 (DDS)技術(shù) ，本文采用 了一種有別于現(xiàn)行正交調(diào)制方法的調(diào)制器設(shè)計(jì)方案，具有較好的通用性和可實(shí)現(xiàn)性。 (3) 完成了調(diào)制器硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，利用 Protel DXP 進(jìn)行了原理圖和 PCB 板圖的繪制。 數(shù)字調(diào)制技術(shù)有多種分類方式：從已調(diào)信號(hào)相位是否連續(xù)角度可分為相位不連續(xù)調(diào)制和相位連續(xù)調(diào)制；從 已調(diào) 信號(hào)包絡(luò)是否恒定角度可分為恒定包絡(luò)調(diào)制和非恒定包絡(luò)調(diào)制。同時(shí)， 必須考慮調(diào)制解調(diào)器的可實(shí)現(xiàn)性： 如采用恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，則可采用限幅器、低成本非線性高放器件；而對(duì)于非恒包絡(luò)技術(shù)，則需采用成本 較高的線性高放器件。1 所示幾種調(diào)制方式的工作原理 [6]。 實(shí)現(xiàn)框圖如圖 23) ??na 為雙極性二進(jìn)制數(shù)字序列 。2)。4： 圖 25： (a) ( b) 圖 2 )]()([4)]()([4)( 222112 ffPffPAffPffPAfP ssssF SK ????????北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制原理 MFSK 是 2FSK 的擴(kuò)展。6，它根據(jù) K 比特輸入從 KM 2? 個(gè)頻率中選擇一個(gè)發(fā)送： 圖 27： 圖 2 sssTncsTQ P SK TntnT ttnTtAgtnTtAgtS )1( )s i ns i nc os)(c os()c os ()()( ??? ?????? ??????ssss fMTMTTMB 2 32 3122 1 ????????北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 (2 ，即可得到 A 方式的格雷碼映射星座圖。 ② 差分四相移相鍵控 (DQPSK)與π /4DQPSK 調(diào)制原理 為克服 QPSK 信號(hào)解調(diào)過程中的相位模糊 ，可采用 DQPSK 調(diào)制。 四進(jìn)制差分編碼原理圖如圖 2 3π /4，從而改善了 DQPSK 的頻譜特性。11 QPSK 和 OQPSK 的星座圖和相位轉(zhuǎn)移圖 (a)QPSK 。 北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 調(diào)制框圖如 圖 214 16QAM 矩形星座圖 從星座圖看出， 16QAM 用 16 個(gè)點(diǎn)的星座位置來代表十六進(jìn)制的 16 種數(shù)據(jù)信號(hào)，它有 12 種的相位， 3 種振幅，它抗誤碼能力遠(yuǎn)大于 16PSK 信號(hào)。 15 所示。9) 其調(diào)制指數(shù)為 (2 圖 2 GMSK 信號(hào)就是通過在 MSK 調(diào)制器前加入高斯低通濾波器 (預(yù)調(diào)制濾波器 )而產(chǎn)生的，如 圖 2 高斯低通濾波器滿足以上要求。 對(duì)于 GSM 系統(tǒng)，取 ?TBb 。 第四章將利用該沖激響應(yīng)來討論該高斯濾波器的實(shí)現(xiàn)。而就頻譜利用率和抗噪聲性能兩個(gè)方面來看， PSK 系統(tǒng)最佳，但其設(shè)備復(fù)雜性要高于其它兩種， 在中高速數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛應(yīng)用 [5]。 正因?yàn)檫@些特點(diǎn)， 多進(jìn)制調(diào)制方式獲得廣泛應(yīng)用。 而 QAM 在具有多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，克服了以上缺陷。因此 MSK 信號(hào)更易于在窄帶信道傳輸，對(duì)鄰道的干擾 較小，具有比 BPSK 更優(yōu)越的抗干擾性能。但其唯一缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，其頻譜效率不如 QPSK，不太適合數(shù)據(jù)會(huì)話和高速數(shù)據(jù)傳輸。19 GMSK 調(diào)制方式與 QPSK/DQPSK 性能比較 北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 數(shù)字調(diào)制技術(shù)是移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 (3) 本文數(shù)字調(diào)制器實(shí)現(xiàn)方案 本文 將 DDS 技術(shù)用于數(shù)字調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)，使載波產(chǎn)生和基帶調(diào)制合二為一， 克服了以上 方案 的不足 ，并將 DDS 技術(shù)的諸多優(yōu)良性能引入了該調(diào)制系統(tǒng)。20 基于 FPGA 的數(shù)字調(diào)制器實(shí)現(xiàn)框圖 北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 18 第 3 章 基于 FPGA 的 中頻 數(shù)字調(diào)制器 的軟件 設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 本章首先介紹了 DDS 的原理及其 FPGA 實(shí)現(xiàn)，然后進(jìn)行了多種數(shù)字調(diào)制器的軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試 。1)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣周期為 cT (采樣頻率 cc Tf /1? )，可得離散的波形序列 (3 圖 3 )(s i n)s i n ()2s i n ()( 00 tttftu ??? ???00( ) / 2d t dt f? ? ???)2sin ()( 0 Tfnu ?? ..)2,1,0( ?nnnTfn c ???? ??? 02)( ..)2,1,0( ?ncc ffTf /22 00 ??? ???北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 根據(jù)采樣定理，只要 (3 從式 (35)可見，決定相位函數(shù)斜率的則是兩次連續(xù)采樣之間的相位增量。8) 相應(yīng)的模擬信號(hào)為 根據(jù)采樣定理， K 的最大值應(yīng)小于 M 的二分之一。 ? 將模 2 的累積相位通過查找表 (LUT)映射成相應(yīng)的正弦函數(shù)值。 2/1/0 ?cffM/2???MfTf cc ?? ??2m in0MKfTKf cc ?? ??20)2sin()( tMKftu c??NcKff 20 ?北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 DDS 系統(tǒng)的基本組成如圖 3它的最高合成頻率受限于抽樣定理，其 K 最大只能取 12?N ，即2/max0 cff ? 。如上例中，其分辨力達(dá)到了 ?? ，這在傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)中是很難做到的。 (5) 數(shù)字調(diào)制性能 NcKff 2/0 ?北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 21 由于 DDS 為全數(shù)字的相位控制系統(tǒng)，利用控制字 K 可直接調(diào)整輸出信號(hào)的頻率和相位，因此可在 DDS 設(shè)計(jì)方便的加上數(shù)字調(diào)頻、調(diào)相功能。如 (1)中所述， DDS 輸出頻率上限取系統(tǒng)時(shí)鐘 cf 的 40%左右。同時(shí)， ROM 中的波形幅度量化引起的有限字長(zhǎng)效應(yīng)和 DAC 的非理想特性也對(duì) DDS 的雜散抑制性能產(chǎn)生很大的影響，后文將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)論述。為 發(fā) 揮 DDS 優(yōu)越性， 常采用截?cái)嗉夹g(shù) 增加 相位累加器長(zhǎng)度 。10) 輸出信號(hào)的最小頻率 即頻率分辨率位 為 相位截?cái)嗉夹g(shù)使得 DDS 的頻率分辨率及帶寬得到較大提高，但 也成為 DDS 雜散的主要來源。 通過設(shè)置 相位字可以 獲得任意相位的正弦信號(hào)。 ROM 的地址位線數(shù)目和數(shù)據(jù)位數(shù)越長(zhǎng)，輸出精度就越高。 ? 采用相位截?cái)嗉夹g(shù)，但會(huì)引起系統(tǒng)雜散 。 DEPTH =10。 … .(數(shù)據(jù)略去 ) END。i1024。 } } 把上述 C 程序編譯成程序后，在 DOS 命令行下執(zhí)行命令： romgen 。 將 正弦波表中 單極性數(shù)據(jù) 最高位取反作為帶符號(hào)數(shù)，通過帶符號(hào)乘法器與幅度字相乘完成輸 出波形幅度的數(shù)控 ，其中 幅度字最大值為 )12( 1 ??N 。 圖 3 設(shè) )(?F 為波表所存時(shí)域信號(hào) )(tf 的頻譜，經(jīng)過周期為 ST 的采樣后，可得采樣信號(hào)頻譜為 (314) 其幅頻特性曲線如圖 314)即可 ，甚至可以不加補(bǔ)償 [12]。若采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，例如將幅度調(diào)制器輸出信號(hào)送入 MCU 或 DSP 進(jìn)行數(shù)字域 的低通補(bǔ)償，則可以將上述方案中的 DAC 與濾波器的順序?qū)Q。 ③ 相位調(diào)制器：由于相位調(diào)制器輸出作為查找表的地址信號(hào)， 因此本設(shè)計(jì)采用10 位的相位調(diào)制器，相位字長(zhǎng)亦為 10 位。 輸入幅度字為 10 位，最高位作為符號(hào)位，故最大值為 511。15) 通過調(diào)整相位字 wordp 或幅度字 worda ，即可對(duì)某一固定頻率 wordf 下的輸出從信號(hào)進(jìn)行相位 和幅度的數(shù)控。 DDS技術(shù)將許多優(yōu)良的性能 (工作頻率范圍很寬、頻率分辨率極高、相位連續(xù)和頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短等 )帶入了數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中，后文將對(duì)其詳細(xì)分析。 10bit。 (1) 振幅鍵控 (ASK) ASK 是利用基帶信號(hào) 0 或 1 去控制載波的有無，因此其對(duì)應(yīng)頻率字、相位字為定值，幅度字則隨著基帶信號(hào)的變化而變化。5 ASK 調(diào)制波形 (2) 移相鍵控 (BPSK) BPSK 是利用基帶信號(hào)去控制載波相位，因此其 對(duì)應(yīng)頻率字、幅度字為定值，相位字則隨著基帶信號(hào)的變化而變化。6 BPSK 調(diào)制波形 ??? ???? ? )0( )1(0 12 1nnNw or d aaacMword fff /2 0? 0?wordp)0( )1(021???????nnNw or d aapcMword fff /2 0? 12 1 ?? ?Nworda北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 (3) 差分移相鍵控 (DPSK) DPSK 是利用基帶信號(hào)去控制載波的前后相差，因此有： (320) 示波器波形 如圖 3串并轉(zhuǎn)換電路在位同步信號(hào)作用下利用移位寄存器來實(shí)現(xiàn)，如圖 37 BFSK 調(diào)制波形 第 節(jié) 基于 FPGA 的 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制器的設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 多進(jìn)制 數(shù)字調(diào)制是利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)去調(diào)制載波的振幅、頻率或相位。 (4) 移頻鍵控 (BFSK) BFSK 是利用基帶信號(hào)去控制載波的頻率，設(shè)兩頻率為 1f 和 2f 因此有： (317) 可計(jì)算 ： 71099511627?wordf ， )1(512 ?? nword ap ， 511?worda 示波器觀察波形如 圖 316) 可計(jì)算： 71099511627?wordf ， )1(511 ?? nword aa 示波器 觀察 波形 如圖 3 第 節(jié) 基于 FPGA 的 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制器設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 本節(jié)討論了 ASK、 BPSK、 DPSK、 BFSK 四種 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)。設(shè)載波信號(hào)頻率為 0f ， DDS 系統(tǒng)時(shí)鐘為 cf ，下節(jié) 將針對(duì)第二章的多種數(shù)字調(diào)制方式，給出 wordf 、 wordp 和 worda 的計(jì)算方法及 數(shù)值大小，同時(shí)也給出其具體的實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)于數(shù)字調(diào)制來講，無非是同時(shí)改變 上面三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)或幾個(gè)， DDS 的上述特點(diǎn)恰恰與調(diào)制的基本思想不謀而合。 ⑦ 低通補(bǔ)償濾波器：由于 DDS 系統(tǒng)輸出信號(hào)為單頻信號(hào)，故本設(shè)計(jì)可以不進(jìn)行補(bǔ)償 ，只需將信號(hào)進(jìn)行低通濾波即可。所選 ROM 的地址線位數(shù) 10 位，字長(zhǎng) 10 位，所選字長(zhǎng)應(yīng)與所選擇的 DAC 的數(shù)據(jù)位數(shù)相匹配。 ① 系統(tǒng)時(shí)鐘：本設(shè)計(jì)選擇實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的 20M 晶振作時(shí)鐘源， 利用 Cyclone 芯片內(nèi)部 PLL 倍頻到 250M 作為系統(tǒng)時(shí)鐘 ， 提高系統(tǒng)的輸出頻率范圍。 若補(bǔ)償濾波器有模擬元器件實(shí)現(xiàn)，可采用圖 34 低通補(bǔ)償濾波器幅頻特性曲線 在實(shí)際通信系統(tǒng)中，幅頻特性應(yīng)盡可能滿足補(bǔ)償要求，而相頻特性只要求具有線性相移特性即可。12) 的保持電路后，所得信號(hào) )(0 tfS 的頻譜如下所示： (3為準(zhǔn)確恢復(fù)所需信號(hào)需要在 DAC 輸出端加入 補(bǔ)償濾波器。 ⑤ 高速 D/A 轉(zhuǎn)換器和補(bǔ)償濾波器 [13] D/A 轉(zhuǎn)換器 作用是將幅度碼變成模擬信號(hào)。 romgen 是編譯后的程序名。 printf(“%d : %d。float s。 CONTENT BEGIN 0 : FF。 ROM 初始化數(shù)據(jù)文件可采用 (.mif)或 (.hex)文件。通常有兩種方法降低所需 ROM 的容量： ? 選擇合理的編碼方式。 ③ 正弦波查找表 [12] 正弦查找表主要 相位序列向幅度序列的轉(zhuǎn)換。 寄存器的作用是保證當(dāng)頻率字改變時(shí)不會(huì)