【正文】 干擾相位累加器的工作。 截斷技術(shù)是將相位累加器輸出截斷，取高 N 位作為相位調(diào)制器輸入尋址查找表。3 所示： 圖 3 (7) 相位噪聲性能 由于 DDS 的全數(shù)字結(jié)構(gòu)，其相位噪聲不可能獲得很高的指標(biāo)，它主要取決于參考時鐘源的相位噪聲和相位累加器、 ROM、 DAC 等各部件的噪聲特性。 本文將利用該性能完成數(shù)字調(diào)制器的設(shè)計。同時， DDS 輸出頻率的變化是通過改變相位的累加量實現(xiàn)的， 頻率的變化只改變相位函數(shù)曲線的斜率，而曲線本身是連續(xù)的，從而使得輸出信號的相位連續(xù)。 (2) 極高的頻率分辨力 由式 (32 DDS 頻率合成原理圖 DDS 系統(tǒng)的性能分析 (1) 工作頻率很寬 根據(jù) 式 可知當(dāng) 1?K 時， Ncff 2/min0 ? ，所以當(dāng) N 足夠大時，合成頻率幾 乎 可以 趨向于零?？捎脭?shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC 完成。9) 綜上所述，只要改變兩次連續(xù)采樣之間的相位增量，經(jīng)保持和濾波后，就可 改變輸出信號的頻率，這就是直接數(shù)字式頻率合成的原理?，F(xiàn)將整個周期的相位 ?2 分割為 M 等份，每一份 為可選擇的最小相位增量，若 每次的相位增量都 取 ? ，此時相位增長的斜率最小，得到最低輸出頻率 (3從式 (33)的離散序列唯一地恢復(fù)出式 (31 為 單頻正弦信號進行采樣的情況。4) 式中 (31) 相位函數(shù) )(t? 對時間的導(dǎo)數(shù) 為信號的角頻率 (3 本文 數(shù)字調(diào)制器的實現(xiàn)框圖如圖 2 第 節(jié) 用 FPGA 實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制器的原理及方法 (1) 數(shù)字調(diào)制的基本實現(xiàn)方案 一般來說數(shù)字調(diào)制技術(shù)有兩種實現(xiàn)方法：一是把數(shù)字基帶信號當(dāng)作模擬信號的特殊情況來處理；二是利用數(shù)字信號的離散取值去鍵控載波，通過改變載波參數(shù) (頻率、幅度和相位 )實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，通常稱為鍵控法。 GMSK 與其它兩種調(diào)制方式的性能比較如 圖 2它在保持譜效率的同時維持相應(yīng)的同波道和鄰波道干擾，且包絡(luò)恒定，實現(xiàn)起來較為容易。 ③ 恒包絡(luò)連續(xù)相位 數(shù)字調(diào)制方式 (MSK、 GMSK) MSK 和 GMSK 仍為二進制數(shù)字調(diào)制方式，但較①中所示調(diào)制方式有著更優(yōu)越的性能 。 北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 PSK 類調(diào)制方式中，不同相位差的載波越多，傳輸速率越高，并能夠減少由于信道特性引起的碼間串?dāng)_的影響，提高頻譜利用率。 ? 在 相同信息傳輸速率下，由于多進制碼元傳輸速率比二進制的低，因而多進制信號碼元的持續(xù)時間要比二進制的長。 (1) 二進制數(shù)字調(diào)制方式 ： (ASK、 BFSK、 PSK： BPSK 和 DPSK) 在該三種數(shù)字調(diào)制方式中， FSK 是信息傳輸中用得最早的一種調(diào)制方式。13) 其中： )()2ln(2 TBf bb?? ?? 020)( tjeeAH ???? ???20 ])[(01 )}({)( ???? tteAHFth ??? ???2 )2ln(3 ?dBBbdBb fBTB ?23?北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 圖 212) 該系統(tǒng)函數(shù)具有線性相位， 組 延時為 0t ， ? 決定了高斯濾波器的帶寬。17 GMSK 調(diào)制框圖 GMSK 調(diào)制器輸出已調(diào)波頻譜由預(yù)調(diào)制濾波器的特性控制，因 此實現(xiàn) GMSK 調(diào)制的關(guān)鍵是預(yù)調(diào)制濾波器的設(shè)計。然而，在某些通信場合，如移動通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴(yán)格，要求對鄰近信道的衰減達(dá) 60dB 以上。11) 若 na ?。?1，則 若 na ?。?1，則 其中 此 nx 值要確保 MSK 信號在 t＝ nTb 時刻的載波相位 )(t? 連續(xù)，經(jīng)推導(dǎo)得 ?????? ,3,2,1,0 ,0 nx n ?或 可利用圖 28) 圖 2 第 節(jié) 恒包絡(luò)連續(xù)相位 數(shù)字調(diào)制原理 最 小移頻鍵控原理 (MSK) MSK 是一種特殊形式的 FSK,其頻差是滿足兩個頻率相互正交 (相關(guān)系數(shù)為零 )的最小頻差，并要求 FSK 信號的相位連續(xù)。13 QAM 調(diào)制框圖 16QAM 矩形星座圖如圖 212： 圖 2π /2 的相位跳變，具有較低的頻譜旁瓣。10 四進制差分編碼框圖 DQPSK 信號具有和 QPSK 信號相同的頻譜特性；而π /4DQPSK 將 QPSK 的最大相位跳變177。 對輸入絕對碼流串并轉(zhuǎn)換后進行四進制差分編碼，然 后通過 QPSK 調(diào)制器即可獲得已調(diào)信號。9： 正交調(diào)制法 相位選擇法 圖 28： 圖 2本文將以四相制數(shù)字調(diào)制方式來討論多進制數(shù)字調(diào)制方式的原理。則 MFSK 的主瓣帶寬為 (2發(fā)射頻率為 )..2,1( Mifi ?的正弦波用以表達(dá) M 進制符號中的第 i 種符號。5) 第 節(jié) 多進制數(shù)字調(diào)制原理 實際中許多數(shù)字通信系統(tǒng)常常采用多進制數(shù)字調(diào)制，與二進制數(shù)字調(diào)制不同的是：多進制數(shù)字調(diào)制是利用多進制數(shù)字基帶信號去調(diào)制載波的振幅、頻率或相位。 (4) 移頻鍵控 (BFSK) BFSK 信號形式： (2亦即利用載波的前后相位差來傳遞當(dāng)前絕對碼 { nb }。3 所示： 圖 22 ASK 調(diào)制框圖 已調(diào)信號功率譜密度如下 ： (2 (1) 振幅鍵控 (ASK) ASK 又名二進制通斷鍵控 (OOK)調(diào)制， 信號形式為： (2 北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 綜上所述，調(diào)制技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括：調(diào)制的原理、已調(diào)信號的頻譜特性 及其產(chǎn)生方法等。1 所示 圖 2 北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 第 2 章 數(shù)字調(diào)制原理 第 節(jié) 概 述 數(shù)字調(diào)制技術(shù)的基本原理是用數(shù)字基帶信號 0 與 1 去控制正弦載波中的一個或多個參量，把比特率為 R(bit/s)的二進制數(shù)字序列變換為適當(dāng)?shù)闹蓄l或射頻信號 [1]。 (2) 在 QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下，實現(xiàn)了 2ASK、 2FSK、 2PSK、 QPSK、 DQPSK、OQPSK、 π /4QPSK、 QAM、 MSK、 GMSK 等 10 種數(shù)字調(diào)制方式 。因此，本課題具有較好的研究價值和現(xiàn)實意義。 國內(nèi)對 DDS 的研究起步較晚， DDS 芯片幾乎還是空白。但近 20 年間，隨著器件技術(shù)水平的提高，因其頻率范圍寬、高分辨率、相位連續(xù)等一系列優(yōu)點成為頻率合成技術(shù)中的佼佼者。如 Altera 的 Nios 處理器為高性能 32bit RISC 處理器，配合 Altera 提供的 SOPC Builder 軟件 ，為軟件無線電提供了出眾的硬件平臺，也 增強了 FPGA 的 增值工程 應(yīng)用機會。2 可看出，相比于 ASIC， FPGA 具有低成本、更大的靈活性、可重構(gòu)性及較短的市場投放時間。 FPGA 與傳統(tǒng) ASIC 和 DSP 在性能等方面的比較可參見 表11 各移動通信系統(tǒng)采用的調(diào)制方式 [5] 標(biāo)準(zhǔn) 服務(wù)類型 主要調(diào)制方式 GSM 蜂窩 GMSK IS95 蜂窩 上行： OQPSK 下行： BPSK PHS 無繩 π /4DQPSK CDMA2021 蜂窩 QPSK 和 BPSK WCDMA 蜂窩 QPSK 和 HPSK TDSCDMA 蜂窩 QPSK 和 8PSK B3G(4G) 蜂窩 OFDM 及其相關(guān)技術(shù) 第 節(jié) 基于 FPGA 數(shù)字調(diào)制器研究的意義 在軟件無線電發(fā)展的今天，本文的研究意義包含兩個方面。針對移動信道特性，人們提出了變速率 QAM(VRQAM)、多載波 QAM(MCQAM)等多種改進方式。 提高頻譜利用率是提高通信容量的重要措施，也是人們設(shè)計通信系統(tǒng)的焦點。顯然，這類要求會增加設(shè)備的難度和成本，但這類調(diào)制方式可獲得較好的頻譜利用率。而作為移動通信核心技 術(shù) 之一的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是實現(xiàn)高速、高效的移動通信系統(tǒng)的重要保證。 全文分為五章，第一章介紹了數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，及 本課題的意義；第二章分析了多種數(shù)字調(diào)制技術(shù)的原理，并進行了性能比較，最后給出了基于 FPGA 的數(shù)字調(diào)制器的實現(xiàn)原理及方法；第三章在對 DDS 原理進行介紹的基礎(chǔ)上，完成了多種數(shù)字調(diào)制器的 設(shè)計與 實現(xiàn)；第四章進行了調(diào)制系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計，完成了原理圖和 PCB板圖的繪制。 FPGA(Field Programmable Gate Array)作為軟件無線電另一核心技術(shù)，近 10 年無論在規(guī)模、處理速度還是在功耗上，都取得了長足的進步。 關(guān)鍵詞： 數(shù)字調(diào)制器； FPGA；直接數(shù)字頻率合成 北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) V ABSTRACT This paper presents the implementation of digital modulator based on FPGA. The modulator can realize ten kinds of modulation, including ASK, BPSK, BFSK, QPSK, DQPSK, π/4DQPSK, OQPSK, 16QAM, MSK, GMSK. And the modulator can also perform as an arbitraty waveform generator. Firstly, the paper briefly introduces the progress and the basic principle of modulation technologies. Then, after the realization of DDS modual, the digital modulator is implemented, involving software and hardware design. Finaly, the paper illustrates the experimental results and gives the conclusion. The rate of the baseband signal ranges from 512bps to , which can interface with many devices. The carrier frenquency is up to 20MHZ and the frenquency resolution is . The advantages of FPGA and DDS are concentrated in this modulator, which results in instant transition of the frenquency, phase and amplitude of the modulated signal, and the values of them can be seted arbitrarily and accurately. Addtionally, the modulator distinguishes itself with high speed, high stability, simpleness of the circuit, low cost, small area etc. Keywords： digital modulation， FPGA， DDS 北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) VI 目 錄 前 言 ............................................................................................................ 1 第 1章 緒 論 .................................................