【正文】 Through various digital modulation methods of parison I know: to design a reasonable modulation system, several factors must be taken into account in making digital modulation system design, such as error rate, bandwidth, bandwidth efficiency, signal to noise ratio, spectrum overflow. Key words： digital modulation。它以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐，突破了傳統(tǒng)的無線電臺以功能單一、可擴(kuò)展性差的硬件為核心的設(shè)計局限性，強(qiáng)調(diào)以可編程的硬件作為通用平臺，盡量的用可升級、可重配置的 軟件來實現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計新思路。 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等特點成為無線通信領(lǐng)域硬件涉及的首選方式之一 [1]。 軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)是電子設(shè)計領(lǐng)域的一次巨大飛躍，將會給電子技術(shù)帶來深刻變革。 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轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在最大程度上通過 DSP 軟件來實現(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。用軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)字調(diào)制靈活性好，可以通過空中下載實現(xiàn)不同的調(diào)制方式，從而適應(yīng)不同的通信體制。 現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 是上世紀(jì) 80 年代中期出現(xiàn)的一類新型可編程器件。在資源允許下，還可以實現(xiàn)多路調(diào)制，并能對每一路發(fā)射信號的幅度和相位進(jìn)行細(xì)調(diào)，這也是實現(xiàn) 3G 智能波束跟蹤算法的基礎(chǔ)。 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 計算機(jī) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 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轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最大程度的通過 DSP 軟件來實現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能。調(diào)制技術(shù)是移動通信中的一項關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)不同的無線信道的特點選擇合適的、高效的調(diào)制方式對移動通信系統(tǒng)的性能非常重要。為了進(jìn)行長途傳輸，必須對數(shù)字信號進(jìn)行載波調(diào)制將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。 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)。已調(diào)信號通過信道傳輸?shù)浇邮斩?，然后通過解調(diào)把頻帶數(shù)字信號還原成基帶數(shù)字信號，這種數(shù)字信號的反變換過程稱為數(shù)字解調(diào)。在具體設(shè)計仿真之前，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 。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)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，使得復(fù)雜的設(shè)計可以用少量集成電路模塊實現(xiàn)，有些硬件電路的功能還可以用軟件實現(xiàn)。在資源允許下，還可以實現(xiàn)多路調(diào)制，并能對每一路發(fā)射信號的幅度和相位進(jìn)行細(xì)調(diào)，這也是實現(xiàn) 3G 智能波束跟蹤算法的基礎(chǔ)。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。與模擬通信相比，數(shù)字通信具有許多優(yōu)良的特性，它的主要缺點就是設(shè)備復(fù)雜并且需要極大的傳輸帶寬。 數(shù)字調(diào)制技術(shù)簡介 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，我國移動通信業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展，已深入到社會生活的各個方面。這種用基帶數(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)字信號的過程稱為數(shù)字調(diào)制。對數(shù)字調(diào)制技術(shù)的主要要求是：已調(diào)信號的頻譜窄和帶外衰減快（即所 占頻帶窄，或者說頻譜利用率高）；易于采用相干或非相干解調(diào)；抗噪聲和抗干擾的能力強(qiáng)；以及適宜在衰落信道中傳輸。應(yīng)該注意：此處所謂的“線性”，是指這類調(diào)制技術(shù)要求通信設(shè)備從頻率變換到放大和發(fā)射的過程中保持充分的線性。 提高頻譜利用率是提高通信容量的重要措施，是人們規(guī)劃和設(shè)計通信系統(tǒng)的焦點。以往，人們認(rèn)為多電平 QAM 信號的特征不適合在移動環(huán)境中進(jìn)行傳輸?？梢灶A(yù)期，在移動信道中使用多電平 QAM調(diào)制和多載波技術(shù)將成為主要的調(diào)制技術(shù)。 相比較而言， 抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、頻譜利用率高的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制技術(shù) 得到了廣泛的應(yīng)用。 QAM 是幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息 比特，因此在最小距離相同的條件下可實現(xiàn)更高的頻帶利用率，目前 QAM最高已達(dá)到 1024QAM（ 1 024 個樣點）。 頻移鍵控 FSK（ Frequencyshift keying）是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù) ， 它利用基帶數(shù)字信號離散取值特點去鍵控載波頻率來 傳遞信息 。對二進(jìn)制的頻移鍵控調(diào)制方式，其有效帶寬為 B=2Fa+2Fb,Fa 是二進(jìn)制基帶信號的 帶寬 ， 也是 FSK 信號的最大頻偏，由于 數(shù)字信號 的帶寬即 Fb 值大，所以二進(jìn)制頻移鍵控的信號帶寬 B 較大，頻帶利用率小。因此，MFSK 多用于調(diào)制速率較低及多徑延時比較嚴(yán)重的信道，如無線短波信道 。但在多相調(diào)制時，相位取值數(shù)增大，信號之間的相位差也就減小，傳輸?shù)目煽啃詫㈦S之降低，因而實際中用得較多的是四相制（ 4PSK）和八相制（ 8PSK）。 正交頻分復(fù)用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing 簡稱“ OFDM” )是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)。OFDM 的 正交指各個載波的 信號頻譜是正交的 ，它的 全部載波頻率有相等的頻率間隔，它們是一個基本振蕩頻率的整數(shù)倍 。目前 OFDM 技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域以及民用通信系統(tǒng)中，主要的應(yīng)用包括：非對稱的數(shù)字用戶環(huán)線(ADSL)、數(shù)字視頻廣播 (DVB)、高清晰度電視 (HDTV)、無線局域網(wǎng) (WLAN)和第 4代 (4G)移動通信系統(tǒng)等。由于它具有強(qiáng)大的計算和繪圖功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫和簡潔高效的編程語言，已成為數(shù)學(xué)計算工具方面事實上的標(biāo)準(zhǔn)。工程師 Jack Little 將 MATLAB 用 C語言重寫， 1984 年成立 MathWorks 公司， MATLAB 正式推向市場。 MATLAB 具有功能豐富的工具箱和強(qiáng)大的運(yùn)算、文字處理功能。 MATLAB 是以解釋方式工作的，即它對每條語句解釋后立即執(zhí)行，鍵入算式無需編譯立即得出結(jié)果，若有錯誤也立即作出反應(yīng)，便于編程者立即改正。 MATLAB 能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定最佳坐標(biāo)；規(guī)定多種坐標(biāo)系（如極坐標(biāo)系、對數(shù)坐標(biāo)系等）；設(shè)置不同顏線型、視角等，并能繪制三維坐標(biāo)中的區(qū)縣和曲面。 (5)Simulink 動態(tài)仿真功能。因此，我們將在研究中使用FPGA， 利用 Verilog HDL 語言和 Xinlinx ISE、 Synplify Pro 和 Quartus 軟件開發(fā)平臺對各種數(shù)字調(diào)制方法進(jìn)行仿真和實現(xiàn) 研究。這兩種器件兼容了 PLD 和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。 FPGA 的基本特點主要有： (1)采用 FPGA 設(shè)計 ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)就能得到合用的芯片； 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 (2)FPGA 可做其他全定制或半定制 ASIC 電路的試樣片； (3)FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I/O 引腳； (4) FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險最小的器件之一； (5)FPGA 采用高速 CHMOS工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。 (2)FPGA/CPLD 芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計人員承 擔(dān)投片風(fēng)險和費(fèi)用，設(shè)計人員只需在自己的實驗室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能設(shè)計。FPGA/CPLD 軟件包中有各種輸入 工具 和仿真工具及版圖設(shè)計工具和編 程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計人員在很短的時間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作。 FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消 失。這樣，同一片F(xiàn)PGA、不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。如今，隨著 FPGA 向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP 的方向發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計工程師在從這些優(yōu)異性能獲益的同時，不得不面對由于 FPGA 前所未有的性能和能力水平而帶來的新的設(shè)計挑戰(zhàn)。幸運(yùn)地是， FPGA 廠商、 EDA 工具供應(yīng)商正在通力合作解決 65nm FPGA 獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)。其中 Altera 和 Xilinx主要生產(chǎn)一般用途 FPGA，其主要產(chǎn)品采用 RAM 工藝。雖然 2ASK 的抗干擾性不如其它調(diào)制方式，在無線通信中未得到實際應(yīng)用，但由于其實現(xiàn)簡單，在光纖通信中獲得廣泛使用。 圖 ASK 信號波形圖 圖 2ASK 的雙邊功率譜密度 2ASK 解調(diào)及誤比特率 2ASK 信號的解調(diào)有兩種方式：一種是相干解調(diào)；另一種是包絡(luò)檢波的非相干解調(diào) [1]。 當(dāng)發(fā)送 的信息比特為“ 1”時，輸入的 2ASK 信號為 tA c?cos ，則經(jīng)過圖后的輸出信號為 )()( tnAty c?? ，這里 A 為信號幅度， )(tnc 為輸出信號中的噪聲成分。該方案的濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 優(yōu)點是：不需要載波提取電路，實現(xiàn)簡單。而非相干解調(diào)和相干解調(diào)存在著 3dB 的性能差異。 dt=。 %時域橫坐標(biāo) f=linspace(Bs,Bs,N)+eps。 %模擬基帶信號 m(mt0)=1。 %DSBSC AM 已調(diào)信號 S=T2F(s)。 Lpfil=LPF(fc)。 yr(yr0)=1。,) title(39。) ylabel(39。,) title(39。t (ms)39。LineWidth39。t (ms)39。 X=[H(N/2+1:N),H(1:N/2)]*dt end 圖 2ASK 的調(diào)制解調(diào)波形示意圖 其中的子程序 F2T 如下 : function x=F2T(X) global dt df t f T N %x 為時域的取樣值矢量， X 為 x 的傅氏變換， X 與 x 長度相同并為 2 的整冪 X=[X(N/2+1:N),X(1:N/2)]。 %系統(tǒng)帶寬 x1=(Bsfc/2)*N/(2*Bs)。 根據(jù)上述程序，得到調(diào)制 /解調(diào)曲線如圖 所示。 //模塊工作時鐘 input reset。 //carriers 是要調(diào)制的載波信號，將輸入信號 clk 經(jīng)過 4 分頻得到 reg carriers。 end else begin if (t==239。 t=t+1。 圖 two_ASK 模塊綜合后得到的 RTL 結(jié)構(gòu)示意圖 在 Quartus 中仿真后，其結(jié)果如圖 示。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 21 input x。 //計數(shù)器 reg[2:0] m。b111)。 end always(posedge x) begin //此過程完成 two_ASK 信號的解調(diào) if(!reset) begin m=339。b010) //只要 m 計數(shù)器超過 3，就判決為 1 y=139。 m=339。 在 Quartus 中仿真后，其結(jié)果如圖 所示。這些技術(shù)的研究，主要是圍繞充分節(jié)省頻譜和高效率的利用頻帶展開的。上述 MQAM 表達(dá)式還可以寫成正交表示形式 tnTtgAtnTtgASCnSn nn SnM Q A M ???? s i n]s i n)([c os]c os)([ ???? ?? () 從 ()式可以看出， MQAM 已調(diào)信號有兩路相互正交的載波疊加而 成，每路載波都被離散振幅調(diào)制。實際上在MQAM 相干解調(diào)器中，最關(guān)鍵也是最難實現(xiàn)的模塊是同步模塊，包括載波恢復(fù)模塊和定時恢復(fù)模塊。 QAM 調(diào)制 /解調(diào)的 MATLAB 實現(xiàn) 用 MATLAB 實現(xiàn)對隨機(jī)序列的 16QAM 的調(diào)制和解調(diào)，并繪制信噪比為 10dB情況下的 調(diào)制信號星座圖。 %調(diào)制 ynoisy=awgn(y,15,39。 figure。從中可以看出，經(jīng)過加噪處理后，信號的星座圖明顯變差，也同時表明 QAM 信號的容噪性能很弱，只能工作在高信噪比的情況下，在較低的信噪比情況下，仍然需要使用 QP