【正文】 (35： 圖 3 本文所選參數(shù)值如下： 系統(tǒng)時(shí)鐘 cf 為 20MHZ， wordf 、 wordp 和 worda 分別為 40 位、10 位和 10 位數(shù)據(jù)， 即 10,40 ?? NM ， 正弦波查找表大小為 1024179。 綜 上所述，系統(tǒng)參數(shù)值如下： 若 產(chǎn)生頻率為 0f 的正弦信號(hào)，頻率字計(jì)算公式 ： (3 ② 相位累加器：本設(shè)計(jì)選擇 40 位相位累加器，頻率字長(zhǎng)亦為 40 位，提高輸出????? ????? n TjSSSS seTsanFthFFF 200 )2/()()]([)()( ??????????????)2|(|)2|(|0)2(/)( 20sssTjrTSaejHs???????)()()(0 STtututh ???北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 信號(hào)的頻率精度和范圍。在要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合，補(bǔ)償濾波器的 |)(| 0 ?jH r 曲線只要大致接近式 (3 下文將對(duì)該濾波器特性進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 ④ 幅度調(diào)制器 幅度調(diào)制器利 用乘法器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的幅度可控。 for(i=0。 文本 編輯 器打開的 .mif 文件格式如下： WIDTH =10。由相位碼作為 LUT 的地址 尋址查找表 即可獲得正弦波形 。 若需產(chǎn)生頻率為 0f 正弦信號(hào)，頻率字計(jì)算公式如下： (3 (8) 雜散抑制性 能 由于 DDS 一般采用相位截?cái)嗉夹g(shù) (參考第 節(jié) )，它的直接后果是給 DDS 的輸出信號(hào)引入了雜散。 (4) 任意波形輸出能力 DDS 的 ROM 中存儲(chǔ)的波形序列并非必須是正弦波，因此用 DDS 產(chǎn)生各種波形，如三 角波、方波、鋸齒波等。例如，設(shè) MHZf c 30? ，若 32?N ，其最低合成頻率可達(dá) ?? 。 (2) DDS 系統(tǒng)組成 根據(jù)上述原理，為合成所需的頻率，需 解決下列技術(shù)問題 : ? 需控制每次采樣的相位增量，并輸出模 2 的累積相位。4)和 (3黑點(diǎn)即離散 相位 序列和離散 波形 序列，虛線是 采樣值進(jìn)行保持后的波形 。2) 如果對(duì)式 (3 (2) 目前常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案 目前，數(shù)字調(diào)制器多用正交調(diào)制方案來實(shí)現(xiàn)，該方案具有較好的通用性 ， 但需要嚴(yán)格正交的載波，增加了設(shè)備的復(fù)雜性 ，且電路結(jié)構(gòu)比較固定，不易擴(kuò)展。這是此調(diào)制方式在 2G 系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用的主要原因。但相鄰載波間的相位差越小，對(duì)接收端的要求就越高，使誤碼率增加，功率利用率降低。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)起來比較容易，抗噪聲和抗衰落性能較好，但其頻譜利用率要低于其它兩種調(diào)制方式，因此在中低速數(shù)據(jù)傳輸中有著廣泛的應(yīng)用。 其 3dB 帶寬為 歸一化 3dB 帶寬為 其中 ?2/3dBb BB ? ， bf 為基帶信號(hào)碼元速率。因此，近 年 來對(duì) MSK 信號(hào)作些改進(jìn)，如 將輸入信號(hào)經(jīng)過濾波以后 等 再送入 FM 調(diào)制，從而改善已調(diào)信號(hào)的帶外特性 。15 2FSK 兩信號(hào)的互相關(guān)系數(shù) ? 與兩載頻間隔 f?2 之間的關(guān)系 兩頻率 正交時(shí)的最小頻率間隔 為 (214： 圖 2 圖 2當(dāng)對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行 A 方式的 QPSK 調(diào)制時(shí)，可獲得 DQPSK 調(diào)制信號(hào)；當(dāng)進(jìn)行 B 方式的 QPSK 調(diào)制時(shí)，可獲得π /4DQPSK 調(diào)制信號(hào)。8 B 方式格雷映射星座圖 將以上星座圖 向右 旋轉(zhuǎn) 45176。6) 功率譜密度 分布如圖 2因此，相應(yīng)地有多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制、多進(jìn)制數(shù) 字頻率調(diào)制和多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制三種基本方式以及該三種基本方式的組合形式。實(shí)現(xiàn)框圖如 圖 22) (2) 移相鍵控 (BPSK) BPSK 信號(hào)形式為： (2因此，本文將從以上幾個(gè)方面討論 圖 2數(shù)字信號(hào)調(diào)制的基本類型分為振幅鍵控 (ASK)、頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK)，此外還有許多有基本類型改進(jìn)或綜合而獲得的新型調(diào)制技術(shù)：包括多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制技術(shù)和 改進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù) 等。 北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 第 節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容 本文實(shí)現(xiàn)了 基于 FPGA 的數(shù)字調(diào)制器 ，完成了軟硬件設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)相比，通過預(yù)置相位累加器的初始值和改變相位間隔，可精確 控制合成信號(hào)的相位和頻率，易于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制方式。雖然近 20 年來， DSP 性能得到不斷提高，但要達(dá)到千兆赫量級(jí)的時(shí)鐘速度，所要求的功耗仍然很高，并且由表 1 (1) 采用 FPGA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制器的設(shè)計(jì)。 80年代初，由于線性高放未取得突 破性進(jìn)展，人們大多把注意力集中在恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)(如 GSM采用 GMSK)，但 80年代中期以后，隨著線性高放的發(fā)展，人們著重采用了 QPSK之類的線性數(shù)字調(diào)制技術(shù)。 移動(dòng)通信對(duì)調(diào)制技術(shù)的主要要求是：已調(diào)信號(hào)的頻譜窄和帶外衰減快 (即頻譜利用率高 )；易于采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)；抗噪聲和抗干擾能力強(qiáng)；以及適宜在衰落信道中傳輸。隨著 FPGA 成本的降低及設(shè)計(jì)工具的發(fā)展， FPGA 器件獲得廣泛應(yīng)用，既能實(shí)現(xiàn)高性能的 DSP 應(yīng)用，又降低了專用 ASIC 的風(fēng)險(xiǎn)和前期成本，成為數(shù)字信號(hào)處理硬件實(shí)現(xiàn)的比較好的選擇方案 [3]。載波頻率最高可達(dá) 20MHZ，頻率分辨率為 。 (4) 利用 VHDL 語(yǔ)言對(duì) 各 功能模塊編程，并完成軟件仿真。誠(chéng)信聲明 本人聲明： 我 所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。 (5) 完成 FPGA 芯片外 圍 電路的 設(shè)計(jì) (6) 進(jìn)行硬件調(diào)試與 系統(tǒng) 調(diào)試 (7) 利用 Protel 完成原理圖和 PCB 圖的繪制。 通過實(shí)際運(yùn)行和測(cè)試，功能和技術(shù)指標(biāo)均滿足 要求。FPGA 技術(shù)的出現(xiàn)，使得人們 “ From Concept to System in minutes” 的夢(mèng)想得到部分實(shí)現(xiàn)。 在實(shí)際應(yīng)用中，有兩類用的最多的數(shù)字調(diào)制方式 [4]： (1) 線性調(diào)制技術(shù)：主要包括 PSK、 QPSK、 DQPSK、 OQPSK、π /4DQPSK、多電平 PSK和 QAM等。 另一種獲得迅速發(fā)展的調(diào)制技術(shù)是振幅相位聯(lián)合調(diào)制 (QAM)技術(shù)。 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 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。 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。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。 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。1 所示幾種調(diào)制方式的工作原理 [6]。3) ??na 為雙極性二進(jìn)制數(shù)字序列 。4： 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。7： 圖 2 ，即可得到 A 方式的格雷碼映射星座圖。 四進(jìn)制差分編碼原理圖如圖 211 QPSK 和 OQPSK 的星座圖和相位轉(zhuǎn)移圖 (a)QPSK 。14 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)。9) 其調(diào)制指數(shù)為 (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 對(duì)于 GSM 系統(tǒng)，取 ?TBb 。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]。 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。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。 (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)。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 )(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 (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。 ? 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。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 ? 。 (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。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。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。 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。 DEPTH =10。i1024。 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 。 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)即可 ，甚至可以不加補(bǔ)償 [12]。 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。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。 10bit。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。20) 示波器波形 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。17) 可計(jì)算 ： 71099511627?wordf ， )1(512 ?? nword ap ， 511?worda 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)。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。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。 若補(bǔ)償濾波器有模擬元器件實(shí)現(xiàn)，可采用圖 312) 的保持電路后，所得信號(hào) )(0 tfS 的頻譜如下所示：