【正文】 ................ 25 QPSK 調制 /解調的實現(xiàn) ........................................................................................ 30 QPSK 調制 /解調的基本原理 ...................................................................... 31 QPSK 調制 /解調的 MATLAB 實現(xiàn) ........................................................... 35 QPSK 調制 /解調的 FPGA 實現(xiàn) .................................................................. 36 OFDM 調制 /解調的實現(xiàn) ....................................................................................... 40 正交頻分復用（ OFDM）的基本原理 ...................................................... 40 OFDM 調制 /解調的 MATLAB 實現(xiàn) .......................................................... 44 OFDM 調制 /解調的 FPGA 實現(xiàn) ................................................................ 45 結 論 ............................................................................................................................. 48 參 考 文 獻 ....................................................................................................................... 49 致 謝 ............................................................................................................................. 50 濟南大學畢業(yè)設計 1 1 前言 軟件無線電（ Software Radio）技術是 20 世紀末提出的一種設計思想，它突破了傳統(tǒng)電臺以硬件為核心的設計模式，將寬帶 A/D 轉換器盡可能靠近射頻天線，盡可能早的將接收到的模擬信號轉化為數(shù)字信號，在通用的硬件平臺上最大程度的通過軟件來實現(xiàn)不同的通信方式。這將極大的縮短通信系統(tǒng)開發(fā)的時間和成本，可以說未來采用軟件無線電技術的軟件無 線電臺在通信系統(tǒng)中的作用完全可以同通用 PC（個人電腦）在計算機領域所起的作用相提并論。 軟件無線電技術的出現(xiàn)對于移動通信的發(fā)展起到了很大的推動作用，構建一個通用的、標準的、模塊化的硬件平臺，把以前用硬件實現(xiàn)的無線電功能用軟件來實現(xiàn)，大大地提高了通信系統(tǒng)的靈活性。 基于上述優(yōu)點，用 FPGA 實現(xiàn)軟件無線電發(fā)射機，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設備體積，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。 研究數(shù)字調制方法的目的和意義 近幾十年來，移動通信進入了飛速發(fā)展時期，它與人 們的日常生活息息相關，已經(jīng)成為了人們生活中的必需品，目前移動通信正處在由第二代向第三代過渡的階段。 調制的目的是把基帶信號變換成適合信號傳輸?shù)男盘枺庹{是調制的逆過程；無線通信系統(tǒng)設計的一個目標是實現(xiàn)系統(tǒng)全數(shù)字化，其中調制、解調的數(shù)字化是最基本的功能之一。 由于中低頻數(shù)字調制的實現(xiàn)方法太多，而本人的研究時間有限，不可能在短時間內對各種方法逐一研究，故選擇 2ASK、 MQAM、 QPSK、 OFDM 方法 ,運用 MATLAB和 FPGA， 利用 Verilog HDL 語言和 Quartus、 Synplify Pro 和 ModelSim 軟件開發(fā)平臺進行研究， 實現(xiàn)對 低中頻數(shù)字調制系統(tǒng)技術仿真 。 所以 ，用 FPGA 實現(xiàn)軟件無線電發(fā)射機 和接收機 ，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設備體積，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。此外，它還具有適應各種通信業(yè)務要求 (如電話、電報、圖像、數(shù)據(jù)等 )，便于實現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)，便于采用大規(guī) 模集成電路，便于實現(xiàn)加密處理，便于實現(xiàn) 通信 網(wǎng)的計算機管理等優(yōu)點。 對于大多數(shù)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)來說，數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻成分，而實際的 通信信道又具有帶通特性，因此，必須用數(shù)字信號來調制某一高頻率的正弦或脈信 源 信道編碼 調制器 信道 受信者 解調器 信道解碼 信源解碼 信源編碼 噪聲源 濟南大學畢業(yè)設計 6 沖載波，使已調信號能通過帶限信道傳輸。 在實際應用中，有兩類用的最多的數(shù)字調制方式： (1)線性調制技術，主要包括 PSK、 QPSK、 DQPSK、 OKQPSK 和多電平 PSK 等。目前， 4電平、 16 電平、 64 電平以及 256 電平的 QAM 都已在微波通信中獲得成功應用。 低中頻數(shù)字調制方法的研究現(xiàn)狀及存在的問題 廣泛使用的數(shù)字調制技術，如幅度鍵控（ ASK）、移相鍵控（ PSK）和移頻鍵控（ FSK）等，因傳輸效率低而無法滿足移動通信等高要求的現(xiàn)代通信系統(tǒng)。與其 它 調制技術相比， QAM 調制技術具有充分利用帶寬、抗噪聲強等特點。多頻制的主要缺點是信號頻帶寬，頻帶利用率低。 在現(xiàn)代電話系統(tǒng)所使用的數(shù)字傳輸方式中， TDM(時分多路復用 ,TimeDivision Multiplexing)代替了 FDM 技術。另外， OFDM技術可動態(tài)分配在子信道中的數(shù)據(jù)，為獲得最大的數(shù)據(jù)吞吐量，多載波調制器可以智能地分配更多的數(shù)據(jù)到噪聲小的子信道上。 MATLAB 開始應用于數(shù)學界。由于 MATLAB 的命令表達方式與標準的數(shù)學表達式非常相似，因此，易寫易讀并易于在科技人員之間交流。 MATLAB 的函數(shù)大多為 ASCII 文件，可以直接編程、修改， MATLAB 的工具箱可以任意增減。 20 世紀 80 年代中期， Altera和 Xilinx分別推出了類似于 PAL 結構的擴展型 CPLD（ Complex Programmable Logic Dvice）和與標準門陣列類似 FPGA，它們都具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。 (1)隨著超大規(guī)模集成電路（ VLSI， Very Large Scale IC）工藝的不斷提高，單一芯片內部可以容納上百萬個晶體管， FPGA/CPLD 芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達到上百萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。 FPGA 的配置方式 目前 FPGA 的品種很多，有 XILINX的 xc 系列、 TI 公司的 TPC 系列、 ALTERA公司的 FIEX 系列等。當需要修改 FPGA 功能時，只需換一片 EPROM 即可。此外，針對不同應用而集成的更多數(shù)量的邏輯功能、 DSP、嵌入式處理和接口模塊，也讓時鐘管理和電壓分配問題變得更加困難。 2ASK 調制解調方法 2ASK 調制 /解調的實現(xiàn) 2ASK 又稱為二進制啟閉鍵控（ OOK,OnOff Keying），它是以單極性不歸零碼來控制載波的開啟和關閉的，其調制方式出現(xiàn)的比模擬調制方式還早。其結構圖如圖 所示。 接收濾波器 載波提取電路 低通濾波器 時鐘同步電路 判決 相干解調 采樣 定時 包絡檢波器 判決 r（ t） 采樣 輸出 y（ t） 濟南大學畢業(yè)設計 16 在以上兩種解調方案中，相干解調器的性能相對要好。 %截短時間 Bs=N*df/2 %系統(tǒng)帶寬 t=linspace(T/2,T/2,N)。 %正弦載波信號 s=m.*c。 yr=yrtmean(yrt)。t (ms)39。 axis([1,+1,*min(c),*max(c)]) xlabel(39。]) xlabel(39。 %實現(xiàn) 低通的頻域形式 global dt df N t f T Bs=N*df/2。 input clk。 carriers=0。 endmodule 上述程序經(jīng)過綜合，就可以得到如圖 所示的 RTL 結構示意圖。 reg[2:0] t。 else t=t+1。b1。因此傳統(tǒng)的數(shù)字調制方式已不能滿足應用的需求，需要采用新的調制方式以減小信道對所傳信號的影響，以便在有限的帶寬資源條件下獲得更高的傳輸速率。 （ 2） MQAM 解調原理 MQAM 信號可以采用正交相干解調方法解調，多電平判決器對多電平基帶信號串 /并 轉換 預調制 LPF 預調制 LPF 2 到 L 電平變換 2 到 L 電平變換 cost?wt sinwt Am Bm 已調信號輸出 y（ t） 濟南大學畢業(yè)設計 24 進行判決和檢測，分別恢復出速率等于 Rb/2（ Rb 為信息速率）的二進制序列，最后經(jīng)過并 /串轉換器將兩路二進制序列合成一個速率為 Rb 的二進制信息。 y=modulate((M),x)。 %解調 [num,rt]=symerr(x,z) %計算誤比特率 運行上述程序，就可以得到如圖 所示的星座圖指標。甚至 BPSK信號來保證傳輸?shù)恼_性 [5]。measured39。同步模塊也是所有想干解調器的關鍵模塊。多進制調制是提高頻譜利用率的有效方法，恒包絡技術能適應信道的非線性，并且保持較小的頻譜利用率。b000。b000。 //記錄 x 的脈沖數(shù) always (posedge clk) begin //完成 t 的循環(huán)計數(shù) if(!reset) begin t=339。 圖 two_ASK 模塊仿真結果局部示意圖 (2)使用 Verilog 實現(xiàn) 2ASK 解調 module ASK_two(clk,reset,x,y)。b11) begin t=239。 //模塊控制信號 input x。 x2=(Bs+fc/2)*N/(2Bs)。) ylabel(39。) ylabel(39。s(t) (V)39。 %發(fā)送比特 yr(yr0)=0。 n=awgn(s,20)。 %頻域橫坐標 fm=1。 2ASK 調制 /解調的 MATLAB 實現(xiàn) 用 MATLAB 實現(xiàn) 2ASK 調制，以及相干解調，并給出調制 /解調后的信號波形。當發(fā)送信息比特為“ 0”時，輸入的信號為 0，則輸出信號為 )()( tnty c? 。此外， 2ASK 的分析方法是最基本的，是研究數(shù)字調制的理論基礎 [5]。不久以前， Synplicity 與 Xilinx 宣布成立超大容量時序收斂聯(lián)合工作小組，旨在最大程度幫助地系統(tǒng)設計工程師以更快、更高效的方式應用 65nm FPGA 器件。因此， FPGA 的使用非常靈活。因此，工作時需要對片內的 RAM 進行編程。所以， FPGA/CPLD 的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費。與門陣列等其他 ASIC（ Application Specific IC）相比，它們又具有設計開 發(fā)周期短、設計制造成本低、 開發(fā)工具 先進、標準產(chǎn)品不需測試、質量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應用于產(chǎn)品的原型設計和產(chǎn)品生產(chǎn)（一般在 10 000 件以下）之中。 MATLAB 的 Simulink 提供了動態(tài)仿真的功能，用戶能夠通過繪制框圖來模擬一個線性、非線性、連續(xù)或離散的系統(tǒng)，通過 Simulink 仿真并分析該系統(tǒng) [4]。這些大大減輕了編程和調試的工作量，提高了編程效率。 MATLAB 語言比較好學，因為它語法規(guī)則簡單，更適應于專業(yè)科技人員的思維方式和書寫習慣；與其他計算機語 言相比，它用解釋方式工作，無需像 C 和 Fortran語言那樣，對源程序進行編譯、連接再形成可執(zhí)行文件，鍵入程序立即得出結果，因此更加簡潔和智能化，人機交互性能好；它可適應多種平臺，雖計算機軟、硬件的更新而及時升級，使得編程和調試效率大大提高 [4]。 但是 OFDM 卻存在下面一些缺點： （ 1） OFDM 對頻偏和相位噪聲比較敏感，容易帶來衰耗； （ 2） OFDM 的峰值平均功率比較大，會導致射