【正文】 ................ 25 QPSK 調(diào)制 /解調(diào)的實(shí)現(xiàn) ........................................................................................ 30 QPSK 調(diào)制 /解調(diào)的基本原理 ...................................................................... 31 QPSK 調(diào)制 /解調(diào)的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) ........................................................... 35 QPSK 調(diào)制 /解調(diào)的 FPGA 實(shí)現(xiàn) .................................................................. 36 OFDM 調(diào)制 /解調(diào)的實(shí)現(xiàn) ....................................................................................... 40 正交頻分復(fù)用（ OFDM）的基本原理 ...................................................... 40 OFDM 調(diào)制 /解調(diào)的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) .......................................................... 44 OFDM 調(diào)制 /解調(diào)的 FPGA 實(shí)現(xiàn) ................................................................ 45 結(jié) 論 ............................................................................................................................. 48 參 考 文 獻(xiàn) ....................................................................................................................... 49 致 謝 ............................................................................................................................. 50 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 前言 軟件無線電（ Software Radio）技術(shù)是 20 世紀(jì)末提出的一種設(shè)計(jì)思想，它突破了傳統(tǒng)電臺(tái)以硬件為核心的設(shè)計(jì)模式，將寬帶 A/D 轉(zhuǎn)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，在通用的硬件平臺(tái)上最大程度的通過軟件來實(shí)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(shí)間和成本，可以說未來采用軟件無線電技術(shù)的軟件無 線電臺(tái)在通信系統(tǒng)中的作用完全可以同通用 PC（個(gè)人電腦）在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域所起的作用相提并論。 軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)于移動(dòng)通信的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用，構(gòu)建一個(gè)通用的、標(biāo)準(zhǔn)的、模塊化的硬件平臺(tái)，把以前用硬件實(shí)現(xiàn)的無線電功能用軟件來實(shí)現(xiàn)，大大地提高了通信系統(tǒng)的靈活性。 基于上述優(yōu)點(diǎn)，用 FPGA 實(shí)現(xiàn)軟件無線電發(fā)射機(jī)，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設(shè)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(diào)制方法的目的和意義 近幾十年來，移動(dòng)通信進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期，它與人 們的日常生活息息相關(guān)，已經(jīng)成為了人們生活中的必需品，目前移動(dòng)通信正處在由第二代向第三代過渡的階段。 調(diào)制的目的是把基帶信號(hào)變換成適合信號(hào)傳輸?shù)男盘?hào)，解調(diào)是調(diào)制的逆過程；無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全數(shù)字化，其中調(diào)制、解調(diào)的數(shù)字化是最基本的功能之一。 由于中低頻數(shù)字調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法太多，而本人的研究時(shí)間有限，不可能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)各種方法逐一研究，故選擇 2ASK、 MQAM、 QPSK、 OFDM 方法 ,運(yùn)用 MATLAB和 FPGA， 利用 Verilog HDL 語言和 Quartus、 Synplify Pro 和 ModelSim 軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行研究， 實(shí)現(xiàn)對(duì) 低中頻數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)技術(shù)仿真 。 所以 ，用 FPGA 實(shí)現(xiàn)軟件無線電發(fā)射機(jī) 和接收機(jī) ，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設(shè)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(yīng)各種通信業(yè)務(wù)要求 (如電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等 )，便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，便于采用大規(guī) 模集成電路，便于實(shí)現(xiàn)加密處理，便于實(shí)現(xiàn) 通信 網(wǎng)的計(jì)算機(jī)管理等優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于大多數(shù)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)來說，數(shù)字基帶信號(hào)往往具有豐富的低頻成分，而實(shí)際的 通信信道又具有帶通特性，因此，必須用數(shù)字信號(hào)來調(diào)制某一高頻率的正弦或脈信 源 信道編碼 調(diào)制器 信道 受信者 解調(diào)器 信道解碼 信源解碼 信源編碼 噪聲源 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 沖載波，使已調(diào)信號(hào)能通過帶限信道傳輸。 在實(shí)際應(yīng)用中，有兩類用的最多的數(shù)字調(diào)制方式： (1)線性調(diào)制技術(shù)，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(yīng)用。 低中頻數(shù)字調(diào)制方法的研究現(xiàn)狀及存在的問題 廣泛使用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，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(dòng)通信等高要求的現(xiàn)代通信系統(tǒng)。與其 它 調(diào)制技術(shù)相比， QAM 調(diào)制技術(shù)具有充分利用帶寬、抗噪聲強(qiáng)等特點(diǎn)。多頻制的主要缺點(diǎn)是信號(hào)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(shí)分多路復(fù)用 ,TimeDivision Multiplexing)代替了 FDM 技術(shù)。另外， OFDM技術(shù)可動(dòng)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(diào)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(yīng)用于數(shù)學(xué)界。由于 MATLAB 的命令表達(dá)方式與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)表達(dá)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(jì) 80 年代中期， Altera和 Xilinx分別推出了類似于 PAL 結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展型 CPLD（ Complex Programmable Logic Dvice）和與標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似 FPGA，它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點(diǎn)。 (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(nèi)部可以容納上百萬個(gè)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(dá)到上百萬門，它所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來越強(qiáng)，同時(shí)也可以實(shí)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(dāng)需要修改 FPGA 功能時(shí)，只需換一片 EPROM 即可。此外，針對(duì)不同應(yīng)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(shí)鐘管理和電壓分配問題變得更加困難。 2ASK 調(diào)制解調(diào)方法 2ASK 調(diào)制 /解調(diào)的實(shí)現(xiàn) 2ASK 又稱為二進(jìn)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(guān)閉的，其調(diào)制方式出現(xiàn)的比模擬調(diào)制方式還早。其結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 接收濾波器 載波提取電路 低通濾波器 時(shí)鐘同步電路 判決 相干解調(diào) 采樣 定時(shí) 包絡(luò)檢波器 判決 r（ t） 采樣 輸出 y（ t） 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 在以上兩種解調(diào)方案中，相干解調(diào)器的性能相對(duì)要好。 %截短時(shí)間 Bs=N*df/2 %系統(tǒng)帶寬 t=linspace(T/2,T/2,N)。 %正弦載波信號(hào) s=m.*c。 yr=yrtmean(yrt)。t (ms)39。 axis([1,+1,*min(c),*max(c)]) xlabel(39。]) xlabel(39。 %實(shí)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(jié)構(gòu)示意圖。 reg[2:0] t。 else t=t+1。b1。因此傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方式已不能滿足應(yīng)用的需求，需要采用新的調(diào)制方式以減小信道對(duì)所傳信號(hào)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(diào)原理 MQAM 信號(hào)可以采用正交相干解調(diào)方法解調(diào)，多電平判決器對(duì)多電平基帶信號(hào)串 /并 轉(zhuǎn)換 預(yù)調(diào)制 LPF 預(yù)調(diào)制 LPF 2 到 L 電平變換 2 到 L 電平變換 cost?wt sinwt Am Bm 已調(diào)信號(hào)輸出 y（ t） 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 進(jìn)行判決和檢測(cè)，分別恢復(fù)出速率等于 Rb/2（ Rb 為信息速率）的二進(jìn)制序列，最后經(jīng)過并 /串轉(zhuǎn)換器將兩路二進(jìn)制序列合成一個(gè)速率為 Rb 的二進(jìn)制信息。 y=modulate((M),x)。 %解調(diào) [num,rt]=symerr(x,z) %計(jì)算誤比特率 運(yùn)行上述程序，就可以得到如圖 所示的星座圖指標(biāo)。甚至 BPSK信號(hào)來保證傳輸?shù)恼_性 [5]。measured39。同步模塊也是所有想干解調(diào)器的關(guān)鍵模塊。多進(jìn)制調(diào)制是提高頻譜利用率的有效方法，恒包絡(luò)技術(shù)能適應(yīng)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(jì)數(shù) if(!reset) begin t=339。 圖 two_ASK 模塊仿真結(jié)果局部示意圖 (2)使用 Verilog 實(shí)現(xiàn) 2ASK 解調(diào) module ASK_two(clk,reset,x,y)。b11) begin t=239。 //模塊控制信號(hào) 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(biāo) fm=1。 2ASK 調(diào)制 /解調(diào)的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) 用 MATLAB 實(shí)現(xiàn) 2ASK 調(diào)制，以及相干解調(diào)，并給出調(diào)制 /解調(diào)后的信號(hào)波形。當(dāng)發(fā)送信息比特為“ 0”時(shí)，輸入的信號(hào)為 0，則輸出信號(hào)為 )()( tnty c? 。此外， 2ASK 的分析方法是最基本的，是研究數(shù)字調(diào)制的理論基礎(chǔ) [5]。不久以前， Synplicity 與 Xilinx 宣布成立超大容量時(shí)序收斂聯(lián)合工作小組，旨在最大程度幫助地系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師以更快、更高效的方式應(yīng)用 65nm FPGA 器件。因此， FPGA 的使用非常靈活。因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的 RAM 進(jìn)行編程。所以， FPGA/CPLD 的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費(fèi)。與門陣列等其他 ASIC（ Application Specific IC）相比，它們又具有設(shè)計(jì)開 發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、 開發(fā)工具 先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品不需測(cè)試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)（一般在 10 000 件以下）之中。 MATLAB 的 Simulink 提供了動(dòng)態(tài)仿真的功能，用戶能夠通過繪制框圖來模擬一個(gè)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(diào)試的工作量，提高了編程效率。 MATLAB 語言比較好學(xué)，因?yàn)樗Z法規(guī)則簡(jiǎn)單，更適應(yīng)于專業(yè)科技人員的思維方式和書寫習(xí)慣；與其他計(jì)算機(jī)語 言相比，它用解釋方式工作，無需像 C 和 Fortran語言那樣，對(duì)源程序進(jìn)行編譯、連接再形成可執(zhí)行文件，鍵入程序立即得出結(jié)果，因此更加簡(jiǎn)潔和智能化，人機(jī)交互性能好；它可適應(yīng)多種平臺(tái)，雖計(jì)算機(jī)軟、硬件的更新而及時(shí)升級(jí)，使得編程和調(diào)試效率大大提高 [4]。 但是 OFDM 卻存在下面一些缺點(diǎn)： （ 1） OFDM 對(duì)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(huì)導(dǎo)致射