【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ? ?c o s c o s ( 3 1 )D S B c cu t U w t U w t? ? ? ? ? ? ? 雙邊帶信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波器，可以得到單邊帶信號(hào)。當(dāng)取上邊帶時(shí)，單邊帶信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為 ? ? ? ?c o s ( 3 2 )S S B cu t U w t? ? ? ? 取下邊帶時(shí)，時(shí)域表達(dá)式為 ? ? ? ?c o s ( 3 3 )S S B cu t U w t? ? ? ? 上下邊帶的選取決定于濾波器的選取。濾波器為低通濾波器時(shí)保留下邊帶，濾波器為高通濾波器時(shí)保留上邊帶。理想濾波特性是不可能做到的，實(shí)際濾波器從通帶到阻帶總有一個(gè)過(guò)渡帶。實(shí)現(xiàn)濾波器的難易與過(guò)渡帶相對(duì)于載波的歸一化值有關(guān)，過(guò)渡帶的歸一化值愈小，分割上、下邊帶的濾波器就愈難于實(shí)現(xiàn) [4]。 隨著載波頻率的提高，采用一級(jí)調(diào)制直接濾波的辦法已不可能實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制，這時(shí)可以采用多級(jí)調(diào)制的辦法。在實(shí)際應(yīng)用中，濾波 器的參數(shù)設(shè)置應(yīng)當(dāng)符合實(shí)際需求，并根據(jù)基帶傳輸信號(hào)和載波信號(hào)的頻率進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到最高性能。 濾波法產(chǎn)生 SSB 信號(hào)進(jìn)行 Matlab 設(shè)計(jì)仿真 濾波法產(chǎn)生 SSB 信號(hào)進(jìn)行 Matlab 編程設(shè)計(jì)仿真如圖 33，其中調(diào)制信號(hào)頻率 fm=5KHZ；載波頻率 fc=100KHZ；調(diào)制信號(hào)幅度 A1=5；載波幅度 A2=10； 7 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1505調(diào)制信號(hào)0 2020 4000 6000 80000100200300調(diào)制信號(hào)頻譜f ( H z )Pr(f) (w)0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 4 0 2 002040SSB 信號(hào)0 2020 4000 6000 800005001000SSB 信號(hào)頻譜f ( H z )Pr(f) (w) 圖 33 濾波法 SSB 調(diào)制 Matlab 編程設(shè)計(jì)仿真 由圖 33 可以看出，已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)不呈比例，濾波法中的濾波器特性并不十分接近理想特 性，因?yàn)榛祛l后低頻分量與高頻分量之間的過(guò)渡帶不夠窄，在cw 處未達(dá)到銳截止特性。 濾波法設(shè)計(jì) Simulink 建模仿真 Matlab 的 Simulink 環(huán)境具有強(qiáng)大的圖形化仿真驗(yàn)證功能。 可以用來(lái)對(duì)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對(duì)任何能夠用數(shù)學(xué)來(lái)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，其中包括連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動(dòng)，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等等。 Simulink可以利用鼠標(biāo)拖放來(lái)建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且 Simulink還提供了 豐富的功能塊以及不同的專(zhuān)業(yè)模塊集合，利用 Simulink 幾乎可以做到不書(shū)寫(xiě)一行代碼就能夠完成整個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模工作 [5]，所以顯得非常的便捷，越來(lái)越受到大家的廣泛使用。本文通過(guò)調(diào)用 simulink 中的功能模塊構(gòu)成數(shù)字濾波器的仿真框圖，在仿真過(guò)程中，可以雙擊各功能模塊，隨時(shí)改變參數(shù)，獲得不同狀態(tài)下的仿真結(jié)果。 DSPbuilder 是 Altera 推出的一個(gè) DSP 開(kāi)發(fā)工具，它在 QuartusⅡ FPGA 設(shè)計(jì)環(huán)境中集成了 Mathworks 的 Matlab 和 simulinkDSP 開(kāi)發(fā)軟件 [2]。在以前， Matlab 工具往 往作為 DSP 算法的建模和基于純數(shù)學(xué)的仿真來(lái)使用，其數(shù)學(xué)模型無(wú)法為硬件 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)直接產(chǎn)生實(shí)用程序代碼，仿真測(cè)試的結(jié)果也僅僅是基于數(shù)學(xué)算法結(jié)構(gòu)。而以往 8 FPGA 所需的傳統(tǒng)的基于硬件描述語(yǔ)言 （ HDL） 的設(shè)計(jì)由于要考慮 FPGA 的硬件的 δ延時(shí)與 VHDL 的遞歸算法的銜接，以及補(bǔ)碼運(yùn)算和乘積結(jié)果截取等問(wèn)題，相當(dāng)繁雜。對(duì) DSP Builder 而言， MatLab/Simulink 整個(gè)開(kāi)發(fā)流層幾乎可以在同一環(huán)境中完成，頂層的開(kāi)發(fā)工具真正實(shí)現(xiàn)了自定向下的設(shè)計(jì)流程，包括 DSP 系統(tǒng)的建模、系統(tǒng)級(jí)的仿 真 、 設(shè) 計(jì) 模型 向 VHDL 硬件描述語(yǔ) 言 代 碼 的 轉(zhuǎn) 換、 RTL （邏輯綜合RegisterTransferLevel） 級(jí)功能仿真測(cè)試、編譯適配和布局布線(xiàn)、時(shí)序?qū)崟r(shí)仿真直至對(duì)DSP 目標(biāo)器件的編程配置，整個(gè)設(shè)計(jì)流程一氣呵成地將系統(tǒng)描述和硬件實(shí)現(xiàn)有機(jī)地融合在一起，充分顯示了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。 用 DSP Builder 模塊設(shè)計(jì)好一個(gè)新的模型后，可以直接在 Simulink 中進(jìn)行算法級(jí)、系統(tǒng)級(jí)仿真驗(yàn)證。對(duì)一個(gè)模型進(jìn)行仿真，需要施加合適的激勵(lì)、一定得仿真步進(jìn)和仿真周期，添加合適的觀察點(diǎn)和觀察方式。這里需要的是 Scope 和 Spectum Scope 模塊來(lái)觀察波形和頻譜圖。連接好圖形，選擇 Simulink→start 命令，開(kāi)始仿真，但仿真結(jié)束，雙擊 scope 模塊，打開(kāi) scope 觀察窗口。使用 Matlab 的 Simulink 工具對(duì)理論上的單邊帶調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行了建模。根據(jù)單邊帶調(diào)制的原理框圖，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行離散化采樣，然后構(gòu)造解析信號(hào)，分別與正交載波相乘，經(jīng)過(guò)巴特沃斯濾波器，最后將得到的單邊帶調(diào)制信號(hào)輸出，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析。 濾波法產(chǎn)生單邊帶調(diào)制信號(hào)的 Simulink 建模如圖 34： 圖 34 濾波法設(shè)計(jì) Simulink建模圖 其中巴特沃斯帶通濾波器 1 與高通濾波器 2 設(shè)置如圖 35 及圖 36： 9 圖 35 巴特沃斯濾波器 1參數(shù)設(shè)置 圖 36 巴特沃斯濾波器 2 參數(shù)設(shè)置 10 圖 37 SSB 信號(hào)頻譜 圖 38 調(diào)制波形（上） SSB信號(hào)（下） 11 由圖 34 可以看出，本設(shè)計(jì)采用的兩級(jí)調(diào)制濾波產(chǎn)生 SSB 信號(hào)，先在低載頻上經(jīng)過(guò)帶通濾波器產(chǎn)生單邊帶信號(hào)，然后通過(guò)變頻將頻譜搬移到更高的載頻，通過(guò)高通濾波器得到所需要的單邊帶信號(hào)。 相移法產(chǎn)生單邊帶信號(hào) 因?yàn)槔硐氲臄?shù)字濾波器占用系統(tǒng)資源巨大，不 僅增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，且難于實(shí)現(xiàn)。所以本文選用占用資源較少的希爾伯特（ Hilbert）正交變換 [6]的方法實(shí)現(xiàn) SSB調(diào)制系統(tǒng)。 移相法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制不需要濾波器來(lái)抑制載波和邊帶頻率，節(jié)省頻率的帶寬，加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制的利用率，其原理框圖如圖 39 所示。 ???c o scwt( ) s i n ( )ct w tx??( ) 2cut ( ) s i n cx t w t90 ?? 90 ?? ()SSBSt( ) 2cut? s incwt?相 移??相 移 圖 39 相移法產(chǎn)生 SSB 信號(hào)的原理框圖 ??cut經(jīng)過(guò)相移網(wǎng)絡(luò)后，將所有的頻率成份移相 ,實(shí)際上是一個(gè)希爾伯特(Hilbert)變換 (也 可以用一個(gè)寬帶相移網(wǎng)絡(luò)來(lái)代替 )。希爾伯特變換 [7]是信號(hào)分析與處理中的重要理論工具，在通信系統(tǒng)中一般用來(lái)構(gòu)造解析信號(hào)。希爾伯特變換可以提供90176。的相位變化而不影響頻譜分量的幅度，即對(duì)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換就相當(dāng)于對(duì)該信號(hào)進(jìn)行正交移相，使它成為自身的正交對(duì)。信號(hào)經(jīng)希爾伯特變換后，信號(hào)頻譜不發(fā)生變化，相位連續(xù)，且相互正交。 從理論上講，這種實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制的方法回避了制作濾波特性陡峭的邊帶濾波器之困難，然而，在模擬系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)上述全通相移網(wǎng)絡(luò)也十分困難。兩種方法對(duì)濾對(duì)器的苛刻要求都只能在一定條件下近似滿(mǎn)足，不可能?chē)?yán) 格實(shí)現(xiàn)。但是在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中，要實(shí)現(xiàn)寬帶相移的希爾伯特濾波器卻是比較簡(jiǎn)單的事情。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中 , 希爾伯特變換器一般是由一個(gè)一個(gè)時(shí)延模塊和 FIR濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的 , 但是也可由一組濾波器對(duì)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn) , 而對(duì)原型低通濾波器作正弦 /余弦變換是實(shí)現(xiàn) FIR 型希爾伯特變換器的一個(gè)簡(jiǎn)單方法。但是 , 無(wú)論哪種方法都需要通過(guò)計(jì)算對(duì)低通濾波器的系數(shù)進(jìn)2?? 12 行轉(zhuǎn)換 , 其計(jì)算繁瑣且存在一定的誤差。對(duì)于 Matlab 來(lái)說(shuō)，作為濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)軟件 , 不僅能夠快速有效地進(jìn)行希爾伯特變換器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分析仿真和最優(yōu)化 , 并且還可以直接計(jì)算出 希爾伯特變換器的系數(shù) , 加之 Matlab 還具有強(qiáng)大的接口功能 , 為后面的設(shè)計(jì)也提供了很大方便。 信號(hào) ()xt 的希爾伯特變換可以看成是信號(hào) ()xt 通過(guò)一個(gè)幅度為 1 的全通濾波器輸出，信號(hào)通過(guò)希爾伯特變換器后，其負(fù)頻率成分作 +90? 的相移，而正頻率成分作 90?的相移。這類(lèi)濾波器要求濾波器的零頻響應(yīng)為 0, 如果濾波器的階數(shù)為偶 數(shù) , 那么增益在頻率為 0 Hz 和 處必須降為零 , 希爾伯特濾波器必須是一個(gè)帶通濾波器。如果濾波器的階數(shù)為奇數(shù) , 那么增益在頻率為 0HZ處必須降為零 , 希爾伯特濾波器必須是一個(gè)高通濾波器。 兩路相乘結(jié)果相減時(shí)得到上邊帶信號(hào)，相加時(shí)則得到下邊帶信號(hào)。當(dāng)調(diào)制信 號(hào)為確知的周期性信號(hào)時(shí)，由于它可以分解成許多頻率分量之和，因而只要相移 I 是一個(gè)寬帶的相移網(wǎng)絡(luò)，對(duì)每個(gè)頻率分量都能相移 2?? 。 相移法產(chǎn)生 SSB 信號(hào)進(jìn)行 Matlab 設(shè)計(jì)仿真 Matlab 信號(hào)處理工具箱里提供了 firls 函數(shù)和 remez函數(shù) ,它們的調(diào)用格式語(yǔ)法規(guī)則基本一樣 ,只是優(yōu)化的算法有些許的不同 ,函數(shù) firls 利用的是最小二乘法，令期望的頻率響應(yīng)和實(shí)際的頻率響應(yīng)間的誤差變得最??；函數(shù) remez 實(shí)現(xiàn)的是 ParkMcClel lan 算法 ,這種算法利用 remez 交換算法和 Chebyshev 近似理論來(lái)設(shè)計(jì)濾波器 ,使實(shí)際頻率響應(yīng)擬合期望頻率響應(yīng)并且達(dá)到最優(yōu)效果 [8]。 函數(shù)的調(diào)用格式為： b = remez( n, f , m,chc) 或 b =firls( n, f , m,chc) ,其 中 , n 為濾波器的階數(shù)； f 為濾波器期望頻率特性的頻率向量標(biāo)準(zhǔn)化頻率 ,取值為 0 ~ 1,是遞增向量 ,允許定義重復(fù)頻點(diǎn)； m 為濾波器期望頻率特性的幅值向量 ,向量 m 和 f 必須同長(zhǎng)度并且為偶數(shù)； b 為函數(shù)返回的濾波器系數(shù) ,長(zhǎng)度為 n + 1,本文將采用 remez 函數(shù)法 [7]進(jìn)行編程。 相移法 SSB 調(diào)制系統(tǒng) Matlab 進(jìn)行編程設(shè)計(jì)仿真如圖 310： 2sF 13 0 0 . 5 1 1 . 5 2505調(diào)制信號(hào)波形 2 0 0 2000 . 10 . 20 . 30 . 4調(diào)制信號(hào)功率譜f ( K H z )Pr(f) (w)0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 0020SSB 調(diào)制信號(hào)波形 1 0 0 5 0 0 50 10000 . 511 . 522 . 5SSB 調(diào)制信號(hào)功率譜f ( K H z )Pr(f) (w) 圖 310 相移法 SSB 調(diào)制 Matlab 編程設(shè)計(jì)仿真 由圖 310 可以看出， SSB 調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)不呈比例，在頻譜圖中，SSB 調(diào)制信號(hào)截止特性非常好，達(dá)到了銳截止 特性。 相移法設(shè)計(jì) Simulink 建模仿真 相移法產(chǎn)生單邊帶調(diào)制信號(hào) Simulink 建模與仿真結(jié)果如圖 311 及圖 313： 圖 311 相移法設(shè)計(jì) Simulink 建模圖 其中濾波器設(shè)置與濾波法的濾波器 2 參數(shù)設(shè)置相同。 14 圖 312 SSB 信號(hào)頻譜 圖 313 調(diào)制波形（上） SSB信號(hào)（下） 由圖 313 可知，相移法產(chǎn)生單邊帶信號(hào)有兩個(gè)乘法器，第一個(gè)乘法器是產(chǎn)生一 15 般的雙邊帶信號(hào)，第二個(gè)乘法器的輸入信號(hào)和載波都相移 90? ，最后將上下邊帶合并得到單邊帶信號(hào)，再通過(guò)濾波器輸出所需的單邊帶信號(hào)。 本章小結(jié) 從理論上分析得知， SSB 信號(hào)的抗噪聲性能比 DSB 信號(hào)要好，但由于 SSB 信號(hào)的輸入功率僅為 DSB 信號(hào)的一半，加上系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)濾波器的帶寬設(shè)計(jì)有待提高，因此整體的調(diào)制效果較差一些。從濾波法和相移法來(lái)看，最終相移法的調(diào)制效果要好于濾波法。 16 4 基于 FPGA 的 SSB 調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) FPGA 簡(jiǎn)介 圖 41 FPGA 結(jié)構(gòu)圖 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程 門(mén)陣列 [9]， 是在 PAL、GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展 出來(lái)的產(chǎn)物。 作為專(zhuān)用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn) ，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn) ，所以現(xiàn)在得到越來(lái)越多工程師的親睞 。 FPGA 采用了邏輯單元陣列（ LOA， Logic Cell Arry）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊（ CLB， Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊（ IOB， Input Output Block）和內(nèi)部連線(xiàn)（ In