【文章內(nèi)容簡介】 碼 信源編碼 噪聲源 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 沖載波，使已調(diào)信號能通過帶限信道傳輸。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。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)。通常，我們把數(shù)字調(diào)制與解調(diào)合起來稱為數(shù)字調(diào)制。 目前我們廣泛應(yīng)用的第二代移動通信系統(tǒng)是數(shù)字移動通信系統(tǒng)，其中關(guān)鍵技術(shù)之一是數(shù)字調(diào)制技術(shù)。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；以及適宜在衰落信道中傳輸。 數(shù)字調(diào)制的基本類型分為振幅鍵控（ ASK）、頻移鍵控（ ASK）和相移鍵控（ PSK）。此外，還有許多由基本調(diào)制類型改進或綜合而獲得的新型調(diào)制技術(shù)。 在實際應(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。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。顯 然，這種要求在制造移動通信設(shè)備中會增大難度和成本，但是這類調(diào)制方式可獲得較高的頻譜利用率。 (2)恒定包絡(luò)（連續(xù)相位）調(diào)制技術(shù)，主要包括 MSK、 GMSK、 GFSK 和 TFM 等。這類調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點是已調(diào)信號具有相對窄的功率譜和對放大設(shè)備沒有線性要求，不足之處是其頻譜利用率通常低于線性調(diào)制技術(shù)。 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。在 20 世紀(jì) 80 年代初期，當(dāng)人們選用數(shù)字調(diào)制技術(shù)時，大多把注意力集中于恒定包絡(luò)數(shù)字調(diào)制（例如，泛歐的 GSM 蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用 GMSK） ,但在 80 年代中期以后，人們卻著重采用 QPSK 之類的線性數(shù)字調(diào)制（例如，美國的 IS54 和日本的 PDC 蜂窩網(wǎng)絡(luò)均采用 DQPSK?4/? ，美國的 IS95 蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用 QPSK 和 OQPSK）。 另一種獲得發(fā)展的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是振幅和相位聯(lián)合調(diào)制（ QAM）技術(shù)。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。以往，人們認為多電平 QAM 信號的特征不適合在移動環(huán)境中進行傳輸。近幾年，隨著研究工作的深入，人們提出了不少 改進方案。例如，根據(jù)移動信道特性的好壞可自適應(yīng)的改變 QAM 的電平數(shù)，即改變信道傳輸速率，從而構(gòu)成變速率 QAM(VRQAM)。為減少碼間干擾和時延擴展的影響，把將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流劃分成若干個子數(shù)據(jù)流（每個子數(shù)據(jù)流具有低得多的傳輸速率），并且用這些子數(shù)據(jù)流去調(diào)制若干個載波，從而形成多載波 QAM(MCQAM)或 OFDM 等?？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)。 此外，在第三代移動通信系統(tǒng)中，碼分多址（ CDMA）是最主要的多址方式。其主要的研究課題有：為克服碼間干擾而 將正交頻分復(fù)用（ OFDM）技術(shù)用于 CDMA調(diào)制（ OFDMCDMA）；為提高 CDMA 系統(tǒng)的傳輸速率和自適應(yīng)性能，根據(jù)業(yè)務(wù)需濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 求提供不同傳輸速率，從而提出的多碼碼分多址 （ MCCDMA）和可變擴頻增益的碼分多址（ VSGCDMA）等 [3]。 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通信等高要求的現(xiàn)代通信系統(tǒng)。 相比較而言， 抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高的多進制數(shù)字調(diào)制技術(shù) 得到了廣泛的應(yīng)用。 ASK (Amplitude Shift Keying) 指的是振幅鍵控方式 ,它 根據(jù)信號的不同，調(diào)節(jié)正弦波的幅度 ，其 載波幅度是隨著調(diào)制信號而變化的 ,但它只是一種低效的傳輸方式。相比較而言， 多電平 MASK 調(diào)制方式是一種比較高效的傳輸方式，但由于它的抗噪聲能力較差，尤其是抗衰落的能力不強，因而一般只適宜在恒參信道下采用。 正交幅度調(diào)制（ QAM）是一種矢量調(diào)制 ， 與幅度調(diào)制（ AM）相比，其頻譜利用率提高 1 倍。 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最高已達到 1024QAM（ 1 024 個樣點）。樣點數(shù)目越多，其傳輸效率越高， QAM 調(diào)制方式發(fā)展迅速 ，有 16QAM、 32QAM、 64QAM、 128QAM、 256QAM 之分，數(shù)字越大，頻帶利用率越高，但同時抗干擾能力也隨之降低 。 QAM 傳輸速率 很 高，通道也 可 以 優(yōu)化。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、抗噪聲強等特點。 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 。 FSK 是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式 ,它的主要優(yōu)點是 :實現(xiàn)起來較容易 ,抗噪聲與抗衰減的性能較好 。所以 在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用 ， 最常見的是用兩個頻率承載二進制 1 和 0 的雙頻 FSK 系統(tǒng) .。 在數(shù)字化時代，電腦通信在數(shù)據(jù)線路（電話線、網(wǎng)絡(luò)電纜、光纖或者無線媒介）上進行傳輸，就是用 FSK 調(diào)制信號進行的，即把二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 FSK 信號傳輸，反過來又將接收到的 FSK 信號解調(diào)成二進制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為用高低電平所表示的二進制語言，這是計算機能夠直接識別的 語言。對二進制的頻移鍵控調(diào)制方式，其有效帶寬為 B=2Fa+2Fb,Fa 是二進制基帶信號的 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，所以二進制頻移鍵控的信號帶寬 B 較大，頻帶利用率小。 多進制數(shù)字頻率調(diào)制（ MFSK）簡稱多頻制，是 2FSK 方式的推廣 ,用不同的載波頻率代表數(shù)字信息。多頻制誤碼率隨 M 增大而增加，但與多電平調(diào)制相比 ,濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 增加的速度要小的多。多頻制的主要缺點是信號頻帶寬，頻帶利用率低。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 。 相移鍵控 (PSK)技術(shù) 是 通過改變載波信號的相位來表示二進制數(shù) 0、 1， 在 相位改變的同時，最大振幅和頻率則保持不變 。 當(dāng)不同相位的載波數(shù)為 16…… 時 ,分別稱為 8PSK（八進制 PSK）、 16PSK（十六進制 PSK） …… 。 理論上，不同相位差的載波越多，可以表征的數(shù)字輸入信息越多，頻帶的壓縮能力越強， 更 可以減小由于信道特性引起的碼間串?dāng)_的影響，從而提高數(shù)字通信的有效性。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）。 頻分多路復(fù)用 （ Frequencydivision multiplexing， FDM），是一種將多路基帶信號調(diào)制到不同頻率載波上再進行疊加形成一個復(fù)合信號的 多路復(fù)用技術(shù) 。 在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬的情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同（或略寬）的子信道，每個子信道傳輸一種信號 。 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(fù)用 ,TimeDivision Multiplexing)代替了 FDM 技術(shù)。 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)。 其主要思想是將信道分成若干正交子信道 ,將高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流 ,讓它們調(diào)制在每個子信道上進行傳輸。正交信號在接收端采用相關(guān)技術(shù)被分開 ,以減少子信道間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬 ,因此每個子信道可以看成是平坦性衰落 ,這大大消除了符號間干擾。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 。 OFDM 系統(tǒng)比 FDM 系統(tǒng)要求的帶寬要小得多。由于 OFDM 使用無干擾正交載波技術(shù)，單個載波間無需保護頻帶，這樣使得可用頻譜的使用效率更高。另外， OFDM技術(shù)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(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。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。 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(dǎo)致射頻放大器的功率效率比較低。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 3 中低頻數(shù)字調(diào)制方法仿真所需技術(shù)和軟件簡介 本文將使用 MATLAB 和 FPGA，利用 Verilog HDL 語言在 Quartus 軟件開發(fā)平臺對中低頻數(shù)字調(diào)制方法進行研究。 MATLAB 介紹 MATLAB 簡介 MATLAB（ Matrix Laboratory）是 MathWorks 公司開發(fā)的，目前國際上最流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)和工程計算軟件，他廣泛應(yīng)用于自動控制、數(shù)學(xué)運算、信號分析、圖像信號處理、財務(wù)分析、航天工業(yè)、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程、語音處理和雷達工程等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進行許多科學(xué)研究的重要工具。由于它具有強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)。 MATLAB 的產(chǎn)生是與數(shù)學(xué)計算分不開的，以前的數(shù)值計算軟件包大多用 Fortran 或 C 語言編寫，一個軟件包 只能解決一個局部問題，很難推廣應(yīng)用。到 20 世紀(jì) 70年代中期， Cleve Moler(數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)教授 )為了解決線性方程和特征值問題，和他的同事開發(fā)了 LINPACK 和 EISPACK 的 Fortran 子程序庫，后來又編寫了接口程序，取名為 MATLAB。 MATLAB 開始應(yīng)用于數(shù)學(xué)界。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 語言比較好學(xué)，因為它語法規(guī)則簡單，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(jié)果，因此更加簡潔和智能化，人機交互性能好；它可適應(yīng)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(diào)試效率大大提高 [4]。 MATLAB 的基本特點 MATLAB 集科學(xué)與工程計算、圖形可視化、圖像處理、多媒體處理于一體，并提供了 Windows 圖形界面設(shè)計方法。 (1)功能強大。 MATLAB 具有功能豐富的工具箱和強大的運算、文字處理功能。 (2)人機界 面友好，編程效率高。 MATLAB 的語言規(guī)則與筆算式相似，其矩陣的行列數(shù)無需定義。由于 MATLAB 的命令表達方式與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)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 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。這些大大減輕了編程和調(diào)試的工作量，提高了編程效率。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 (3)強大而智能化的作圖功能。 MATLAB 可以方便的將工程計算的結(jié)果可視化，使原始數(shù)據(jù)的關(guān)系更加清晰明了，并揭示了數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系。 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。 (4)可擴展性強。 MATLAB 軟件包括基本部分和工具箱兩大部分，具有良好的可擴展性。 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。 (5)Simulink 動態(tài)仿真功能。 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]。 FPGA 介紹 在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中， FPGA 的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。尤其是在對基帶信號的處理和整個系統(tǒng)的控制中， F P G A 不但能大大縮減電路的體積，提高電路的穩(wěn)定性，而且先進的開發(fā)工具使整個系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試周期大大縮短。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)制方法進行仿真和實現(xiàn) 研究。 FPGA 簡介 FP