【文章內容簡介】 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。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)字調制。已調信號通過信道傳輸?shù)浇邮斩?，然后通過解調把頻帶數(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。通常，我們把數(shù)字調制與解調合起來稱為數(shù)字調制。 目前我們廣泛應用的第二代移動通信系統(tǒng)是數(shù)字移動通信系統(tǒng)，其中關鍵技術之一是數(shù)字調制技術。對數(shù)字調制技術的主要要求是：已調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；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，還有許多由基本調制類型改進或綜合而獲得的新型調制技術。 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。應該注意：此處所謂的“線性”，是指這類調制技術要求通信設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備中會增大難度和成本，但是這類調制方式可獲得較高的頻譜利用率。 (2)恒定包絡（連續(xù)相位）調制技術，主要包括 MSK、 GMSK、 GFSK 和 TFM 等。這類調制技術的優(yōu)點是已調信號具有相對窄的功率譜和對放大設備沒有線性要求，不足之處是其頻譜利用率通常低于線性調制技術。 提高頻譜利用率是提高通信容量的重要措施，是人們規(guī)劃和設計通信系統(tǒng)的焦點。在 20 世紀 80 年代初期，當人們選用數(shù)字調制技術時，大多把注意力集中于恒定包絡數(shù)字調制（例如，泛歐的 GSM 蜂窩網(wǎng)絡采用 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)字調制（例如，美國的 IS54 和日本的 PDC 蜂窩網(wǎng)絡均采用 DQPSK?4/? ，美國的 IS95 蜂窩網(wǎng)絡采用 QPSK 和 OQPSK）。 另一種獲得發(fā)展的數(shù)字調制技術是振幅和相位聯(lián)合調制（ QAM）技術。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。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的改變 QAM 的電平數(shù)，即改變信道傳輸速率，從而構成變速率 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)流去調制若干個載波，從而形成多載波 QAM(MCQAM)或 OFDM 等?？梢灶A期，在移動信道中使用多電平 QAM調制和多載波技術將成為主要的調制技術。 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 將正交頻分復用（ OFDM）技術用于 CDMA調制（ OFDMCDMA）；為提高 CDMA 系統(tǒng)的傳輸速率和自適應性能，根據(jù)業(yè)務需濟南大學畢業(yè)設計 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)。 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)字調制技術 得到了廣泛的應用。 ASK (Amplitude Shift Keying) 指的是振幅鍵控方式 ,它 根據(jù)信號的不同，調節(jié)正弦波的幅度 ，其 載波幅度是隨著調制信號而變化的 ,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。 正交幅度調制（ QAM）是一種矢量調制 ， 與幅度調制（ AM）相比，其頻譜利用率提高 1 倍。 QAM 是幅度、相位聯(lián)合調制的技術，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。 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)字調制技術 ， 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)絡電纜、光纖或者無線媒介）上進行傳輸，就是用 FSK 調制信號進行的，即把二進制數(shù)據(jù)轉換成 FSK 信號傳輸，反過來又將接收到的 FSK 信號解調成二進制數(shù)據(jù)，并將其轉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，但與多電平調制相比 ,濟南大學畢業(yè)設計 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 多用于調制速率較低及多徑延時比較嚴重的信道，如無線短波信道 。 相移鍵控 (PSK)技術 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擾的影響，從而提高數(shù)字通信的有效性。但在多相調制時，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）。 頻分多路復用 （ Frequencydivision multiplexing， FDM），是一種將多路基帶信號調制到不同頻率載波上再進行疊加形成一個復合信號的 多路復用技術 。 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(時分多路復用 ,TimeDivision Multiplexing)代替了 FDM 技術。 正交頻分復用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing 簡稱“ OFDM” )是一種多載波數(shù)字調制技術。 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)流轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)流 ,讓它們調制在每個子信道上進行傳輸。正交信號在接收端采用相關技術被分開 ,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，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。目前 OFDM 技術已被廣泛應用于廣播式的音頻和視頻領域以及民用通信系統(tǒng)中，主要的應用包括：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，會導致射頻放大器的功率效率比較低。 濟南大學畢業(yè)設計 9 3 中低頻數(shù)字調制方法仿真所需技術和軟件簡介 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、應用最廣泛的科學和工程計算軟件，他廣泛應用于自動控制、數(shù)學運算、信號分析、圖像信號處理、財務分析、航天工業(yè)、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學工程、語音處理和雷達工程等各行各業(yè)，也是國內外高校和研究部門進行許多科學研究的重要工具。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)學計算工具方面事實上的標準。 MATLAB 的產(chǎn)生是與數(shù)學計算分不開的，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，很難推廣應用。到 20 世紀 70年代中期， Cleve Moler(數(shù)學與計算機科學教授 )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 開始應用于數(shù)學界。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，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]。 MATLAB 的基本特點 MATLAB 集科學與工程計算、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 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果，若有錯誤也立即作出反應，便于編程者立即改正。這些大大減輕了編程和調試的工作量，提高了編程效率。 濟南大學畢業(yè)設計 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果可視化，使原始數(shù)據(jù)的關系更加清晰明了，并揭示了數(shù)據(jù)間的內在聯(lián)系。 MATLAB 能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定最佳坐標；規(guī)定多種坐標系（如極坐標系、對數(shù)坐標系等）；設置不同顏線型、視角等，并能繪制三維坐標中的區(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 的應用相當廣泛。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)的設計調試周期大大縮短。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)字調制方法進行仿真和實現(xiàn) 研究。 FPGA 簡介 FP