【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路上，通常只能達(dá)到 1200bps 的速率。在 FSK 方式下，用載波頻率附近的兩種不同頻率來(lái)表示二進(jìn)制的兩種狀態(tài)。在電話(huà)線(xiàn)路上，使用 FSK 可以實(shí)現(xiàn)全雙工操作，通?？蛇_(dá)到 1200bps 的速率。在 PSK方式下，用載波信號(hào)相位移動(dòng)來(lái)表示數(shù)據(jù)。 PSK 可以使用二相或多于二相的相移，利用這種技術(shù)，可以對(duì)傳輸速率起到加倍的作用。由 PSK 和 ASK 結(jié)合的相位幅度調(diào)制 PAM，是解決相移數(shù)已達(dá)到上限但還要提高傳輸速率的有效方法 [11]。 FSK 調(diào)制解調(diào)器的使用范圍較廣，目前已經(jīng)不完全局限在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信里。它已經(jīng)延伸到無(wú)線(xiàn)電通信，生物醫(yī)學(xué)，機(jī)械等領(lǐng)域。 FSK 調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)的模型簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方式也不僅僅建立在電器元件上，利用軟件搭建模型也 成為目前很常用的方法。 但是在 FSK方式中，相鄰碼元的頻率不變或者跳變一個(gè)固定值，在兩個(gè)相鄰的頻率跳變的碼元之間，其相位通常是不連續(xù)的。如果對(duì) FSK信號(hào)做某種改進(jìn)，使其相位始終保持連續(xù)，于是就產(chǎn)生了 MSK信號(hào)。 MSK調(diào)制后的波形在時(shí)域內(nèi)具有恒定包絡(luò)結(jié)構(gòu) ,在頻域內(nèi)頻譜具有很小的旁瓣 ,主瓣寬重慶文理學(xué)院本科生畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 3 頁(yè)，共 25 頁(yè) 度窄 ,帶外輻射小的優(yōu)點(diǎn)，并且在主瓣帶寬之外功率譜旁瓣的下降也更加迅速 [12][13]，從而克服了一般FSK、 PSK、 QAM等調(diào)制方式具有相位突變而影響已調(diào)信號(hào)高頻分量衰減的缺點(diǎn)。正是因?yàn)?MSK具有諸多的性能優(yōu)勢(shì)，所以它比較適合在窄帶信道中傳輸，廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸中。 目前通信常用的 GPRS 是 基于一種 GMSK(高斯濾波最小頻移鍵控 )調(diào)制技術(shù) 。應(yīng)高速無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求， GPRS（ General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)）是構(gòu)架在傳統(tǒng) GSM 網(wǎng)絡(luò)之上的一種標(biāo)準(zhǔn)化的分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它可以提供高達(dá) 115kbit/s 速率的 分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，從而使得包括圖片、話(huà)音和視頻的多媒體業(yè)務(wù)在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸成為現(xiàn)實(shí)。 GPRS 采用分組交換技術(shù)、在通信的過(guò)程中不需要建立和保持電路，符合數(shù)據(jù)通信突發(fā)性的特點(diǎn)，并且呼叫建立時(shí)間很短。 GPRS不再根據(jù)用戶(hù)實(shí)際的數(shù)據(jù)流量來(lái)計(jì)費(fèi)，這樣就允許用戶(hù)始終在線(xiàn)，享受方便快捷的服務(wù)。因此， GPRS被認(rèn)為是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)向第三代移動(dòng)通信演進(jìn)的重要一 步 [14]。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容與意義 本課題的研究?jī)?nèi) 容 本課題 將完成以下的研究?jī)?nèi)容：在系統(tǒng)地研究了 MATLAB/Simulink 中 DSP Builder 模塊庫(kù)在FPGA 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用后，設(shè)計(jì)了一個(gè) MSK 調(diào)制器，最后將此系統(tǒng)成功地應(yīng)用于 MSK 調(diào)制當(dāng)中，即給系統(tǒng)加上不同的晶振時(shí)鐘 后， 系統(tǒng)分頻后就會(huì)產(chǎn)生不同頻率的 M序列（數(shù)字基帶信號(hào)）， 通過(guò) MSK調(diào)制器的調(diào)制之后 就可以在示波器上觀(guān)察到有 MSK 調(diào)制波形輸出。 ①根據(jù)系統(tǒng)的需要完成 FPGA 核心電路、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤(pán)控制電路及 PCB 板電路的制作。FPGA 核心電路 芯片 采用 EP1C6Q2408 芯片； D/A 轉(zhuǎn)換模塊 芯片 采用 THS5651A 芯片；顯示波形部分就直接利用示波器作為顯示設(shè)備。 ②分析 MSK 調(diào)制的原理， 系統(tǒng)地研究 基于 DDS 的 MSK 調(diào)制器的建模方法，并在 DSP Builder下 設(shè)計(jì) MSK 調(diào)制 器系統(tǒng)的 模型 。 ③深入研究 MSK 調(diào)制器 的可編程門(mén)陣列 (FPGA)的設(shè)計(jì) 。 ④對(duì) MSK 調(diào)制 器進(jìn)行邏輯鎖定和邏輯優(yōu)化。 ⑤利用 VHDL 語(yǔ)言編寫(xiě) MSK 調(diào)制 器系統(tǒng)的 其它 電路程序，如 數(shù)字基帶信號(hào)產(chǎn)生程序等。 ⑥在康芯電子開(kāi)發(fā)的 GW48 系統(tǒng)上進(jìn)行系統(tǒng)整體調(diào)試、優(yōu)化，或就某一部分進(jìn)行深入研究。本系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的硬件描述語(yǔ)言 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì) 數(shù)字 信號(hào)的 MSK 調(diào)制 及顯示。 ⑦采用自行設(shè)計(jì) 的硬件 電路進(jìn)行調(diào)試，并采用 示波器 驗(yàn)證。 研究本課題的意義 在數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)、視頻和圖像處理領(lǐng)域， FPGA 已經(jīng)成為高性能數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。但是， FPGA 在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用受限于幾個(gè)因素 ： 1） DSP 開(kāi)發(fā)人員雖然會(huì)運(yùn)用Ｃ語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編程，會(huì)使用 Matlab 驗(yàn)證算法 ， 但是通常不會(huì)使用硬件描述語(yǔ)言（如 VHDL）實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)計(jì)。 2） 雖然 VHDL 語(yǔ)言也提供了許多高層次的語(yǔ)言抽象，但是基于并行硬件系統(tǒng)的 VHDL 程序設(shè)計(jì)與基于微處理器的串行程序設(shè)計(jì)有很大的不同。 本課題主要講述的 MATLAB/Simulink 中 DSP Builder 模塊庫(kù)在 FPGA 設(shè)計(jì)中的作用及優(yōu)點(diǎn)，恰恰就解決了這些問(wèn)題。 DSP Builder 作為 Simulink 中的一個(gè)工具箱，使得用 FPGA 設(shè)計(jì) DSP 系統(tǒng)完全可以通過(guò) Simulink 的圖形化界面進(jìn)行，只要簡(jiǎn)單地進(jìn)行 DSP Builder 工具箱的模塊調(diào)用即可。從而使得一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得相當(dāng) 容易而且直觀(guān)。 它的實(shí)現(xiàn)將理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合起來(lái)，因而成本低，可修改性強(qiáng)，實(shí)用范圍廣。 另外 ，從調(diào)制方式上來(lái)講，選擇 MSK 調(diào)制作為本課題的研究對(duì)象也具有深遠(yuǎn)的意義。 基帶數(shù)字信號(hào)如果要遠(yuǎn)距離傳輸，特別是在有限帶寬的高頻信道如無(wú)線(xiàn)或光纖信道傳輸時(shí)，必須對(duì)數(shù)字信號(hào)黃禮紅： MSK 調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 4 頁(yè)，共 25 頁(yè) 進(jìn)行載波調(diào)制。 現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展方向是最小頻帶占有率的恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)，其關(guān)鍵在于相位變化的連續(xù)性，從而減少頻帶占用帶寬。 MSK 是一種性能優(yōu)越的調(diào)制方式，這種調(diào)制方式包絡(luò)恒定，具有最小功率譜占用率和相位連續(xù)的特點(diǎn)，具有良好的頻譜特性，能在給定 的頻帶內(nèi)傳送很高的比特速率 ，這恰恰滿(mǎn)足了現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求。 2 研究所涉及的理論知識(shí)介紹 直接頻率合成技術(shù)（ DDS） DDS 概述 1971 年，美國(guó)學(xué)者 和 提出了一種以全數(shù)字技術(shù) ， 從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的頻率合成原理 ， 這就是直接數(shù)字頻率合成技術(shù) DDS(direct digital synthesis)。 DDS 是產(chǎn)生高精度、快速變換頻率、輸出波形失真小的優(yōu)先選用技術(shù)。 DDS 以穩(wěn)定度高的參考時(shí)鐘為參考源，通過(guò)精密的相位累加器和數(shù)字信號(hào)處理，通過(guò)高 速 D/A 變換器產(chǎn)生所需的數(shù)字波形（通常是正弦波形），這個(gè) 數(shù)字波經(jīng)過(guò)一個(gè)模擬濾波器后，得到最終的模擬信號(hào)波形 。 DDS 系統(tǒng)一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外， DDS 的固有特性還包括：相當(dāng)好的頻率和相位分辨率（頻率的可控范圍達(dá) μHz級(jí)，相位控制小于 176。） ， 能夠進(jìn)行快速的信號(hào)變換（輸出 DAC 的轉(zhuǎn)換速率 300百萬(wàn)次 /秒） [15]。這些特性使 DDS 在軍事雷達(dá)和通信系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛。 DDS 實(shí)現(xiàn)原理 DDS 基于查找表方法，將一個(gè)正弦波周期 的 N 個(gè)均勻采樣點(diǎn)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中 ， 以均勻速率將這些采樣點(diǎn)輸送到 DAC， 即可得到一個(gè)頻譜純凈的單頻正弦波 ， 如果每隔 K 個(gè)采樣點(diǎn)輸出一個(gè)數(shù)據(jù) ，則會(huì)得到 K 倍頻的正弦波。但是 ， 系統(tǒng)會(huì)存在一個(gè)上限頻率 ， 這取決于 N 的選擇和系統(tǒng)的采樣頻率。設(shè)一單頻正弦波為： 0( ) sin( 2 )s t f t?? （ 1） 對(duì)其以采樣頻率 sf 進(jìn)行采樣，得到： ? ? ? ?0si n 2 ss n f n??? （ 2） 同時(shí)定義正弦信號(hào)的相位增量為： 0022s sffT f???? ? ? （ 3） 相位增量描述了相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的相位變化， DDS技術(shù)通過(guò)控制這個(gè)增量的大小來(lái)改變輸出頻率。通常將一個(gè)周期的正弦波均勻分為 N份，取 N為 2的 M次整數(shù)冪，則每一份相位的大小是： 2 N??? （ 4） 這就是最小的相位增量，按此增量均勻輸出每個(gè)采樣點(diǎn)，就可以得到最低的合成頻率。如果每隔 K 個(gè)點(diǎn)輸出一個(gè)采樣值，則相位增量就是 K? ，合成的頻率 為： 2 ssKKffTN???? （ 5） 根據(jù)采樣定理， K的最高取值理論上應(yīng)該小于或等于 N的一半。如果想輸出更高的合成頻率，只有增加一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù) N，也就是增加采樣頻率。 以上就是 DDS的一般實(shí)現(xiàn)方法，如圖 1所示 [16]： 重慶文理學(xué)院本科生畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 5 頁(yè)，共 25 頁(yè) 圖 1 DDS實(shí)現(xiàn)原理圖 增量控制也叫頻率控制字，它用來(lái)改變相位增量的大小。相位累加器由一個(gè) M位加法器和一個(gè)M位移位寄存器組成。加法器的一個(gè)輸入端和寄存器輸出端相連，一個(gè)輸入端和頻率控制字輸入相連。相位累加器的輸出對(duì)相位 幅度轉(zhuǎn)換器中的查找表尋址，輸出相應(yīng)的采樣點(diǎn)，經(jīng)過(guò) DAC就可以得到想要的正弦信號(hào)。 MSK 調(diào)制原理 MSK 調(diào)制的概念 在通信領(lǐng)域，為了傳送信息，一般都將原始信號(hào)進(jìn)行某種變換使其變成適合于通信傳輸?shù)男盘?hào)形式。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，一般將原始信號(hào)（圖像、聲音等） 經(jīng)過(guò)量化編碼變成二進(jìn)制碼流，稱(chēng) 為基帶信號(hào)。但數(shù)字基帶信號(hào) 不適合 用 于直接傳輸，例如，通過(guò)公共電話(huà)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，由于電話(huà)網(wǎng)絡(luò)帶寬在 4KHz 以下，因此數(shù)字信號(hào)不能直接在上面?zhèn)鬏?。此時(shí)可將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后再進(jìn)行傳輸 [17]。在數(shù)字調(diào)制當(dāng)中，移頻鍵控（ FSK）是一種常用的調(diào)制方式 ，它被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。 但是我們知道，在 FSK 方式中，相鄰碼元的頻率不變或者跳變一個(gè)固定值，在兩個(gè)相鄰的頻率跳變的碼元之間，其相位通常是不連續(xù)的 。 為了得到連續(xù)的相位變化，這樣就改進(jìn)出了 MSK 調(diào)制。 MSK 調(diào)制，它的英文名是 Minimum Frequency Shift Keying Modulation，即最小移頻鍵控調(diào)制，它是 FSK 調(diào)制的 一種改進(jìn)形式，實(shí)質(zhì)上也就是一種特殊的 FSK調(diào)制。它的特殊性表現(xiàn)在其頻差是滿(mǎn)足兩個(gè)頻率相互正交（即相關(guān)函數(shù)等于 0）的最小頻差，并要求 FSK 信號(hào)的相位連續(xù)。其頻差Tbfff 2112 ???? ，即調(diào)制指數(shù)為 bfh ???? ，式中 Tb 為輸入數(shù)據(jù)流的比特寬度[18]。 MSK 調(diào)制的基本原理 假設(shè) MSK 的信號(hào)表達(dá)式為： ( ) c o s2c bS t t t???? ? ???? ? ?????? （ 6） 式中， ?? 是為了保證 bt ???時(shí)相位連續(xù)而加入的相 位常量。 令 ct??? ? ??? ? ?1bbt??? ? ? ? ? （ 7） 式中， ?? =2 b t??? ????。 為了保證相位連續(xù)，在 bt ???時(shí)應(yīng)有下式成立： ? ? ? ?1 b k b?? ? ? ?? ? ? ? （ 8） 將式 (7)代入 (8)得出： 相位 累加器 增 量 控 制 相位幅 度轉(zhuǎn)換 數(shù)模 變換 時(shí) 鐘 濾 波 輸 出 相位碼 幅度碼 黃禮紅： MSK 調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 6 頁(yè)，共 25 頁(yè) ? ?11 2k k k k kxx ?????? ? ? （ 9） 若令 0x =0，則 kx =0 或 ?? （模 2? ）， k ? 0， 1， 2,? 。該式表明本比特內(nèi)的相位常數(shù)不僅與本比特區(qū)間的輸入有關(guān)，還與前一個(gè)比特區(qū)間內(nèi)的輸入及相位常數(shù)有關(guān)。因此，由此 從理論上 論證了 MSK信號(hào)的相位是連續(xù)的。 MSK 信號(hào)的表達(dá)式可正交展開(kāi)為 ? ? c o s c o s c o s c o s s in s in22k c k k cbbS t x t t x t tTT??? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? （ 10） 令 cos kkxI? ， cosk k KxQ???，則 ，上式可變換為： ? ? c o s c o s s in s in22k c k cbbS t I t t Q t tTT????? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? （ 11） 根據(jù)式 （ 11） 就可以構(gòu)成一種 MSK