【導讀】盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外，論文中不包。含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢。獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結果由。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。完成畢業(yè)論文的編寫。結合數(shù)字調制原理，進行基于FPGA的數(shù)字調制器硬件電路設計。利用VHDL語言對各功能模塊編程，并完成軟件仿真。該系統(tǒng)能實現(xiàn)10種不同調制方式，包括2ASK、BPSK、BFSK、QPSK、DQPSK、π/4-DQPSK、OQPSK、16QAM、MSK、同時還可作為由MCU控制的任意波形發(fā)生器。了多種數(shù)字調制器的軟件設計，并進行了硬件平臺原理圖和PCB圖的繪制?；鶐盘査俾士梢詮?12bps到。擇，滿足與目前多種設備的基帶信號接口的要求。載波頻率最高可達20MHZ，頻率分。通過實際運行和測試，功能和技術指標均滿足要求。穩(wěn)定性高、電路結構簡單、通用性好，成本低、體積小等諸多優(yōu)點。

　　

【正文】 器 高速DAC 寄存器 寄存器 頻率字 M 位 M 位 系統(tǒng)時鐘 相位累加 器 相位調制器 幅度調制 器器 相位字 幅度字 N 位 N 位 補償 濾波器 輸出 北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 22 率字控制 DDS 輸出頻率。為 發(fā) 揮 DDS 優(yōu)越性， 常采用截斷技術 增加 相位累加器長度 。設 頻率字長為 M ， 正弦波查找表的地址線數(shù)目為 N 。 截斷技術是將相位累加器輸出截斷，取高 N 位作為相位調制器輸入尋址查找表。 若需產(chǎn)生頻率為 0f 正弦信號，頻率字計算公式如下： (310) 輸出信號的最小頻率 即頻率分辨率位 為 相位截斷技術使得 DDS 的頻率分辨率及帶寬得到較大提高，但 也成為 DDS 雜散的主要來源。實際系統(tǒng)中常取 N 為 8 位或 10 位， M 為 32 位到 48 位。 寄存器的作用是保證當頻率字改變時不會干擾相位累加器的工作。 ② 相位調制器 相位調制器也是一個加法器。 通過設置 相位字可以 獲得任意相位的正弦信號。寄存器的作用 同上。 ③ 正弦波查找表 [12] 正弦查找表主要 相位序列向幅度序列的轉換。由相位碼作為 LUT 的地址 尋址查找表 即可獲得正弦波形 。 ROM 的地址位線數(shù)目和數(shù)據(jù)位數(shù)越長，輸出精度就越高。但該地址位數(shù)和數(shù)據(jù)位數(shù)受 ROM 容量的限制，需合理安排。通常有兩種方法降低所需 ROM 的容量： ? 選擇合理的編碼方式。若 ROM 為正弦波查找表，可利用正弦波的對稱性選擇存儲 1/4 周期正弦波。 ? 采用相位截斷技術，但會引起系統(tǒng)雜散 。 本設計 利用 FPGA 芯片自帶 ROM 模塊進行 查找表 設計 。 ROM 初始化數(shù)據(jù)文件可采用 (.mif)或 (.hex)文件。 文本 編輯 器打開的 .mif 文件格式如下： WIDTH =10。 DEPTH =10。 ADDRESS_RADIX=HEX； DATA_RADIX=HEX。 CONTENT BEGIN 0 : FF。 cMword f ff 02?Mcff 2min0 ?北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 23 1 : EF。 … .(數(shù)據(jù)略去 ) END。 對于地址線為 10 位的正弦波查找表，生成 (.mif)文件的 C 程序如下： include include “” main() {int i。float s。 for(i=0。i1024。i++) { s=sin(atan(1)*8*i/1024)。 printf(“%d : %d。\n”,’i’,(int)((s+1)*1023/2))。 } } 把上述 C 程序編譯成程序后，在 DOS 命令行下執(zhí)行命令： romgen 。 將生成的 文件加上 .mif 文件的頭部說明即可。 romgen 是編譯后的程序名。 ④ 幅度調制器 幅度調制器利 用乘法器實現(xiàn)對輸出信號的幅度可控。 將 正弦波表中 單極性數(shù)據(jù) 最高位取反作為帶符號數(shù)，通過帶符號乘法器與幅度字相乘完成輸 出波形幅度的數(shù)控 ，其中 幅度字最大值為 )12( 1 ??N 。寄存器作用同上。 ⑤ 高速 D/A 轉換器和補償濾波器 [13] D/A 轉換器 作用是將幅度碼變成模擬信號。為提高輸出信號的頻率范圍，本設計采用高速 DAC 完成數(shù)模信號的轉換。 圖 33 所示 DDS 系統(tǒng)是通過對單周期正弦信號零階抽樣保持而后通過 DAC 來實現(xiàn)的。為準確恢復所需信號需要在 DAC 輸出端加入 補償濾波器。 下文將對該濾波器特性進行簡單介紹。 設 )(?F 為波表所存時域信號 )(tf 的頻譜，經(jīng)過周期為 ST 的采樣后，可得采樣信號頻譜為 (311) 通過沖激響應為 ????? ?? n SsS nFTF )(1)( ???北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 24 (312) 的保持電路后，所得信號 )(0 tfS 的頻譜如下所示： (313) 因此為準確恢復 )(?F 頻譜，在 DAC 的輸出端需要引入具有以下補償特性的低通濾波器： (314) 其幅頻特性曲線如圖 34 所示： 圖 34 低通補償濾波器幅頻特性曲線 在實際通信系統(tǒng)中，幅頻特性應盡可能滿足補償要求，而相頻特性只要求具有線性相移特性即可。在要求不嚴格的場合，補償濾波器的 |)(| 0 ?jH r 曲線只要大致接近式 (314)即可 ，甚至可以不加補償 [12]。對于本文的 DDS 系統(tǒng)，如果不進行補償將導致系統(tǒng)輸出的不同頻率信號的幅度發(fā)生微小 變化 ，外圍可加入 AGC 電路進行調整。 若補償濾波器有模擬元器件實現(xiàn)，可采用圖 33 所示設計方案。若采用數(shù)字方式實現(xiàn)，例如將幅度調制器輸出信號送入 MCU 或 DSP 進行數(shù)字域 的低通補償，則可以將上述方案中的 DAC 與濾波器的順序對換。 (3) DDS 系統(tǒng)的實現(xiàn) 本節(jié)利用 Cyclone 系列芯片 EP1C6Q240C8 完成 DDS 系統(tǒng)的實現(xiàn)，并結合GW48PK3 實驗平臺完成系統(tǒng)的仿真測試。 ① 系統(tǒng)時鐘：本設計選擇實驗平臺提供的 20M 晶振作時鐘源， 利用 Cyclone 芯片內部 PLL 倍頻到 250M 作為系統(tǒng)時鐘 ， 提高系統(tǒng)的輸出頻率范圍。 ② 相位累加器：本設計選擇 40 位相位累加器，頻率字長亦為 40 位，提高輸出????? ????? n TjSSSS seTsanFthFFF 200 )2/()()]([)()( ??????????????)2|(|)2|(|0)2(/)( 20sssTjrTSaejHs???????)()()(0 STtututh ???北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 25 信號的頻率精度和范圍。 ③ 相位調制器：由于相位調制器輸出作為查找表的地址信號， 因此本設計采用10 位的相位調制器，相位字長亦為 10 位。 ④ 正弦查找表：利用 Cyclone 內部的 ROM 模塊完成查找表設計。所選 ROM 的地址線位數(shù) 10 位，字長 10 位，所選字長應與所選擇的 DAC 的數(shù)據(jù)位數(shù)相匹配。 ⑤ 幅度調制器：正弦波查找表輸出幅度碼為 10 位。 輸入幅度字為 10 位，最高位作為符號位，故最大值為 511。 ⑥ D/A 轉換器：采用超高速 D/A 轉換器 THS5651(100MSPS)完成數(shù)模轉換，提高系統(tǒng)的雜散抑制性能。 ⑦ 低通補償濾波器：由于 DDS 系統(tǒng)輸出信號為單頻信號，故本設計可以不進行補償 ，只需將信號進行低通濾波即可。 綜 上所述，系統(tǒng)參數(shù)值如下： 若 產(chǎn)生頻率為 0f 的正弦信號，頻率字計算公式 ： (315) 通過調整相位字 wordp 或幅度字 worda ，即可對某一固定頻率 wordf 下的輸出從信號進行相位 和幅度的數(shù)控。 用 DDS 實現(xiàn)數(shù)字 調制器的可行性 由 上文可知， DDS 輸出波形的三個參數(shù)：頻率、相位和幅度都可以實現(xiàn)精確的數(shù)控。對于數(shù)字調制來講，無非是同時改變 上面三個參數(shù)中的一個或幾個， DDS 的上述特點恰恰與調制的基本思想不謀而合。因此， DDS 用于調制的可行性不言而喻。 DDS技術將許多優(yōu)良的性能 (工作頻率范圍很寬、頻率分辨率極高、相位連續(xù)和頻率轉換時間極短等 )帶入了數(shù)字調制系統(tǒng)中，后文將對其詳細分析。 在 節(jié) 設計的 DDS 系統(tǒng)的基礎上，對于不同的數(shù)字調制方式，只需計算出 對應的 wordf 、 wordp 和 worda ，并作為 DDS 的輸入， DDS 系統(tǒng)的輸出信號即為已調信號。設載波信號頻率為 0f ， DDS 系統(tǒng)時鐘為 cf ，下節(jié) 將針對第二章的多種數(shù)字調制方式，給出 wordf 、 wordp 和 worda 的計算方法及 數(shù)值大小，同時也給出其具體的實現(xiàn)方案。 本文所選參數(shù)值如下： 系統(tǒng)時鐘 cf 為 20MHZ， wordf 、 wordp 和 worda 分別為 40 位、10 位和 10 位數(shù)據(jù)， 即 10,40 ?? NM ， 正弦波查找表大小為 1024179。 10bit。 基帶信號MHZfc 250? 40?M 10?Ncword fff /2 040?北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 26 速率為 KHZf b 1? ，中頻信號頻率 KHZf 2021? 。 第 節(jié) 基于 FPGA 的 二進制數(shù)字調制器設計 與實現(xiàn) 本節(jié)討論了 ASK、 BPSK、 DPSK、 BFSK 四種 二進制數(shù)字調制方式的實現(xiàn)。 為易于觀察，本節(jié)所示圖片均為 KHZff b 220 ?? 時的已調信號 波形。 (1) 振幅鍵控 (ASK) ASK 是利用基帶信號 0 或 1 去控制載波的有無，因此其對應頻率字、相位字為定值，幅度字則隨著基帶信號的變化而變化。有 (316) 可計算： 71099511627?wordf ， )1(511 ?? nword aa 示波器 觀察 波形 如圖 35： 圖 35 ASK 調制波形 (2) 移相鍵控 (BPSK) BPSK 是利用基帶信號去控制載波相位，因此其 對應頻率字、幅度字為定值，相位字則隨著基帶信號的變化而變化。有 (317) 可計算 ： 71099511627?wordf ， )1(512 ?? nword ap ， 511?worda 示波器觀察波形如 圖 36： 圖 36 BPSK 調制波形 ??? ???? ? )0( )1(0 12 1nnNw or d aaacMword fff /2 0? 0?wordp)0( )1(021???????nnNw or d aapcMword fff /2 0? 12 1 ?? ?Nworda北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 27 (3) 差分移相鍵控 (DPSK) DPSK 是利用基帶信號去控制載波的前后相差，因此有： (318) wordf 、 wordp 和 worda 計 算數(shù)值與 (2)類似 。 (4) 移頻鍵控 (BFSK) BFSK 是利用基帶信號去控制載波的頻率，設兩頻率為 1f 和 2f 因此有： (319) 由于 DDS 輸出信號具有連續(xù)的相位，因此該方案實現(xiàn)的調制方式實為 CPFSK. 本文取 K HZfK HZf 2 0 5,1 9 5 21 ?? ，計算可得： (320) 示波器波形 如圖 37： 圖 37 BFSK 調制波形 第 節(jié) 基于 FPGA 的 多進制數(shù)字調制器的設計 與實現(xiàn) 多進制 數(shù)字調制是利用多進制數(shù)字基帶信號去調制載波的振幅、頻率或相位。其實現(xiàn)框圖串并轉換電路可完成二進制碼元到多進制碼元 的轉換。串并轉換電路在位同步信號作用下利用移位寄存器來實現(xiàn)，如圖 38 所示： )0( )1()1( 2)1()(1????? ?????nnw or dNw or dw or d aanp n