【正文】 圖 QAM 的信號星座圖 QAM 全數(shù)字調(diào)制器的 FPGA 實(shí)現(xiàn) 使用 Verilog 實(shí)現(xiàn)全數(shù)字的 16QAM 調(diào)制器，假設(shè)載波的頻率為 1MHz,數(shù)據(jù)比特流的速率為 100Kbps。 載波恢復(fù) LPF 多電平判決電路 定時(shí)恢復(fù) 多電平轉(zhuǎn)換 L 到 2 電平變換 L 到 2 電平變換 并 /串變換 LPF 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 z=demodulate((M),ynoise)。)。 %M 進(jìn)制 x=randint(5000,1,M)。圖 為 MQAM 信號相干解調(diào)的框圖。信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，為了抑制已調(diào)信號的頻譜擴(kuò)展，避免由于信道帶寬有限而造成碼間干擾，基帶信號要經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器，濾波后的信號經(jīng)過正交載波調(diào)制，得到I、 Q 兩路信號，兩路信號的相加和即為 MQAM 已調(diào)信號。正交振幅調(diào)制（ Quadrature Amplitude Modulation,QAM）就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，這種調(diào)制方式用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對相互正交的載波進(jìn)行雙邊帶調(diào)制，充分利用整個(gè)信號平面，頻譜利用率高，目前已經(jīng)在中、大容量數(shù)字微通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 [2]。單獨(dú)使用幅度或者相位攜帶信息時(shí)，不能充分利用信號平面，頻譜利用率不高，對頻譜資源是一種浪費(fèi)。 //清空 m 計(jì)數(shù)器 end else m=m+1。 else y=139。 end else begin if(t==339。b000。b000。 reg y。 input clk。 carriers。b00。b00。 //輸入信號 output y。 2ASK 調(diào)制 /解調(diào)的 FPGA 實(shí)現(xiàn) （ 1） 使用 Verilog 實(shí)現(xiàn) 2ASK 調(diào)制 module two_ASK(clk,reset,x,y)。 y=zeros(1,N)。 end 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 其中的子程序 LPF 如下： function y=LPF(fc)。s(t) (V)39。2ASK 解調(diào)后的波形 39。s(t) (V)39。)。) subplot(3,1,2) plot(t,s,39。)； axis([1,+1,*max(m)]) xlabel(39。 subplot(3,1,1) plot(t,m,39。 yrt=real(F2T(Lpfil.*Y))。 %AWGN 信道噪聲 r=s+n。 c=cos(2*pi*fc*t)。 %模擬基帶信號頻率為 1kHz fc=6。 %kHz T=N*dt。主程序名為 ，調(diào)用子程序 和 。對于這種解調(diào)方式， 其誤比特率近似值為： ???????? ??? BRNEP bbb02e xp21 () 其中， bR 為信號比特的速率， B 為接收端的等效噪聲帶寬。因此判決電 平取A/2，大于 A/2 判為“ 1”碼，小于 A/2 判為“ 0”碼。其原理是：首先從接收信號中提取離散的載波分量，使得所恢復(fù)的頻率及相位與接收的信號同頻同相，然后再將恢復(fù)載波與接收信號相乘，經(jīng)過低通濾波后消除二倍頻分量，最后在對信號經(jīng)過采樣、判決，即可恢復(fù)出所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 2ASK 信號的產(chǎn)生原理框圖如圖 所示 假設(shè)二進(jìn)制信源｛ nb ｝的序列取值為 1 或 0，發(fā)送濾波器的沖激響應(yīng)為 g（ t），則二進(jìn)制序列經(jīng)過發(fā)端成行濾波器后的基帶信號與載波相乘，即可得到 2ASK 信號 tnTtgbtycbn ?c os])([)( ????? ?? () 其波形如圖 所示。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 4 低中頻數(shù)字調(diào)制方法的 FPGA 實(shí)現(xiàn) 由于中低頻數(shù)字調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法太多，而本人的研究時(shí)間有限，不可能在短時(shí)間內(nèi)對各種方法逐一研究，故選擇 2ASK、 MQAM、 QPSK、 OFDM 方法 ,利用 Verilog HDL語言和 Quartus 軟件開發(fā)平臺進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)軟件供應(yīng)商 Magma 推出的綜合工具 Blast FPGA能幫助建立優(yōu)化的布局，加快時(shí)序的收斂。超大容量和密度使復(fù)雜的布線變得更加不可預(yù)測，由此帶來更嚴(yán)重的時(shí)序收斂問題。 FPGA 有下面 4種配置模式： (1)并行主模式為一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式； (2)主從模式可以支持一片 PROM 編程多片 FPGA； (3)串行模式可以采用串行 PROM 編程 FPGA； (4)外設(shè)模式可以將 FPGA 作為 微處理器的外設(shè)，由微處理器對其編程。 FPGA 的編程不需專用的 FPGA 編程器，只需用通用的 EPROM、 PROM編程器即可。用戶可以根據(jù)不同的配置模式采用不同的編程方式。電路設(shè)計(jì)人員使用 FPGA/CPLD 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不需要具備專門的 IC（集成電路）深層次的知識， FPGA/CPLD 軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計(jì)人員更能集中精力進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，快速將產(chǎn)品推向市場。 (3)用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動(dòng)的情況下用不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。它還具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。幾乎所有應(yīng)用門陣列、 PLD 和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用 FPGA 和 CPLD 器件。它是作為專用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn) [5]。 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。 MATLAB 軟件包括基本部分和工具箱兩大部分，具有良好的可擴(kuò)展性。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 (3)強(qiáng)大而智能化的作圖功能。 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。 MATLAB 的基本特點(diǎn) MATLAB 集科學(xué)與工程計(jì)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(jì)方法。到 20 世紀(jì) 70年代中期， Cleve Moler(數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)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。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jìn)行研究。由于 OFDM 使用無干擾正交載波技術(shù)，單個(gè)載波間無需保護(hù)頻帶，這樣使得可用頻譜的使用效率更高。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。 在物理信道的可用帶寬超過單個(gè)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(gè)與傳輸單個(gè)信號帶寬相同（或略寬）的子信道，每個(gè)子信道傳輸一種信號 。 當(dāng)不同相位的載波數(shù)為 16…… 時(shí) ,分別稱為 8PSK（八進(jìn)制 PSK）、 16PSK（十六進(jìn)制 PSK） …… 。多頻制誤碼率隨 M 增大而增加，但與多電平調(diào)制相比 ,濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 增加的速度要小的多。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(gè)頻率承載二進(jìn)制 1 和 0 的雙頻 FSK 系統(tǒng) .。 QAM 傳輸速率 很 高，通道也 可 以 優(yōu)化。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(qiáng)，因而一般只適宜在恒參信道下采用。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(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(kuò)頻增益的碼分多址（ VSGCDMA）等 [3]。例如，根據(jù)移動(dòng)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)。 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)。 (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。此外，還有許多由基本調(diào)制類型改進(jìn)或綜合而獲得的新型調(diào)制技術(shù)。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。而作為移動(dòng)通信核心技術(shù)之一的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速、高效的移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要保證。因此，作為通信主要環(huán)節(jié)的數(shù)字調(diào)制方法日益受到歡迎。因?yàn)閿?shù)字通信是采用再生中繼方式，能夠消除噪音，再生的數(shù)字信號和原來的數(shù)字信號一樣，可繼續(xù)傳輸下去，這樣 通信 質(zhì)量便不受距離的影響，可高質(zhì)量地進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。數(shù)字通信與模擬通信相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：首先是抗干擾能力強(qiáng)。 FPGA 技術(shù)的發(fā)展使單個(gè)芯片上集成的邏輯門數(shù)目越來越多，實(shí)現(xiàn)的功能越來越復(fù)雜，人們通過硬件編程設(shè)計(jì)和研制 ASIC，可以極大地提高芯片的研制 效率，降低開發(fā)費(fèi)用。 基本的二進(jìn)制和多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法的研究已經(jīng)比較成熟，但為了提高通信系統(tǒng)的數(shù)字傳輸性能，研究人員對這些數(shù)字調(diào)制方法不斷的加以改進(jìn)，提出了許多新的調(diào)制解調(diào)方法 。 本 設(shè)計(jì)題目是低中頻數(shù)字調(diào)制方法的研究及 FPGA 實(shí)現(xiàn)，故其主要任務(wù) 是系統(tǒng)仿真。在通信過程中， 對于大多數(shù)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)來說，數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻成分，而實(shí)際的通信信道又具有帶通特性，因此，必須用數(shù)字信號來調(diào)制某一高頻率的正弦或脈沖載波，使已調(diào)信號能通過帶限信道傳輸。 數(shù)字信號的載波傳輸與基帶傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別就是增加了調(diào)制與解調(diào)的環(huán)節(jié)，是在復(fù)接器后增加了一個(gè)調(diào)制器，在分接器前增加一個(gè)解調(diào)器而已。再者，通信的最終目的是遠(yuǎn)距離傳遞信息。 軟件無線電技術(shù)的研究沿著兩個(gè)思路進(jìn)行：一個(gè)思路是在現(xiàn)有的硬件水平上，通過將 A/D 與天線之間增加模擬環(huán)節(jié)、應(yīng)用并行處理技術(shù)、改進(jìn)算法等；另一個(gè)思路是通過多個(gè) PC 或工作站實(shí)現(xiàn)對理想軟件無線電技術(shù)的模擬（虛擬無線電），雖然不能立即投入實(shí)用，但為將來的軟件無線電技術(shù)研究提供理論指導(dǎo) [1]。類似的，接收機(jī)使用寬帶的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得該軟件無線電臺節(jié)點(diǎn)所有波段的信號。 FPGA 技術(shù) 的發(fā)展使單個(gè)芯片上集成的邏輯門數(shù)目越來越多，實(shí)現(xiàn)的功能越來越復(fù)雜，人們通過硬件編程設(shè)計(jì)和研制 ASIC，可以極大地提高芯片的研制效率，降低開發(fā)費(fèi)用。這一新概念一經(jīng)提出，就得到了全世界無線電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注?？梢娎硐氲能浖o線電臺可實(shí)現(xiàn)完全的可編程性，因此可以實(shí)現(xiàn)通信中的各種調(diào)制方式，完全可以根據(jù)要求實(shí)現(xiàn) FDMA（頻分多址接入）、 TDMA（時(shí)分多址接入）和 CDMA（碼分多址接入）等各種多址方式。這種技術(shù)采用了通用的 DSP 硬件平臺，具有完全的可編程性。這種全新的設(shè)計(jì)思想使通信中的無線電臺可以適應(yīng)各種不同的通信方式，軟件無線電臺良好的兼容性和可編程性使得通信系統(tǒng)的開發(fā)主要成為 DSP（數(shù)字信號處理）軟件的研究。數(shù)字化、寬帶化是當(dāng)今無線通信的重點(diǎn)主流方向，并且發(fā)展極為迅猛，新技術(shù)層出不窮。 FPGA。最 后我會努力找出出現(xiàn)這些結(jié)果的真正原因，并想出合理方法來避免和解決其中不利于無線通信的情況，從而加深對低中頻數(shù)字調(diào)制方法的認(rèn)識 ,為自己今后從事無線通信系統(tǒng)的開發(fā)奠定重要的基礎(chǔ)。濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 數(shù)字調(diào)制技術(shù)是移動(dòng)通信中實(shí)現(xiàn)高速、高效通信的重要保證。 并通過對各種數(shù)字調(diào)制方法的比較得出：在進(jìn)行數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮若干因素，如誤碼率，傳輸帶寬，頻帶利用率，信噪比，頻譜溢出等，才能設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。 OFDM 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) III 目 錄 摘 要 ................................................................................................................................ I ABSTRACT .......................................................................................................................... II 1 前言 ............................................................................