【正文】 Logic Block）、輸入 輸出模塊 （ IOB， Input Output Block）和內(nèi)部連線（ Interconnect）三個部分。與門陣列等其他 ASIC（ Application Specific IC）相比，它們又具有設(shè)計(jì)開 發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、 開發(fā)工具 先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品不需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)（一般在 10 000 件以下）之中。 20 世紀(jì) 80 年代中期， Altera和 Xilinx分別推出了類似于 PAL 結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展型 CPLD（ Complex Programmable Logic Dvice）和與標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似 FPGA，它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點(diǎn)。 FPGA 簡介 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 EPLD 等可 編程器 件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。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(jìn)的開發(fā)工具使整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試周期大大縮短。 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]。 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。 (4)可擴(kuò)展性強(qiáng)。 MATLAB 可以方便的將工程計(jì)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。這些大大減輕了編程和調(diào)試的工作量，提高了編程效率。由于 MATLAB 的命令表達(dá)方式與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式非常相似，因此，易寫易讀并易于在科技人員之間交流。 (2)人機(jī)界 面友好，編程效率高。 (1)功能強(qiáng)大。 MATLAB 語言比較好學(xué)，因?yàn)樗Z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(jì)算機(jī)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(jìn)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(jī)交互性能好；它可適應(yīng)多種平臺，雖計(jì)算機(jī)軟、硬件的更新而及時(shí)升級，使得編程和調(diào)試效率大大提高 [4]。 MATLAB 開始應(yīng)用于數(shù)學(xué)界。 MATLAB 的產(chǎn)生是與數(shù)學(xué)計(jì)算分不開的，以前的數(shù)值計(jì)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。 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(jì)算軟件，他廣泛應(yīng)用于自動控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號分析、圖像信號處理、財(cái)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(dá)工程等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進(jìn)行許多科學(xué)研究的重要工具。 但是 OFDM 卻存在下面一些缺點(diǎn)： （ 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。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。 OFDM 系統(tǒng)比 FDM 系統(tǒng)要求的帶寬要小得多。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。 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(jìn)行傳輸。 在現(xiàn)代電話系統(tǒng)所使用的數(shù)字傳輸方式中， TDM(時(shí)分多路復(fù)用 ,TimeDivision Multiplexing)代替了 FDM 技術(shù)。 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(jìn)行疊加形成一個復(fù)合信號的 多路復(fù)用技術(shù) 。 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(qiáng)， 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。 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(jìn)制數(shù) 0、 1， 在 相位改變的同時(shí)，最大振幅和頻率則保持不變 。多頻制的主要缺點(diǎn)是信號頻帶寬，頻帶利用率低。 多進(jìn)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。 在數(shù)字化時(shí)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(jìn)行傳輸，就是用 FSK 調(diào)制信號進(jìn)行的，即把二進(jìn)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(jìn)制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為用高低電平所表示的二進(jìn)制語言，這是計(jì)算機(jī)能夠直接識別的 語言。 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(diǎn)是 :實(shí)現(xiàn)起來較容易 ,抗噪聲與抗衰減的性能較好 。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(qiáng)等特點(diǎn)。樣點(diǎn)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(shí)抗干擾能力也隨之降低 。 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。 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。 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)。 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。為減少碼間干擾和時(shí)延擴(kuò)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。近幾年，隨著研究工作的深入，人們提出了不少 改進(jìn)方案。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。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(shí)，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）。這類調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)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)。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。 在實(shí)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。 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）。 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)。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)。 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信 源 信道編碼 調(diào)制器 信道 受信者 解調(diào)器 信道解碼 信源解碼 信源編碼 噪聲源 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 沖載波，使已調(diào)信號能通過帶限信道傳輸。面對移動用戶群的持續(xù)增長和新業(yè)務(wù)的層出不窮，移動通信體系要及時(shí)適應(yīng)甚至超前于市場需求的步伐。 無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全數(shù)字化，其中調(diào)制、解 調(diào)的數(shù)字化是最基本的功能之一 。近年來，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜程度和技術(shù)難度大大降低，同時(shí)高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以及光纖等大容量傳輸介質(zhì)的使用正逐步使帶寬問題得到了解決。此外，它還具有適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)要求 (如電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等 )，便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，便于采用大規(guī) 模集成電路，便于實(shí)現(xiàn)加密處理，便于實(shí)現(xiàn) 通信 網(wǎng)的計(jì)算機(jī)管理等優(yōu)點(diǎn)。其次是遠(yuǎn)距離傳輸仍能保證質(zhì)量。模擬信號在傳輸過程中和疊加的噪聲很難分離，噪聲會隨著信號被傳輸、放大、嚴(yán)重影響通 信質(zhì)量。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2 數(shù)字調(diào)制方法 數(shù)字信號是一種離散的、脈沖有無的組合形式，是負(fù)載數(shù)字信息的信號。 所以 ，用 FPGA 實(shí)現(xiàn)軟件無線電發(fā)射機(jī) 和接收機(jī) ，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設(shè)備體積，滿足了系統(tǒng)的需要，而且比專用芯片具有更大的靈活性和可控性。因此使得一些復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)體制能夠容易地用單片集成電路實(shí)現(xiàn)，并出現(xiàn)了單片系統(tǒng)（ System on Chip,SOC），它大大促進(jìn)了新型數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展 [1]。這些新的調(diào)制解調(diào)體制，各有所長，分別在不同方面有其優(yōu)勢。 選題的創(chuàng)新之處 作為移動通信核心技術(shù)之一的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速、高效的移動通信系統(tǒng)的重要保證。 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 ,運(yùn)用 MATLAB和 FPGA， 利用 Verilog HDL 語言和 Quartus、 Synplify Pro 和 ModelSim 軟件開發(fā)平臺進(jìn)行研究， 實(shí)現(xiàn)對 低中頻數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)技術(shù)仿真 。通常，我們把數(shù)字調(diào)制與解調(diào)合起來稱為數(shù)字濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 調(diào)制 。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。 實(shí)施方案及主要研究手段 作為移動通信核心技術(shù) 之一的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速、高效的移動通信系統(tǒng)的重要保證。 調(diào)制的目的是把基帶信號變換成適合信號傳輸?shù)男盘枺庹{(diào)是調(diào)制的逆過程；無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全數(shù)字化，其中調(diào)制、解調(diào)的數(shù)字化是最基本的功能之一。所以調(diào)制就是將基帶信 號搬移到信道損耗較小的指定的高頻處進(jìn)行傳輸（即載波傳輸），調(diào)制后的基帶信號稱為已調(diào)信號，其頻率比較高。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內(nèi)特性的原因，基帶信號是無法在無線信道或光纖信道上進(jìn)行長距離傳輸?shù)?。由于頻率資源的有限性，限制了我們無法用開路信道傳輸信息。 研究數(shù)字調(diào)制方法的目的和意義 近幾十年來，移動通信進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期，它與人 們的日常生活息息相關(guān)，已經(jīng)成為了人們生活中的必需品，目前移動通信正處在由第二代向第三代過渡的階段。 限制理想軟件無線電實(shí)現(xiàn)的主要瓶頸有 3 個： (1)天線帶寬： 22020MHz，覆蓋多個 10 倍頻程，目前無法實(shí)現(xiàn)； (2)總線數(shù)據(jù)速率要大于 5Gbit/s（根據(jù) Nyquist 定律， fs）； (3)數(shù)字處理部分的處理能力。接收機(jī)用通用處理器上的軟件完成信號的提取、下變頻和解調(diào)。 理想的軟件無線電及其限制的解決思路 理想的軟件無線電的定義是：軟件無線電臺是用軟件定義波段、調(diào)制方式 、信號波形由數(shù)字信號采樣產(chǎn)生，用寬帶的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，可能還要由中頻上變頻到射頻。 基于上述優(yōu)點(diǎn)，用 FPGA 實(shí)現(xiàn)軟件無線電發(fā)射機(jī)，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設(shè)備體積，滿足了系統(tǒng)的需要，而且比專用芯片具有更大的靈活性和可控性。應(yīng) 用 FPGA 設(shè)計(jì)功能電路時(shí)，可以讓人們的思路從傳統(tǒng)的以單片機(jī)或 DSP 芯片為核心的系統(tǒng)集成型轉(zhuǎn)向單一專用芯片型設(shè)計(jì)。由于它所具有的靈活性、開放性等特點(diǎn)，不僅在軍、民無線通信中獲得了應(yīng)用，而且還被推廣到其它領(lǐng)域。軟件無線電是 近幾年在無線通信領(lǐng)域提出的一種新的通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，其基本思想是以開發(fā)性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)最簡的硬件為通用平臺，把盡可能多的通信功能用可升級、可替換的軟件來實(shí)現(xiàn)。 軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)對于移動通信的發(fā)展起到了很大的推動作用，構(gòu)建一個通用的、標(biāo)準(zhǔn)的、模塊化的硬件平臺，把以前用硬件實(shí)現(xiàn)的無線電功能用軟件來實(shí)現(xiàn)，大大地提高了通信系統(tǒng)的靈活性。 顯然，理想的軟件無線電臺是對天線接收的模擬信號經(jīng)過放大后直接采樣，實(shí)現(xiàn)完全的可編程性，其后所有的信號處理，包括下變頻混頻、帶通濾波、載波提取、 IQ 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 圖 軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 （同相與正交）解調(diào)、低通濾波、位同步提取、信道編碼、信源編碼、加密等，全部由 A/D 轉(zhuǎn)換器之后的 DSP 芯片處理。這與全數(shù)字接收機(jī)專用的硬件芯片結(jié)構(gòu)完全不同，是電子技術(shù)領(lǐng)域繼模擬與數(shù)字技術(shù)之后的第三次重