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基于fpga的qpsk調(diào)制解調(diào)的仿真及相關(guān)軟件設(shè)計-在線瀏覽

2024-08-07 17:27本頁面
  

【正文】 內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理過程,而它靈活的可重構(gòu)性能保證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線重構(gòu),使系統(tǒng)具有高度的靈活性,當設(shè)備需要增加新的無線接口時,不需要增加新的FPGA芯片,而只需將現(xiàn)有FPGA的內(nèi)部邏輯重構(gòu)就可以了,這樣就降低了設(shè)備的成本,縮短了開發(fā)周期,正是因為它的這些優(yōu)點,F(xiàn)PGA在無線電技術(shù)的研究和設(shè)備開發(fā)中正在發(fā)揮越來越重要的作用。在數(shù)寧信號的頻帶傳輸中,最重要的技術(shù)就是調(diào)制解調(diào)技術(shù)。數(shù)字信號對載波的調(diào)制與模擬信號對載波的調(diào)制類似。隨著技術(shù)的發(fā)展又演變出多種多樣的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。由于PSK系統(tǒng)抗噪聲性能優(yōu)于ASK和FSK,而且頻帶利用率高,所以,在中、高速數(shù)字通信中被廣泛應(yīng)用。并給出了MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結(jié)果與Systemview的仿真結(jié)果。本課題的主要研究工作包括以下四方面:(1)了解數(shù)字調(diào)制解調(diào)的基本原理(2)學習數(shù)字QPSK的特點、解調(diào)原理、數(shù)學模型;學習VHDL語言(3)了解數(shù)字QPSK的發(fā)展狀況及現(xiàn)實中應(yīng)用;了解FPGA的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)(4)用Systemview對QPSK的調(diào)制解調(diào)進行仿真2 通信系統(tǒng)的組成 通信系統(tǒng)的模型通信的目的是傳輸消息。因而,根據(jù)所傳遞消息的不同,目前通信業(yè)務(wù)可分為電報、電話、傳真、數(shù)據(jù)傳輸即可視電話等。當然,數(shù)字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸,如計算機數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線路傳輸,但這時必須使用調(diào)制解調(diào)器(Modem)將數(shù)字基帶信號進行正弦調(diào)制,以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來,即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。對?shù)字通信系統(tǒng)來說,發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼與信道編碼。在無線信道中,信道可以是大氣(自由空間),在有線信道中,信道可以是明線、電纜或光纖。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。噪聲源不是人為加入的設(shè)備,而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的,并且是人們所不希望的。因此,為了分析方便,把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號來,對于多路復(fù)用信號,還包括解除多路復(fù)用,實現(xiàn)正確分路。,它反映了通信系統(tǒng)的共性,因此稱之為通信系統(tǒng)的一般模型。信息源發(fā)送設(shè)備噪聲源信道接受設(shè)備受信者 通信系統(tǒng)的一般模型信息源(簡稱信源)的作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。模擬信源輸出連續(xù)的模擬信號,如話筒、攝像機;數(shù)字信源則輸出離散的數(shù)字信號,如電傳機、計算機等各種數(shù)字終端。發(fā)送設(shè)備的作用是產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?,即使發(fā)送信號的特性和信道特性相匹配,具有抗信道干擾的能力,并且具有足夠的功率以滿足遠距離傳輸?shù)男枰?。對于多路傳輸系統(tǒng),發(fā)送設(shè)備還包括多路復(fù)用器。在無線信道中,信道可以是自由空間:在有線信道中,可以是明線、電纜和光纖。信道既給信號以通路,也會對信號產(chǎn)生各種干擾和噪聲。接收設(shè)備的功能是將信號放大和反變換(如譯碼、解調(diào)),其目的是從受到減損的接收信號中正確恢復(fù)出原始電信號。此外,它還要盡可能減小在傳輸過程中噪聲與干擾所帶來的影響。,信源發(fā)出的消息雖然有多種形式,但可分為兩大類:一類稱為連續(xù)消息;另一類稱為離散消息。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的,如符號、數(shù)據(jù)等。按信號參量的取值方式不同可把信號分為兩類,即模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號有時也稱連續(xù)信號,這個連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化,或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個值,而不一定在時間上也連續(xù),(b)所示的抽樣信號。數(shù)字信號有時也稱離散信號,這個離散是指信號的某一參量是離散變化的,而不一定在時間上也離散,(b)所示的2PSK信號。模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。由于這種信號具有頻率很低的頻譜分量, 一般不宜直接傳輸,這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?,并可在接收端進行反變換。經(jīng)過調(diào)制以后的信號稱為已調(diào)信號。需要指出,消息從發(fā)送端到接收端的傳遞過程中,不僅僅只有連續(xù)消息與基帶信號和基帶信號與頻帶信號之間的兩種變換,實際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題很多,其中主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、同步以及加密等。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬,而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。數(shù)字信號在信道傳輸時,由于噪聲、衰落以及人為干擾等,將會引起差錯。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進行解碼,從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤,從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力,實現(xiàn)可靠通信。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對收到的數(shù)字序列進行解密,恢復(fù)原來信息,叫解密?;镜臄?shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對相移鍵控PSK、相對(差分)相移鍵控DPSK。對高斯噪聲下的信號檢測,一般用相關(guān)器接收機或匹配濾波器實現(xiàn)。同步是使收、發(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致。數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時分復(fù)用基本原理把若干個低速數(shù)字信號合并成一個高速的數(shù)字信號,以擴大傳輸容量和提高傳輸效率。 數(shù)字通信系統(tǒng)模型當然,數(shù)字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸,如計算機數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線路傳輸,但這時必須使用調(diào)制解調(diào)器(Modem)將數(shù)字基帶信號進行正弦調(diào)制,以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。 數(shù)字通信的特點與模擬通信相比,數(shù)字通信具有以下一些優(yōu)點:(1)抗干擾能力強,且噪聲不積累。以二進制為例,信號的取值只有兩個,這時要求在接收端能正確判決發(fā)送的是兩個狀態(tài)中的哪一個即可。而模擬通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖沁B續(xù)變化的模擬信號,它要求接收機能夠高度保真地重現(xiàn)原信號波形,一旦信號疊加上噪聲后,即使噪聲很小,也很難消除它。在數(shù)字通信系統(tǒng)中,可通過信道編碼技術(shù)進行檢錯與糾錯,降低誤碼率,提高傳輸質(zhì)量。這種數(shù)字處理的靈活性表現(xiàn)為可以將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸。(5)易于加密處理,且保密性好。另外,由于數(shù)字通信對同步要求高,因而系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜[15]。現(xiàn)代通信借助于電和光來傳輸信息,數(shù)字終端產(chǎn)生的數(shù)字信息是以“1”和“0”兩種代碼(狀態(tài))位代表的隨機序列,他可以用不同形式的電信號表示,從而構(gòu)造不同形式的數(shù)字信號。在實際的基帶傳輸系統(tǒng)中,并不是所有電波均能在信道中傳輸,因此有基帶信號的選擇問題,因此對碼型的設(shè)計和選擇需要符合一定的原則。對于這樣的信道,應(yīng)使線路傳輸碼型的頻譜不含直流分量,并且只有很少的低頻分量和高頻分量。一般傳輸系統(tǒng)中,為了節(jié)省頻帶是不傳輸定時信息的,必須在接受端從相應(yīng)的基帶信號中加以提取。當然,對傳輸碼型的選擇還需要編碼和解碼設(shè)備盡量簡單等要求,但以上的幾點是最主要的考慮因素。信號通過信道傳輸,一方面受到信道特性的影響,使信號產(chǎn)生畸變;令一方面信號被信道中的加性噪聲所疊加,造成信號的隨機畸變。為此,在接收端首先安排一個接收濾波器,使噪聲盡量得到抑制,而使信號順利通過。因此,為提高接收系統(tǒng)的可靠性,通常在接收濾波器的輸出端安排一個識別電路,通常的識別電路是抽樣判別器,它是在每一接收基帶波形的中心附近,對信號進行抽樣,然后將抽樣值與判決門限進行比較。這樣就獲得一系列新的基帶波形—再生的基帶信號。在實際基帶傳輸系統(tǒng)中,并非所有的原始數(shù)字基帶信號都能在信道中傳輸,例如,含有豐富直流和低頻成分的基帶信號就不適宜在信道中傳輸,因為它有可能造成信號嚴重畸變;再如,一般基帶傳輸系統(tǒng)都是從接收到的基帶信號中提取位同步信號,而位同步信號卻又依賴于代碼的碼型,如果代碼出現(xiàn)長時間的連 “0” 符號,則基帶信號可能會長時間出現(xiàn) 0 電位,從而使位同步恢復(fù)系統(tǒng)難以保證位同步信號的準確性。歸納起來,對傳輸用的基帶信號的要求主要有兩點:(1)對各種代碼的要求,期望將原始信息符號編制成適合于傳輸用的碼型;(2)對所選的碼型的電波形的要求,期望電波形適宜于在信道中傳輸。這是兩個既彼此獨立又相互聯(lián)系的問題,也是基帶傳輸原理中十分重要的兩個問題。概括起來,在設(shè)計數(shù)字基帶信號碼型時應(yīng)考慮以下原則:(1)碼型中應(yīng)不含直流分量,低頻分量盡量少。這樣既可以節(jié)省傳輸頻帶,提高信道的頻帶利用率,還可以減少串擾。(3)碼型中應(yīng)包含定時信息。若傳輸碼型有一定的規(guī)律性,則就可根據(jù)這一規(guī)律性來檢測傳輸質(zhì)量,以便做到自動監(jiān)測。這種與信源的統(tǒng)計特性無關(guān)的性質(zhì)稱為對信源具有透明性。對于某些基帶傳輸碼型,信道中產(chǎn)生的單個誤碼會擾亂一段譯碼過程,從而導致譯碼輸出信息中出現(xiàn)多個錯誤,這種現(xiàn)象稱為誤碼增殖。(8)編譯碼設(shè)備應(yīng)盡量簡單。3 QPSK調(diào)制解調(diào)的原理 相移鍵控系統(tǒng)概述相移鍵控是目前擴頻系統(tǒng)中大量使用的調(diào)制方式,也是和擴頻技術(shù)結(jié)合最成熟的調(diào)制技術(shù),原則上看是一種線性調(diào)制。相移鍵控系統(tǒng)中,有待傳輸?shù)幕鶐?shù)字脈沖控制著載波相位的變化,從而形成振幅與頻率不變,而相位取離散值變化的已調(diào)波。其表達式由公式()給出: ()式中,An為二進制數(shù)字, () 四相相移鍵控四相相移鍵控QPSK是MPSK[17]的一種特殊情況。因此,對于輸入的二進制數(shù)字序列應(yīng)該先進行分組,將每兩個比特編為一組;然后用4種不同的載波相位去表征它們。由于每一種載波相位代表2個比特信息。由于四相絕對移相調(diào)制可以看作兩個正交的二相絕對移相調(diào)制的合成,故QPSK信號的產(chǎn)生方法采用相位選擇法,[18]。 90176。 270176。按照串/并變換器輸出雙比特碼元的不同,邏輯選相電路輸出相應(yīng)相位的載波。的載波;ab為01時,輸出相位為90176。的載波;ab為11時,輸出相位為270176。根據(jù)MPSK調(diào)制原理,[19]。但這還不是真正的QPSK信號,需要在FPGA器件外部加一個D/A變換器,將輸出轉(zhuǎn)換為模擬信號。90176。270176。基帶信號x由一路信號變?yōu)閮陕凡⑿行盘?,變換后分別為a信號和b信號,則ab信號構(gòu)成兩位并行信號yy。載波相位為0176。、180176。的4種載波。 f3 01 90176。 f1 11 270176。如表32所示,當yy值為“0”,選擇輸出對應(yīng)的載波f3;當yy值為“1”,選擇輸出對應(yīng)的載波f2;當yy值為“2”,選擇輸出3對應(yīng)的載波fl;當yy值為“3”,選擇輸出對應(yīng)的載波f0,即最終選擇輸出的載波波形就構(gòu)成r調(diào)制信號Y。180176。270176。90176。是可以取區(qū)間(0,2π)任何離散值的隨機變量,可取的個數(shù)由調(diào)制方式的進制來決定。 將上式展開,得到: () 令,則兩者的取值為隨機的離散值,和選定的相位有關(guān),在星座圖的映射中對應(yīng)同相和正交分量,反映其在映射圖中的矢量位置。π/2體系對應(yīng)n=0,π/2,π,3π/2四個離散值。 從式()可以看出,四相調(diào)制的波形,可以看成是對兩個正交載波進行二進制幅度調(diào)制的信號之和。這個關(guān)系意味著,系統(tǒng)的非線形失真對QPSK系統(tǒng)的可靠性影響很小。所以.對輸人的二進制序列,首先必須分組,每兩位碼元一組。QPSK信號實際上是兩路正交雙邊帶信號。輸入的串行二進制序列經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后,分成兩路速率減半的序列,然后經(jīng)過極性轉(zhuǎn)換后變成兩路雙極性二電平信號I (t)和Q (t),然后跟cos2πf t和sin 2πf t相乘進行調(diào)制,相加后即得到QPSK信號。兩路BPSK信號相加,即得到QPSK信號。當然,如果調(diào)制端是差分編碼的,那么解調(diào)中并串變換后還需一個
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