【正文】 ....................................................................................................... 29 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 30 附錄 A ................................................................................................................................. 31 1 1 引言 課題的研究意義 在通信技術(shù)領(lǐng)域，載波調(diào)制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地面廣播通信、衛(wèi)星通信、信號(hào)傳輸?shù)韧ㄐ畔到y(tǒng)中。隨著近幾年數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，單邊帶調(diào)制技術(shù)要在數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)也成為可能。 目前，數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)主要包括 DSP（ Digital Signal Processor）和 FPGA（ Field Programmable Gate Arrays）兩種。該方案采用先進(jìn)的 FPGA 和 DSP 芯片，借鑒了軟件無(wú)線電的思想，通過(guò) DSP 芯片對(duì) FPGA 芯片的動(dòng)態(tài)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)具有通用性、可擴(kuò)充性的硬件平臺(tái)，相對(duì)于 FPGA 芯片， DSP 芯片采用串行指令，運(yùn)算速度受系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的影響，難以實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)處理。因此， FPGA 被廣泛運(yùn)用在高速實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中。 20xx 年 Altera 公司推出的 DSP Builder 很好地解決了在 EDA 技術(shù)完成硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，因?yàn)橐恍┨囟ǖ脑O(shè)計(jì)項(xiàng)目，典型的設(shè)計(jì)流程包括設(shè)計(jì)項(xiàng)目編輯、綜合、仿真、適配、編程，顯得很不方便的問(wèn)題。本文 的內(nèi)容安排如下： 第一章簡(jiǎn)要地介紹了本文的研究背景和意義，以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀； 第二章詳細(xì)地介紹了 SSB 調(diào)制技術(shù)的原理，熟 悉和學(xué)習(xí) FPGA 技術(shù)，充分理解單邊帶調(diào)制系統(tǒng)的工作原理和在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用； 第三章從 Matlab 編程仿真到 Simulink 建模仿真，分別 采用 濾波法和相移法實(shí)現(xiàn)SSB 調(diào)制系統(tǒng)； 第四章設(shè)計(jì)基于 FPGA 的調(diào)制系統(tǒng)的各系統(tǒng)模塊。在 FPGA 設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)流水線和模塊化的方法構(gòu)造了正交振幅調(diào)制的調(diào)制系統(tǒng)，對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)如頻率合成、數(shù)字濾波、進(jìn)制轉(zhuǎn)換等模塊進(jìn)行研究并采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和綜合仿真。 3 2 SSB 的 調(diào)制技術(shù)原理 概述 一 般根據(jù)調(diào)制信號(hào)參數(shù)的不同，它有三種基本形式：振幅調(diào)制，頻率調(diào)制和相位調(diào)制。 幅度調(diào)制的特點(diǎn)是載波的頻率始終保持不變，它的振幅卻是變化的。它的振幅變化曲線稱之為包絡(luò)線，代表了要傳遞的信息。幅度調(diào)制的不足是抗干擾能力差，因?yàn)楦鞣N工業(yè)干擾和天電干擾都會(huì)以調(diào)幅的形式疊加在載波上，成為干擾和雜波。已調(diào)波稱為調(diào)幅波。調(diào)幅系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但抗干擾性差，傳輸時(shí)信號(hào)容易失真。已調(diào)波稱為調(diào)頻波。調(diào)頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)稍復(fù)雜，占用的頻帶遠(yuǎn)較調(diào)幅波為寬，因此必須 工作在超短波波段。 ⑶ 調(diào)相 (PM）： 調(diào)制信號(hào)控制載波的相位，與調(diào)制信號(hào)的載波相位變化。瞬時(shí)值的相位調(diào)制波的振幅成比例保持不變，從載波相位角偏差量調(diào)制的相位信號(hào)的瞬時(shí)相位調(diào)制波。在相位調(diào)制頻率也有相應(yīng)的改變，但這個(gè)頻率的變化并不與調(diào)制信號(hào)成比例。這兩個(gè)頻帶統(tǒng)稱為邊頻帶或邊帶 。位于低于側(cè)邊帶的載波頻率，稱為下邊帶。 單邊帶調(diào)制常用于有線載波電話和短波無(wú)線電多路通信 [1]。 SSB 的調(diào)制原理 單邊帶信號(hào) ( SSB) ,是調(diào)幅信號(hào)的 一種 ,它出自于調(diào)幅但是又區(qū)別于調(diào)幅。要說(shuō)明調(diào)幅波的頻譜特征得根據(jù)混頻的原理來(lái)講解，因?yàn)橐獪?zhǔn)確的掌握 SSB 的產(chǎn)生方法，只有清楚的知道調(diào)幅波的特征才可以。通常我們把兩個(gè)頻率的和、兩個(gè)頻率的差稱為上邊帶信號(hào)和下邊帶信號(hào)。 抑制載波的雙邊帶調(diào)幅 雖然節(jié)省了載波功率，但已調(diào)信號(hào)的頻帶寬度仍未調(diào)制信號(hào)的兩倍，與常規(guī)雙邊帶調(diào)幅時(shí)相同。這樣不僅可以節(jié)省載波功率，還可節(jié)省一半的傳輸頻帶。單邊帶調(diào)制是幅度調(diào)制中的一種。在波形上，幅度已調(diào)信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)的規(guī)律而呈正比地變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移。單邊帶調(diào)制（ SSB）信號(hào)是將雙邊帶信號(hào)中的一個(gè)邊帶濾掉而形成的。 本章小結(jié) 通過(guò)對(duì)單邊帶調(diào)制（ SSB）信號(hào)課題的研究背景以及調(diào)制技術(shù)原理的了解與學(xué)習(xí)，熟悉信號(hào)調(diào)制方式與調(diào)制方法，對(duì)研究流程有初步的了解，同時(shí)也學(xué)習(xí)了單邊帶調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所用到的仿真方法和軟件，為后面的課題設(shè)計(jì)做好鋪墊。 Matlab 譯于矩陣實(shí)驗(yàn)室 MATrix LABoratory 是用來(lái)提供通往LINPACK 和 EISPACK 矩陣軟件包接口的，后來(lái)它漸漸發(fā)展成了通用科技計(jì)算圖視交互系統(tǒng)和程序語(yǔ)言。利用 M 語(yǔ)言還開發(fā)了相應(yīng)的 MATLAB 專業(yè)工具箱函數(shù)供用戶直接使用。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今 國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 濾 波 器 1 濾 波 器 21c o s cwt 2c o s cwt()mSt? ?u (t) c 圖 31 濾波法產(chǎn)生 SSB 信號(hào)的原理框圖 頻域表示如圖 32： 6 圖 32 產(chǎn)生 SSB 信號(hào)的頻譜特性 工作原理：當(dāng)頻率較低的時(shí)候，濾波器具有陡峭的頻率，因此濾波器 1 是一個(gè)截止頻率點(diǎn)較低的低通或者高通濾波器，濾波器 2 是一個(gè)帶通濾波器，通常截止頻率點(diǎn)選的較高，調(diào)制的頻率需滿足： 12cw w w??。當(dāng)取上邊帶時(shí)，單邊帶信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為 ? ? ? ?c o s ( 3 2 )S S B cu t U w t? ? ? ? 取下邊帶時(shí)，時(shí)域表達(dá)式為 ? ? ? ?c o s ( 3 3 )S S B cu t U w t? ? ? ? 上下邊帶的選取決定于濾波器的選取。理想濾波特性是不可能做到的，實(shí)際濾波器從通帶到阻帶總有一個(gè)過(guò)渡帶。 隨著載波頻率的提高，采用一級(jí)調(diào)制直接濾波的辦法已不可能實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制，這時(shí)可以采用多級(jí)調(diào)制的辦法。 濾波法產(chǎn)生 SSB 信號(hào)進(jìn)行 Matlab 設(shè)計(jì)仿真 濾波法產(chǎn)生 SSB 信號(hào)進(jìn)行 Matlab 編程設(shè)計(jì)仿真如圖 33，其中調(diào)制信號(hào)頻率 fm=5KHZ；載波頻率 fc=100KHZ；調(diào)制信號(hào)幅度 A1=5；載波幅度 A2=10； 7 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1505調(diào)制信號(hào)0 20xx 4000 6000 80000100200300調(diào)制信號(hào)頻譜f ( H z )Pr(f) (w)0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 4 0 2 002040SSB 信號(hào)0 20xx 4000 6000 800005001000SSB 信號(hào)頻譜f ( H z )Pr(f) (w) 圖 33 濾波法 SSB 調(diào)制 Matlab 編程設(shè)計(jì)仿真 由圖 33 可以看出，已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)不呈比例，濾波法中的濾波器特性并不十分接近理想特 性，因?yàn)榛祛l后低頻分量與高頻分量之間的過(guò)渡帶不夠窄，在cw 處未達(dá)到銳截止特性。 可以用來(lái)對(duì)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對(duì)任何能夠用數(shù)學(xué)來(lái)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，其中包括連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動(dòng)，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等等。本文通過(guò)調(diào)用 simulink 中的功能模塊構(gòu)成數(shù)字濾波器的仿真框圖，在仿真過(guò)程中，可以雙擊各功能模塊，隨時(shí)改變參數(shù)，獲得不同狀態(tài)下的仿真結(jié)果。在以前， Matlab 工具往 往作為 DSP 算法的建模和基于純數(shù)學(xué)的仿真來(lái)使用，其數(shù)學(xué)模型無(wú)法為硬件 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)直接產(chǎn)生實(shí)用程序代碼，仿真測(cè)試的結(jié)果也僅僅是基于數(shù)學(xué)算法結(jié)構(gòu)。對(duì) DSP Builder 而言， MatLab/Simulink 整個(gè)開發(fā)流層幾乎可以在同一環(huán)境中完成，頂層的開發(fā)工具真正實(shí)現(xiàn)了自定向下的設(shè)計(jì)流程，包括 DSP 系統(tǒng)的建模、系統(tǒng)級(jí)的仿真、設(shè)計(jì)模型向 VHDL 硬件描述語(yǔ) 言代碼的轉(zhuǎn)換、 RTL （邏輯綜合RegisterTransferLevel） 級(jí)功能仿真測(cè)試、編譯適配和布局布線、時(shí)序?qū)崟r(shí)仿真直至對(duì)DSP 目標(biāo)器件的編程配置，整個(gè)設(shè)計(jì)流程一氣呵成地將系統(tǒng)描述和硬件實(shí)現(xiàn)有機(jī)地融合在一起，充分顯示了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化開發(fā)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。對(duì)一個(gè)模型進(jìn)行仿真，需要施加合適的激勵(lì)、一定得仿真步進(jìn)和仿真周期，添加合適的觀察點(diǎn)和觀察方式。連接好圖形，選擇 Simulink→start 命令，開始仿真，但仿真結(jié)束，雙擊 scope 模塊，打開 scope 觀察窗口。根據(jù)單邊帶調(diào)制的原理框圖，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行離散化采樣，然后構(gòu)造解析信號(hào)，分別與正交載波相乘，經(jīng)過(guò)巴特沃斯濾波器，最后將得到的單邊帶調(diào)制信號(hào)輸出，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析。 相移法產(chǎn)生單邊帶信號(hào) 因?yàn)槔硐氲臄?shù)字濾波器占用系統(tǒng)資源巨大，不 僅增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，且難于實(shí)現(xiàn)。 移相法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制不需要濾波器來(lái)抑制載波和邊帶頻率，節(jié)省頻率的帶寬，加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制的利用率，其原理框圖如圖 39 所示。希爾伯特變換 [7]是信號(hào)分析與處理中的重要理論工具，在通信系統(tǒng)中一般用來(lái)構(gòu)造解析信號(hào)。的相位變化而不影響頻譜分量的幅度，即對(duì)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換就相當(dāng)于對(duì)該信號(hào)進(jìn)行正交移相，使它成為自身的正交對(duì)。 從理論上講，這種實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制的方法回避了制作濾波特性陡峭的邊帶濾波器之困難，然而，在模擬系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)上述全通相移網(wǎng)絡(luò)也十分困難。但是在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中，要實(shí)現(xiàn)寬帶相移的希爾伯特濾波器卻是比較簡(jiǎn)單的事情。但是 , 無(wú)論哪種方法都需要通過(guò)計(jì)算對(duì)低通濾波器的系數(shù)進(jìn)2?? 12 行轉(zhuǎn)換 , 其計(jì)算繁瑣且存在一定的誤差。 信號(hào) ()xt 的希爾伯特變換可以看成是信號(hào) ()xt 通過(guò)一個(gè)幅度為 1 的全通濾波器輸出，信號(hào)通過(guò)希爾伯特變換器后，其負(fù)頻率成分作 + 90? 的相移，而正頻率成分作 90?的相移。如果濾波器的階數(shù)為奇數(shù) , 那么增益在頻率為 0HZ處必須降為零 , 希爾伯特濾波器必須是一個(gè)高通濾波器。當(dāng)調(diào)制信 號(hào)為確知的周期性信號(hào)時(shí)，由于它可以分解成許多頻率分量之和，因而只要相移 I 是一個(gè)寬帶的相移網(wǎng)絡(luò)，對(duì)每個(gè)頻率分量都能相移 2?? 。 函數(shù)的調(diào)用格式為： b = remez( n, f , m,chc) 或 b =firls( n, f , m,chc) ,其 中 , n 為濾波器的階數(shù)； f 為濾波器期望頻率特性的頻率向量標(biāo)準(zhǔn)化頻率 ,取值為 0 ~ 1,是遞增向量 ,允許定義重復(fù)頻點(diǎn)； m 為濾波器期望頻率特性的幅值向量 ,向量 m 和 f 必須同長(zhǎng)度并且為偶數(shù)； b 為函數(shù)返回的濾波器系數(shù) ,長(zhǎng)度為 n + 1,本文將采用 remez 函數(shù)法 [7]進(jìn)行編程。 相移法設(shè)計(jì) Simulink 建模仿真 相移法產(chǎn)生單邊帶調(diào)制信號(hào) Simulink 建模與仿真結(jié)果如圖 311 及圖 313： 圖 311 相移法設(shè)計(jì) Simulink 建模圖 其中濾波器設(shè)置與濾波法的濾波器 2 參數(shù)設(shè)置相同。 本章小結(jié) 從理論上分析得知， SSB 信號(hào)的抗噪聲性能比 DSB 信號(hào)要好，但由于 SSB 信號(hào)的輸入功率僅為 DSB 信號(hào)的一半，加上系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)濾波器的帶寬設(shè)計(jì)有待提高，因此整體的調(diào)制效果較差一些。 16 4 基于 FPGA 的 SSB 調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) FPGA 簡(jiǎn)介 圖 41 FPGA 結(jié)構(gòu)圖 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程 門陣列 [9]， 是在 PAL、GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展 出來(lái)的產(chǎn)物。 FPGA 采用了邏輯單元陣列（ LOA， Logic Cell Arry）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊（ CLB， Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊（ IOB， Input Output Block）和內(nèi)部連線（ Interconnect）三 個(gè)部分。 目前用硬件描述語(yǔ)言（ Verilog 或 VHDL）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合和布局，快速的燒錄至 FPGA 上進(jìn)行測(cè)試，是 現(xiàn)代 IC 設(shè)計(jì)驗(yàn)證最常用的方法。在大部分的 FPGA 里，這些可編輯的元件里也包含了記憶元件例如觸發(fā)器（ Flip－ flop）或者其他更加完整的記憶塊。一個(gè)出廠后的成品 FPGA 的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計(jì)者而改變，所以 FPGA 可以完成所需要的邏輯功能。但