【正文】 (4) 利用 VHDL 語言對 各 功能模塊編程，并完成軟件仿真。 (8) 對多種數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能進行比較 分析 (9) 編寫畢業(yè)論文 3．主要參考文獻 [1] 潘松，黃繼業(yè)． EDA 技術實用教程 [M]．第二版．北京：科學出版社， 2021． [2] 郭梯云，鄔國揚，李建東．移動通信 [M]．修訂版．西安：西安電子科技大學 出版社， 2021． [3] 蘇小妹 ． 軟件無線電系統(tǒng)的研究及其 FPGA 實現(xiàn) [D]． 湖南 ： 湖南 大學 ， 2021． [4] 陽晰．高速數(shù)字調(diào)制解調(diào) [D]．成都：電子科技大學， 2021． [5] 韋維，畢存強，吳興潔 ． 淺談移動通信系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制技 術 [J]．無線電技術與信息 ， 2021(10)： 6669． [6] ALFREDO LINZ, ALAN HENDRICKSON． Efficient Implementation of an IQ 北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) III GMSK Modulator[J]． IEEE TRANSACTION ON CIRCUITS AND SYSTEMS, 1996,43(1)： 1423． [7] ABHIJIT PATAIT ． Efficient GMSK Modulator Targets GSM Design[EB/OL].(20210322). Efficient GMSK Modulator Targets GSM ． [8] ALTERA CORPORATION. Cyclone Device Handbook[Z]. 2021． 4． 進度安排 設計 (論文 )各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱資料并掌握數(shù)字調(diào)制原理及實現(xiàn)方法 2 月 20 日 3 月 20 日 2 數(shù)字調(diào)制器硬件電路設計 3 月 21 日 4 月 20 日 3 各功能模塊 VHDL 編程 5 月 1 日 5 月 10 日 4 軟件仿真及 系統(tǒng) 調(diào)試 5 月 11 日 5 月 25 日 5 畢業(yè)論文的編寫 5 月 26 日 6 月 10 日 6 英文資料翻譯 學期過程中自行安排 北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) IV 摘 要 本文 實現(xiàn) 了基于 FPGA技術 的多種 數(shù)字調(diào)制器 。同時 還可 作為由 MCU控制的任意波形發(fā)生器。最后給出了本系統(tǒng)的測試結果，并對結果進行分析。載波頻率最高可達 20MHZ，頻率分辨率為 。 本系統(tǒng)集 FPGA和 DDS技術優(yōu)勢于一身，可任意設置已調(diào)信號的頻率、相位和幅度，轉(zhuǎn)換時間為納秒級，具有很高的轉(zhuǎn)換精度和較低的相位噪聲；同時還具有速度快、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。但多種無線通信標準和體制之間無法兼容的弊端也嚴重制約著通信技術的發(fā)展。 DDS 技術作為軟件無線電技術之一，近年來取得飛速發(fā)展，它在工作頻率范圍、頻率轉(zhuǎn)換速度、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨率以及易集成化等一系列性能方面，遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成水平，獲得廣泛應用 [2]。隨著 FPGA 成本的降低及設計工具的發(fā)展， FPGA 器件獲得廣泛應用，既能實現(xiàn)高性能的 DSP 應用，又降低了專用 ASIC 的風險和前期成本，成為數(shù)字信號處理硬件實現(xiàn)的比較好的選擇方案 [3]。 本文在查閱大量資料，了解當前軟件無線電發(fā)展背景的基礎上，將 DDS 技術和FPGA 技術結合起來， 進行了軟件編程及硬件平臺的設計，實現(xiàn)了基于 FPGA 的多種數(shù)字調(diào) 制器， 并對本系統(tǒng)進行了實際測試，與理論結果基本一致。第五章給出了本系統(tǒng)的實測結果，并對結果進行分析；最后，對全文進行總結。面對移動用戶群的持續(xù)增長和新業(yè)務的層出不窮，移動通信體系要及時適應甚至超前于市場需求的步伐。 移動通信對調(diào)制技術的主要要求是：已調(diào)信號的頻譜窄和帶外衰減快 (即頻譜利用率高 )；易于采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)；抗噪聲和抗干擾能力強；以及適宜在衰落信道中傳輸。此處所謂“線性”，是指這類調(diào)制技術要求通信設備從頻率變換到放大和發(fā)射的過程中保持充分的線性。 (2) 恒定包絡 (連續(xù)相位 )調(diào)制技術。這類調(diào)制技術的優(yōu)點是已調(diào)信號具有相對窄的功率譜，并且對放大器件沒有線性要求，不足之處是其頻譜利用率通常低于線性調(diào)制技術。 80年代初，由于線性高放未取得突 破性進展，人們大多把注意力集中在恒包絡調(diào)制技術(如 GSM采用 GMSK)，但 80年代中期以后，隨著線性高放的發(fā)展，人們著重采用了 QPSK之類的線性數(shù)字調(diào)制技術。 4QAM、16QAM、 64QAM以致 256QAM都在微波通信中獲得成功應用。 隨著對通信技術的要求越來越高，多載波調(diào)制 (MCM)技術中的正交頻分復用(OFDM)調(diào)制技術、離散小波多音調(diào)制 (DWMT)技術等，也越來越多地應用到移動通信中。1 所示： 表 1 (1) 采用 FPGA 技術實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制器的設計。 FPGA 因其低成本、低功耗、可重構性、高靈活性、高數(shù)據(jù)吞吐量等諸多優(yōu)越性能而備受青睞。2 和表 1 從表 1雖然近 20 年來， DSP 性能得到不斷提高，但要達到千兆赫量級的時鐘速度，所要求的功耗仍然很高，并且由表 1 近年來， FPGA 具備了日益強大的嵌入式處理核。 北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 4 表 13 FPGA 芯片和 DSP 芯片比較 [6] 方面 FPGA芯片 DSP 芯片 編程語言 VHDL,Verilog,Schematic C，匯編語言 軟件編程的難度 易，但需弄清硬件結構 易 可重構性 SRAM 型 FPGA可無數(shù)次重構 通過改變 MEMORY 內(nèi)容來重構 實現(xiàn)濾波算法 并行乘法器 /加法器 獨立 MAC 單元的重復操作 MAC 速度 并行算法快，不受抽頭系數(shù)的影響 受 MAC 單元操作速度的限制，而且與濾波器的抽頭系數(shù)有關 并行處理 可以采用并行處理提高性能 通常串行操作，不能進行并行處理 (2) 采用 DDS 技術的數(shù)字調(diào)制器的設計 DDS 問世之初，由于元器件速度限制并未引起重視。與傳統(tǒng)頻率合成技術相比，通過預置相位累加器的初始值和改變相位間隔，可精確 控制合成信號的相位和頻率，易于實現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制方式。如 Qualm 公司推出的 DDS 系列 Q22 Q22 Q233 Q22 Q2368等； AD 公司相繼推出的 AD9850、 AD985可實現(xiàn)線性調(diào)頻的 AD985以 DDS 為核心的 QPSK 調(diào)制器 AD9853 以及兩路正交 輸出的 AD9854 等 [2]。對于 DDS 用于調(diào)制技術的研究與應用也剛剛起步。在 FPGA器件構造的硬件平臺上，結合 DDS 技術，實現(xiàn)了軟件無線電數(shù)字調(diào)器。 北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 5 第 節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容 本文實現(xiàn)了 基于 FPGA 的數(shù)字調(diào)制器 ，完成了軟硬件設計。 本文主要工作： (1) 通過查閱相關文獻，掌握了多種數(shù)字調(diào)制技術 (ASK、 PSK 類、 FSK 類、 QAM等 )的原理及 目前主要實現(xiàn)方法 ， 結 合 DDS 技術 完成了調(diào)制器實現(xiàn)方案設計。 并 對 FPGA 芯片(EP1C6Q240C8)編程下載，在硬件平臺上對于各種數(shù)字調(diào)制方式進行 實際運行和測試 ，經(jīng)過示波器觀測和頻譜分析儀分析 ，功能和技術指標均滿足任務書要求。 (4) 對數(shù)字調(diào)制器實測結果進行分析 ，最后給出結論。數(shù)字信號調(diào)制的基本類型分為振幅鍵控 (ASK)、頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK)，此外還有許多有基本類型改進或綜合而獲得的新型調(diào)制技術：包括多進制數(shù)字調(diào)制技術和 改進的數(shù)字調(diào)制技術 等。如 圖 21 數(shù)字調(diào)制方式分類 針對 移動通信信道的兩大基本特征為帶寬有限、干擾和噪聲影響大 ， 已調(diào)信號應具有較高的頻譜利用率和較強的抗干擾、抗衰落能力。此外，還必須考慮調(diào)制器和解調(diào)器本身的復雜性： 如采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)等。因此，本文將從以上幾個方面討論 圖 2 第 節(jié) 二進制數(shù)字調(diào)制原理 常見的二進制數(shù)字調(diào)制方式包括 ASK、 BPSK、 DPSK、 BFSK 四 種調(diào)制方式，下面分別討論這 四 種數(shù)字調(diào)制的原理。1) ??na 為單極性二進制數(shù)字序列 。2 所示： 圖 22) (2) 移相鍵控 (BPSK) BPSK 信號形式為： (2 實現(xiàn)框圖如圖 23 BPSK 調(diào)制框圖 在 +1 或 1 等概出現(xiàn)時 已調(diào) 信號功率譜密度同 公式 (2 )]()([4)( 2 cscsA SK ffPffPAfP ????tnTtgaAS sTnA SK ?c os])([ ????? ??tnTtgaAS sTnB P SK ?c os])([ ????? ??北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 8 bBFSK TttfAtstfAtstS ????? ??? 02cos)( 2cos)()(2211 “空號”“傳號”??(3) 差分移相鍵控 (DPSK) 為克服 BPSK 信號接 收 端的相位模糊，可對基帶信號進行差分編碼， 然 后進行BPSK 調(diào)制。實現(xiàn)框圖如 圖 24 DPSK 調(diào)制框圖 DPSK 信號與 BPSK 信號具有相同的功率譜密度。4) 實現(xiàn)框圖如 圖 25 FSK 調(diào)制框圖 (a)非連續(xù)相位 (b)連續(xù)相位 信號功率譜密度如下： (2因此，相應地有多進制數(shù)字振幅調(diào)制、多進制數(shù) 字頻率調(diào)制和多進制數(shù)字相位調(diào)制三種基本方式以及該三種基本方式的組合形式。通常設計為 M 個正交的載波。 實現(xiàn)框圖如圖 26 MFSK 調(diào)制框圖 設碼元持續(xù)時間為 sT ，則保持正交性的最小頻率間隔為sT21。6) 功率譜密度 分布如圖 27 4FSK 信號功 率譜密度 多進制數(shù)字相位調(diào)制原理 多進制數(shù)字相位調(diào)制是利用載波的多種不同相位 (或相位差 )來表示數(shù)字信息的調(diào)制方式。 ① 四相絕對移相鍵控 (QPSK) QPSK 是利用載波的四種不同相位來表示數(shù)字信息。7) 其中 (A 方式 )或 (B 方式 ) B 方式 格雷碼映射星座圖如圖 28 B 方式格雷映射星座圖 將以上星座圖 向右 旋轉(zhuǎn) 45176。 實現(xiàn)框圖如圖 29 QPSK 調(diào)制框圖 在 QPSK 的碼元速率與 PSK 信號的比特速率相等的情況下， QPSK 信號是兩個PSK 信號之和，因此具有和 PSK 信號相同的頻譜特征和誤比特性能。它是利用在當前四進制符 號的載波相位 n? 與前一個四進制符號的載波相位 1?n? 之相位差 ?? 來傳遞當前絕對碼的雙比特碼。當對編碼信號進行 A 方式的 QPSK 調(diào)制時，可獲得 DQPSK 調(diào)制信號；當進行 B 方式的 QPSK 調(diào)制時，可獲得π /4DQPSK 調(diào)制信號。10： ??? ?????? 4,43,43,4 ????? n??? ???? 23,2,0 ????n北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 11 圖 2π降 為177。 ③ 交錯四相移相鍵控 (OQPSK) OQPSK 調(diào)制與 QPSK 調(diào)制不同之處在于，在正交支路引入了一個比特的時延，從而使得兩個支路的數(shù)據(jù)不會同時發(fā)生變化，因而僅能產(chǎn)生177。 圖 2 (b)OQPSK 實現(xiàn)框圖如圖 212 OQPSK 調(diào)制實現(xiàn)框圖 正交振幅調(diào)制原理 (QAM) 正交振幅調(diào)制是 BPSK 和 QPSK 的進一步推廣，通過振幅和相位的聯(lián)合控制，可以得到更高頻譜效率的調(diào)制方式。13： 圖 214： 圖 2這也正是目前它廣泛應用于各種通信系統(tǒng)的原因。 相位連續(xù)的 2FSK 信號的兩頻率 之間的互相關系數(shù)是兩載頻的頻率間隔)2( 21 fff ??? 的函數(shù)，如圖 2178。 北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 13 (215 2FSK 兩信號的互相關系數(shù) ? 與兩載頻間隔 f?2 之間的關系 兩頻率 正交時的最小頻率間隔 為 (210) MSK 信號表達式： (216 的調(diào)頻器來產(chǎn)生 MSK 信號。16 利用 h＝ 的 VCO 產(chǎn)生 MSK 信號 bTff 2112 ?? 21212 ????bbb RTRfh????? ?? 1 22 nK nKn anax ?? bc Tff 411 ?? bc Tff 412 ?? ]2cos [)( nnbcMSK xtaTtAtS ??? ??])2(2[)2( bb TfSawTSa ???? ??北京化工大學畢業(yè)設計 (論文 ) 14 高斯最小移頻鍵控原理 (GMSK)