畢業設計-基于fpga的數字調制器的實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，具有較好的通用性和可實現性。 本文主要工作： (1) 通過查閱相關文獻，掌握了多種數字調制技術 (ASK、 PSK 類、 FSK 類、 QAM等 )的原理及 目前主要實現方法 ， 結 合 DDS 技術 完成了調制器實現方案設計。 (2) 在 QuartusⅡ開發環境下，實現了 2ASK、 2FSK、 2PSK、 QPSK、 DQPSK、OQPSK、 π /4QPSK、 QAM、 MSK、 GMSK 等 10 種數字調制方式 。 并 對 FPGA 芯片(EP1C6Q240C8)編程下載，在硬件平臺上對于各種數字調制方式進行 實際運行和測試 ，經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。 (3) 完成了調制器硬件平臺的設計，利用 Protel DXP 進行了原理圖和 PCB 板圖的繪制。 (4) 對數字調制器實測結果進行分析 ，最后給出結論。 北京化工大學畢業設計 (論文 ) 6 第 2 章 數字調制原理 第 節 概 述 數字調制技術的基本原理是用數字基帶信號 0 與 1 去控制正弦載波中的一個或多個參量，把比特率為 R(bit/s)的二進制數字序列變換為適當的中頻或射頻信號 [1]。數字信號調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制技術：包括多進制數字調制技術和 改進的數字調制技術 等。 數字調制技術有多種分類方式：從已調信號相位是否連續角度可分為相位不連續調制和相位連續調制；從 已調 信號包絡是否恒定角度可分為恒定包絡調制和非恒定包絡調制。如 圖 21 所示 圖 21 數字調制方式分類 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。同時， 必須考慮調制解調器的可實現性： 如采用恒定包絡調制技術，則可采用限幅器、低成本非線性高放器件；而對于非恒包絡技術，則需采用成本 較高的線性高放器件。此外，還必須考慮調制器和解調器本身的復雜性： 如采用相干解調和非相干解調等。 北京化工大學畢業設計 (論文 ) 7 綜上所述，調制技術研究的主要內容包括：調制的原理、已調信號的頻譜特性 及其產生方法等。因此，本文將從以上幾個方面討論 圖 21 所示幾種調制方式的工作原理 [6]。 第 節 二進制數字調制原理 常見的二進制數字調制方式包括 ASK、 BPSK、 DPSK、 BFSK 四 種調制方式，下面分別討論這 四 種數字調制的原理。 (1) 振幅鍵控 (ASK) ASK 又名二進制通斷鍵控 (OOK)調制， 信號形式為： (21) ??na 為單極性二進制數字序列 。 實現框圖如圖 22 所示： 圖 22 ASK 調制框圖 已調信號功率譜密度如下 ： (22) (2) 移相鍵控 (BPSK) BPSK 信號形式為： (23) ??na 為雙極性二進制數字序列 。 實現框圖如圖 23 所示： 圖 23 BPSK 調制框圖 在 +1 或 1 等概出現時 已調 信號功率譜密度同 公式 (22)。 )]()([4)( 2 cscsA SK ffPffPAfP ????tnTtgaAS sTnA SK ?c os])([ ????? ??tnTtgaAS sTnB P SK ?c os])([ ????? ??北京化工大學畢業設計 (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 調制。亦即利用載波的前后相位差來傳遞當前絕對碼 { nb }。實現框圖如 圖 24： 圖 24 DPSK 調制框圖 DPSK 信號與 BPSK 信號具有相同的功率譜密度。 (4) 移頻鍵控 (BFSK) BFSK 信號形式： (24) 實現框圖如 圖 25： (a) ( b) 圖 25 FSK 調制框圖 (a)非連續相位 (b)連續相位 信號功率譜密度如下： (25) 第 節 多進制數字調制原理 實際中許多數字通信系統常常采用多進制數字調制，與二進制數字調制不同的是：多進制數字調制是利用多進制數字基帶信號去調制載波的振幅、頻率或相位。因此，相應地有多進制數字振幅調制、多進制數 字頻率調制和多進制數字相位調制三種基本方式以及該三種基本方式的組合形式。 )]()([4)]()([4)( 222112 ffPffPAffPffPAfP ssssF SK ????????北京化工大學畢業設計 (論文 ) 9 多進制數字頻率調制原理 MFSK 是 2FSK 的擴展。通常設計為 M 個正交的載波。發射頻率為 )..2,1( Mifi ?的正弦波用以表達 M 進制符號中的第 i 種符號。 實現框圖如圖 26，它根據 K 比特輸入從 KM 2? 個頻率中選擇一個發送： 圖 26 MFSK 調制框圖 設碼元持續時間為 sT ，則保持正交性的最小頻率間隔為sT21。則 MFSK 的主瓣帶寬為 (26) 功率譜密度 分布如圖 27： 圖 27 4FSK 信號功 率譜密度 多進制數字相位調制原理 多進制數字相位調制是利用載波的多種不同相位 (或相位差 )來表示數字信息的調制方式。本文將以四相制數字調制方式來討論多進制數字調制方式的原理。 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字信息。 sssTncsTQ P SK TntnT ttnTtAgtnTtAgtS )1( )s i ns i nc os)(c os()c os ()()( ??? ?????? ??????ssss fMTMTTMB 2 32 3122 1 ????????北京化工大學畢業設計 (論文 ) 10 (27) 其中 (A 方式 )或 (B 方式 ) B 方式 格雷碼映射星座圖如圖 28： 圖 28 B 方式格雷映射星座圖 將以上星座圖 向右 旋轉 45176。 ，即可得到 A 方式的格雷碼映射星座圖。 實現框圖如圖 29： 正交調制法 相位選擇法 圖 29 QPSK 調制框圖 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。 ② 差分四相移相鍵控 (DQPSK)與π /4DQPSK 調制原理 為克服 QPSK 信號解調過程中的相位模糊 ，可采用 DQPSK 調制。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。 對輸入絕對碼流串并轉換后進行四進制差分編碼，然 后通過 QPSK 調制器即可獲得已調信號。當對編碼信號進行 A 方式的 QPSK 調制時，可獲得 DQPSK 調制信號；當進行 B 方式的 QPSK 調制時，可獲得π /4DQPSK 調制信號。 四進制差分編碼原理圖如圖 210： ??? ?????? 4,43,43,4 ????? n??? ???? 23,2,0 ????n北京化工大學畢業設計 (論文 ) 11 圖 210 四進制差分編碼框圖 DQPSK 信號具有和 QPSK 信號相同的頻譜特性；而π /4DQPSK 將 QPSK 的最大相位跳變177。π降 為177。 3π /4，從而改善了 DQPSK 的頻譜特性。 ③ 交錯四相移相鍵控 (OQPSK) OQPSK 調制與 QPSK 調制不同之處在于，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據不會同時發生變化，因而僅能產生177。π /2 的相位跳變，具有較低的頻譜旁瓣。 圖 211 QPSK 和 OQPSK 的星座圖和相位轉移圖 (a)QPSK 。 (b)OQPSK 實現框圖如圖 212： 圖 212 OQPSK 調制實現框圖 正交振幅調制原理 (QAM) 正交振幅調制是 BPSK 和 QPSK 的進一步推廣，通過振幅和相位的聯合控制，可以得到更高頻譜效率的調制方式。 北京化工大學畢業設計 (論文 ) 12 調制框圖如 圖 213： 圖 213 QAM 調制框圖 16QAM 矩形星座圖如圖 214： 圖 214 16QAM 矩形星座圖 從星座圖看出， 16QAM 用 16 個點的星座位置來代表十六進制的 16 種數據信號，它有 12 種的相位， 3 種振幅，它抗誤碼能力遠大于 16PSK 信號。這也正是目前它廣泛應用于各種通信系統的原因。 第 節 恒包絡連續相位 數字調制原理 最 小移頻鍵控原理 (MSK) MSK 是一種特殊形式的 FSK,其頻差是滿足兩個頻率相互正交 (相關系數為零 )的最小頻差，并要求 FSK 信號的相位連續。 相位連續的 2FSK 信號的兩頻率 之間的互相關系數是兩載頻的頻率間隔)2( 21 fff ??? 的函數，如圖 2178。 15 所示。 北京化工大學畢業設計 (論文 ) 13 (28) 圖 215 2FSK 兩信號的互相關系數 ? 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 (29) 其調制指數為 (210) MSK 信號表達式： (211) 若 na 取＋ 1，則 若 na 取－ 1，則 其中 此 nx 值要確保 MSK 信號在 t＝ nTb 時刻的載波相位 )(t? 連續，經推導得 ?????? ,3,2,1,0 ,0 nx n ?或 可利用圖 216 的調頻器來產生 MSK 信號。 圖 216 利用 h＝ 的 VCO 產生 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 ???? ??北京化工大學畢業設計 (論文 ) 14 高斯最小移頻鍵控原理 (GMSK) MSK 調制的主要優點是信號具有恒定振幅和信號功率譜密度在主瓣外衰減得較快。然而，在某些通信場合，如移動通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴格，要求對鄰近信道的衰減達 60dB 以上。因此，近 年 來對 MSK 信號作些改進，如 將輸入信號經過濾波以后 等 再送入 FM 調制，從而改善已調信號的帶外特性 。 GMSK 信號就是通過在 MSK 調制器前加入高斯低通濾波器 (預調制濾波器 )而產生的，如 圖 217： 圖 217 GMSK 調制框圖 GMSK 調制器輸出已調波頻譜由預調制濾波器的特性控制，因 此實現 GMSK 調制的關鍵是預調制濾波器的設計。 為使輸出頻譜密集，預調制濾波器必須具備以下特性 [7]：