04020106吴三

工学硕士学位论文FPGA 技术在软件无线电中的应用黑龙江科技学院2007年6月硕士研究生：吴 三 指导教师：赵金宪 副教授 学科、专业：电力电子与电力传动分类号：TN713.7 密级：公开U D C：621.3 单位代码：10219 FPGA技术在软件无线电中的应用硕士研究生：吴三指导教师：赵金宪副教授学位级别：硕士学科、专业：电力电子与电力传动论文提交日期：2007年4月论文答辩日期：2007年6月学位授予单位：黑龙江科技学院A Dissertation for the Degree of M. Eng The Application of FPGA Technology inSoftware RadioCandidate : WU SanSupervisor : ZHAO Jinxian Associate Prof.Specialty : Power Electronic and Power DrivesHeilongjiang Institute of Science and TechnologyHarbin, P.R. China, 150027April 2007黑龙江科技学院学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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研究生签名：导师签名：日期：黑龙江科技学院硕士学位论文摘要软件无线电(SDR)是具有可重配置硬件平台的无线设备，可以跨多种通信标准。

因为具有更低的成本、更大的灵活性和更高的性能，软件无线电已迅速成为军事、公共安全和商用无线领域的事实标准。

而FPGA(Field Programable Gate Array)技术具有系统可重配置与硬件可重构性、高速与高可靠性等优点，能有效地克服传统DSP技术在软件无线电实现上的技术瓶颈，使软件无线电的实现成为可能。

本文主要探讨了FPGA技术在软件无线电QPSK(Quadrature Phase-shift Keying)调制解调中的应用，首先详细介绍了软件无线电的概念、特征、体系结构及其FPGA在软件无线电中的应用，然后利用SystemView软件完成了QPSK调制解调系统的建模和仿真，并对软件无线电中调制解调中的关键模块进行了FPGA实现，最后用Altera公司生产的FPGA可编程逻辑器件为系统设计了一个验证平台，该平台基于FPGA的Nios II软核处理器，有力地验证了在FPGA内实现软件无线电技术的可行性和应用的灵活性，并对将来的扩展问题进行了研究和讨论，为实现完整的软件无线电系统奠定了基础。

关键词：软件无线电；FPGA；调制；解调；QPSK；Quartus II黑龙江科技学院硕士学位论文ABSTRACTThe software radio is the wireless equipment with hardware platform of reconfigurationable, can across with several of communicational standards. Because of less cost, more flexibility and better properties, the software radio is becoming quickly the actual criterion of military affairs, public security and commercial wireless territory. FPGA technology overcomes efficiently many technology bottlenecks in traditional DSP and makes it possible to realize the software radio.The application of FPGA technology in realizing QPSK modulation and demodulation of software radio is studied in detail. The concept and characteristic of software radio is introduced in first, the architecture and the application of FPGA chip in software radio is described also. After that, the model building and simulation in QPSK modulation demodulation system is finished by System View software, also, the key modules of modulation demodulation system are realized on FPGA in software radio system. In the end, the software radio’s experiment platforms based on NIOS II soft-mucleator processor on FPGA by produced in Altera is designed. It verifies adequatly feasibility and flexibility of realizing software radio technology on FPGA chip, the future expansion’s problem is also studied and discussed, this will establish the position for implementation of complete software radio system.KEYWORD: Software Radio；FPGA；modulation；demodulation；QPSK；Quartus II黑龙江科技学院硕士学位论文目录第一章绪论 (1)1.1论文的研究背景及意义 (1)1.2FPGA及其设计方法 (3)1.2.1FPGA概述 (3)1.2.2FPGA的基本结构 (6)1.2.3FPGA设计方法 (7)1.3本文章节安排 (9)第二章软件无线电原理简介 (10)2.1软件无线电简介 (10)2.1.1软件无线电特点 (10)2.1.2软件化程度的衡量 (11)2.2软件无线电的结构分析 (12)2.2.1射频全宽开低通采样软件无线电结构 (12)2.2.2射频直接带通采样软件无线电结构 (14)2.2.3宽带中频带通采样软件无线电结构 (18)2.3FPGA在软件无线电中的应用 (20)2.3.1FPGA在软件无线电中的作用 (20)2.3.2FPGA与其它方案的比较 (21)2.3.3FPGA的局限性及解决办法 (25)2.4本章小结 (26)第三章QPSK系统设计与仿真 (27)3.1软件无线电中的调制解调系统分析 (27)3.1.1调制解调概述 (27)3.1.2QPSK调制解调原理 (29)3.2QPSK系统的仿真 (30)3.2.1动态系统仿真软件简介 (30)3.2.2QPSK系统的仿真 (32)3.3调制解调系统的硬件实现 (35)黑龙江科技学院硕士学位论文3.3.1调制解调系统的FPGA实现 (35)3.3.2系统硬件实现中各关键模块的作用 (35)3.4本章小结 (38)第四章调制解调核心模块的FPGA设计 (39)4.1PN序列模块 (39)4.216位流水线加法器的设计 (41)4.3数字混频器的设计 (43)4.4FIR滤波器的DA算法实现 (45)4.5数控振荡器的设计 (49)4.6本章小结 (52)第五章系统验证平台的设计 (53)5.1整体实验环境设计 (53)5.2硬件平台设计 (55)5.2.1Cyclone II FPGA系列简介 (55)5.2.2FPGA系统设计结构 (56)5.2.3实验电路板设计 (57)5.3设计中注意的问题 (62)5.3.1FPGA内信号线位宽的选择 (62)5.3.2时钟频率和速度匹配问题 (63)5.4本章小结 (63)结论 (64)致谢 (66)参考文献 (67)作者简介 (70)部分关键模块源代码 (71)黑龙江科技学院硕士学位论文第一章绪论近年来，FPGA工艺发展很快，其工作时钟频率也不断增高，使芯片的处理能力增强。

基于这样的发展，FPGA已经成为实现软件无线电数字信号处理的一种非常有效的选择。

FPGA内部结构可以实现高速的数据处理过程，而它灵活的可重构性能可保证系统能够实现在线重构，使系统具有高度的灵活性，当设备需要增加新的无线接口时，不需要增加新的FPGA芯片，而只需将现有FPGA的内部逻辑重构就可以了，这样就降低了设备的成本，缩短了开发周期，正是因为它的这些优点，FPGA在软件无线电技术的研究和设备开发中正在发挥越来越重要的作用。

本文对FPGA在软件无线电信号处理中的应用进行了研究，重点是对软件无线电QPSK调制解调的FPGA实现进行了研究。

1.1论文的研究背景及意义无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。

当代无线通信系统很多，无线通信系统的调制方式也很多，各种通信系统由于自身的特点而应用于不同的场合，传统无线电台的全部功能都由硬件实现，只能工作于单一频段，单一的调制方式，电台之间的差异极大地限制了不同电台之间的互通互连。

在全球信息化时代，这些缺陷极大地阻碍了军事，民用通信的进一步发展。

为了解决互通性问题，各国军方都进行了积极的探索，努力使不同设备既能满足互通的要求，又能满足抗干扰、保密性好的要求，既能使通信设备跟上无线电飞速发展的步伐，又能延长设备的使用寿命。