基于fpga的qpsk调制解调的仿真及相关软件设计毕业设计
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1. 2 国内外研究状况及趋势
1.2.1数字调制解调技术的发展现状
数字信号调制是用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程，数字信号的调制设备包括数字信号处理（编码）单元和调制单元。
图1.1 数字通信调制系统框图
首先将模拟信号数字化，然而数字信号序列进行编码码流是不能或不适合直
1 引言
1．1研究背景
自1897年意大利科学家G.Marconi首次使用无线电波进行信息传输并获得成功后，在一个多世纪的时间中，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线通信的理论和技术不断取得进步，今天，无线移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一。
随着数字技术的飞速发展与应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越重要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字调制系统，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合信道传输的频带上数字调制信号有称为键控信号。在调制的过程中可用键控[1]的方法由基带信号对载频信号的振幅，频率及相位进行调制最基本的方法有三种：正交幅度调制（QAM）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
1)电路结构简单，易于调试；
2)可以使用复杂的算法，从而实现最佳的接收；
3)便于计算机辅助设计，实现电子设计自动化（EDA）；
4)易于集成和大规模生产，价格低廉。
QPSK是目前应用非常广泛的调制解调技术，目前QPSK调制的实现主要是利用数字电路和专用芯片来完成，通常利用可编程数字电路对基带信号进行码元变换，成形滤波等处理后得到同相分量和正交分量，然后将两路信号分量经过数模转换获得模拟信号送入一个正交相乘器与中频载波调制得到中频QPSK调制信号。该方法适合高码率数字信号的传输，但系统的开放性和灵活性较差。
数字调制信号又称为键控信号。调制过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制。最基本的方法有3种：正交幅度调制(QAM)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)．根据所处理的基带信号的进制不同分为二进制和多进制调制（M进制)。多进制数字调制与二进制相比，其频谱利用率更高。其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多进制相移键控)中应用最广泛的一种调制方式。本课题主要研究了基于FPGA的QPSK调制解调电路的实现方法，并给出了MAX+PLUSII环境下的仿真结果。
1.2.2FPGA的发展概况
FPGA/CPLD、DSP和CPU被称为未来数字电路系统的3块基石，也是目前硬件设计研究的热点[11]。过去的数字信号处理实现中，大多采用ASIC和DSP，但这类器件都有一定的缺陷。ASIC处理速度快，但开发成本高，而且内部功能不可改变，这样系统的可重构性差；DSP可以通过更改软件来改变其功能，其重构性好，但它的处理速度慢，逐渐跟不上越来越高的信号处理速度的要求。
接通过传输信道进行传输的，必须经过某种处理，使之变成适合在规定信道中传
输的形式。在通信原理上，这种处理称为信道编码，一般包括扰码，R-S编码，卷ຫໍສະໝຸດ Baidu
积交织，卷积编码这几部分；有关调制单元的调制类型的分类：
（1）按数据类型数字调制可分为二进制调制和多进制调制两种。
（2）按已调信号的结构形式可分为线性调制和非线性调制两种。
作为数字通信技术中重要组成部分的调制解调技术一直是通信领域的热点课题。随着当代通信的飞速发展，通信体制的变化也日新月异，新的数字调制方式不断涌现并且得到实际应用[2]。目前的模拟调制方式有很多种，主要有AM、FM、SSB、DSB、CW等，而数字调制方式的种类更加繁多，如ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、DPSK、QPSK、QAM等。如果产生每一种信号需要一个硬件电路甚至一个模块，那么能产生几种、十几种通信信号的通信机的电路将相当复杂，体积重量将会很大，而且要增加新的调制方式也是十分困难的。在众多调制方式中，四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)信号由于抗干扰能力强而得到了广泛的应用[3],[4]，具有较高的频谱利用率和较好的误码性能，并且实现复杂度小，解调理论成熟，广泛应用于数字微波、卫星数字通信系统、有线电视的上行传输、宽带接入与移动通信等领域中[5]，并已成为新一代无线接入网物理层和B3G通信中使用的基本调制方式[6]。现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)是20世纪9年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着电子设计自动化(ElectronDesign Automation EDA)技术和微电子技术的进步，FPGA的时钟延迟可达到ns级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面都有着非常广阔的应用前景[7]。FPGA具有高集成度、高可靠性等特点，在电子产品设计中也将得到广泛的应用。FPGA器件的另一特点是可用硬件描述语言VHDL对其进行灵活编程[8]，可利用FPGA厂商提供的软件仿真硬件的功能，使硬件设计如同软件设计一样灵活方便，缩短了系统研发周期。基于上述优点，用FPGA实现调制解调电路，不仅降低了产品成本，减小了设备体积，满足了系统的需要，而且比专用芯片具有更大的灵活性和可控性。在资源允许下，还可以实现多路调制。
（3）按数字调制方式分为调幅、调频和调相三种基本形式。
数字通信解调设备的构成如图1.2所示，主要包括解调单元、信码再生单元和译码单元。其中，载波同步和定时同步是解调器的2个核心单元，它们直接决定着解调器的误码性能。
图1.2 数字通信解调系统框图
在传统的数字通信系统中，接收机的解调单元都是用模拟处理方法和器件实现的。其中，共同之处在于使用了模拟滤波器、鉴相器（乘法器）和压控振荡器(VCO)。这种传统的模拟解调单元电路体积大、形式复杂；调试周期长而且受人为因素影响大；器件内部噪声大，易受环境影响，可靠性差；因此，这种传统的接收机不能完全发挥数字通信的优势，不能实现数字信号处理的最佳接收。解调单元的载波同步和定时同步将完全在数字部分完成，而模数转换器的位置决定了接收机的数字化程度。在全数字解调中，几乎所有的模拟解调单元和件都可以对应地找到它的数字化形式，如数字滤波器（FIR或IIR）、全数字乘法器和数控振荡器[9],[10]（NCO）等。但全数字解调并不是简单的将模拟解调中的器件全部数字化，它具有以下的特点：
1.2.1数字调制解调技术的发展现状
数字信号调制是用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程，数字信号的调制设备包括数字信号处理（编码）单元和调制单元。
图1.1 数字通信调制系统框图
首先将模拟信号数字化，然而数字信号序列进行编码码流是不能或不适合直
1 引言
1．1研究背景
自1897年意大利科学家G.Marconi首次使用无线电波进行信息传输并获得成功后，在一个多世纪的时间中，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线通信的理论和技术不断取得进步，今天，无线移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一。
随着数字技术的飞速发展与应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越重要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字调制系统，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合信道传输的频带上数字调制信号有称为键控信号。在调制的过程中可用键控[1]的方法由基带信号对载频信号的振幅，频率及相位进行调制最基本的方法有三种：正交幅度调制（QAM）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
1)电路结构简单，易于调试；
2)可以使用复杂的算法，从而实现最佳的接收；
3)便于计算机辅助设计，实现电子设计自动化（EDA）；
4)易于集成和大规模生产，价格低廉。
QPSK是目前应用非常广泛的调制解调技术，目前QPSK调制的实现主要是利用数字电路和专用芯片来完成，通常利用可编程数字电路对基带信号进行码元变换，成形滤波等处理后得到同相分量和正交分量，然后将两路信号分量经过数模转换获得模拟信号送入一个正交相乘器与中频载波调制得到中频QPSK调制信号。该方法适合高码率数字信号的传输，但系统的开放性和灵活性较差。
数字调制信号又称为键控信号。调制过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制。最基本的方法有3种：正交幅度调制(QAM)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)．根据所处理的基带信号的进制不同分为二进制和多进制调制（M进制)。多进制数字调制与二进制相比，其频谱利用率更高。其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多进制相移键控)中应用最广泛的一种调制方式。本课题主要研究了基于FPGA的QPSK调制解调电路的实现方法，并给出了MAX+PLUSII环境下的仿真结果。
1.2.2FPGA的发展概况
FPGA/CPLD、DSP和CPU被称为未来数字电路系统的3块基石，也是目前硬件设计研究的热点[11]。过去的数字信号处理实现中，大多采用ASIC和DSP，但这类器件都有一定的缺陷。ASIC处理速度快，但开发成本高，而且内部功能不可改变，这样系统的可重构性差；DSP可以通过更改软件来改变其功能，其重构性好，但它的处理速度慢，逐渐跟不上越来越高的信号处理速度的要求。
接通过传输信道进行传输的，必须经过某种处理，使之变成适合在规定信道中传
输的形式。在通信原理上，这种处理称为信道编码，一般包括扰码，R-S编码，卷ຫໍສະໝຸດ Baidu
积交织，卷积编码这几部分；有关调制单元的调制类型的分类：
（1）按数据类型数字调制可分为二进制调制和多进制调制两种。
（2）按已调信号的结构形式可分为线性调制和非线性调制两种。
作为数字通信技术中重要组成部分的调制解调技术一直是通信领域的热点课题。随着当代通信的飞速发展，通信体制的变化也日新月异，新的数字调制方式不断涌现并且得到实际应用[2]。目前的模拟调制方式有很多种，主要有AM、FM、SSB、DSB、CW等，而数字调制方式的种类更加繁多，如ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、DPSK、QPSK、QAM等。如果产生每一种信号需要一个硬件电路甚至一个模块，那么能产生几种、十几种通信信号的通信机的电路将相当复杂，体积重量将会很大，而且要增加新的调制方式也是十分困难的。在众多调制方式中，四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)信号由于抗干扰能力强而得到了广泛的应用[3],[4]，具有较高的频谱利用率和较好的误码性能，并且实现复杂度小，解调理论成熟，广泛应用于数字微波、卫星数字通信系统、有线电视的上行传输、宽带接入与移动通信等领域中[5]，并已成为新一代无线接入网物理层和B3G通信中使用的基本调制方式[6]。现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)是20世纪9年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着电子设计自动化(ElectronDesign Automation EDA)技术和微电子技术的进步，FPGA的时钟延迟可达到ns级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面都有着非常广阔的应用前景[7]。FPGA具有高集成度、高可靠性等特点，在电子产品设计中也将得到广泛的应用。FPGA器件的另一特点是可用硬件描述语言VHDL对其进行灵活编程[8]，可利用FPGA厂商提供的软件仿真硬件的功能，使硬件设计如同软件设计一样灵活方便，缩短了系统研发周期。基于上述优点，用FPGA实现调制解调电路，不仅降低了产品成本，减小了设备体积，满足了系统的需要，而且比专用芯片具有更大的灵活性和可控性。在资源允许下，还可以实现多路调制。
（3）按数字调制方式分为调幅、调频和调相三种基本形式。
数字通信解调设备的构成如图1.2所示，主要包括解调单元、信码再生单元和译码单元。其中，载波同步和定时同步是解调器的2个核心单元，它们直接决定着解调器的误码性能。
图1.2 数字通信解调系统框图
在传统的数字通信系统中，接收机的解调单元都是用模拟处理方法和器件实现的。其中，共同之处在于使用了模拟滤波器、鉴相器（乘法器）和压控振荡器(VCO)。这种传统的模拟解调单元电路体积大、形式复杂；调试周期长而且受人为因素影响大；器件内部噪声大，易受环境影响，可靠性差；因此，这种传统的接收机不能完全发挥数字通信的优势，不能实现数字信号处理的最佳接收。解调单元的载波同步和定时同步将完全在数字部分完成，而模数转换器的位置决定了接收机的数字化程度。在全数字解调中，几乎所有的模拟解调单元和件都可以对应地找到它的数字化形式，如数字滤波器（FIR或IIR）、全数字乘法器和数控振荡器[9],[10]（NCO）等。但全数字解调并不是简单的将模拟解调中的器件全部数字化，它具有以下的特点：