基于FPGA單邊帶調制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文設計.doc

本科本科畢業(yè)論畢業(yè)論文 文 設計設計 題題 目 目 基于基于 FPGA 單邊帶調單邊帶調制系制系統(tǒng)統(tǒng)的的設計設計 學生姓名 學生姓名 指指導導教教師師 所在分院 所在分院 專專 業(yè)業(yè) 班班 級級 二二 O 一三年五月一三年五月 基于基于 FPGA 單邊帶調制系統(tǒng)的設計單邊帶調制系統(tǒng)的設計 摘要摘要 隨著無線電技術的發(fā)展和各種通信設備不斷地投放市場 通信頻道擁擠的問 題日漸突出 因此占用較窄頻帶或能在同一頻段內容納更多用戶的通信技術普遍地 收到人們的重視 例如 單邊帶通信就是一種目前應用比較廣泛并具有占用較窄頻 帶特電的通信方法 而 FPGA 具有體系結構和邏輯單元靈活 集成度高 適用范圍 寬等特點 可以實現(xiàn)超大規(guī)模的電路 編程也很靈活 與門陣列等其他 ASIC 相比 它具有開發(fā)周期短 設計制造成本低 開發(fā)工具先進 標準產品無需測試 質量穩(wěn) 定以及可實時在線檢測等優(yōu)點 故這里基于 FPGA 對單邊帶進行調制 首先 設置 調制信號頻率為 5KHZ 振幅為 5 載波頻率為 100KHZ 振幅為 10 運用 Matlab 編程得到單邊帶信號的波形與功率譜 與調制信號進行對比 觀察調制效果 然后 運用 Simulink 分別對濾波法與相移法兩種調制方法進行建模仿真 通過觀察仿真波 形 最終相移法的調制效果要優(yōu)于濾波法 最后 對以上低層設計產生的 VHDL 的 RTL 代碼和仿真文件進行綜合 編譯適配以及仿真 結果表明本文設計方法能夠很 好的進行單邊帶信號調制 關鍵詞關鍵詞 單邊帶 調制 仿真 FPGA FPGA based on single sideband modulation system Abstract With the development of radio technology and various communications equipment constantly put on the market communication channel congestion problems have become increasingly prominent so take the narrow band or communication technology can satisfy more users in the same frequency band content generally received people s attention For example is a kind of widely used currently and has occupied the narrow band communication method of special electrical communication with unilateral While FPGA has the characteristics of flexible system structure and logic unit high integration wide application scope can realize large scale circuits programming is also very flexible compared to other ASIC gate array it has a short development cycle low manufacturing cost advanced development tool standard product without testing stable quality and real time online detection etc so here is based on the FPGA of SSB modulation First of all the use of MATLAB programming set the frequency modulation signal the carrier frequency amplitude is 1 the simulation to be modulated signal waveform and power spectrum are compared with the modulation signal observe the modulation effect And then Simulink is used to filter and phase shift method of two kinds of modulation methods for modeling and simulation by observing the simulation waveform modulation effect of final phase shift method is superior to the filtering method Finally the RTL code and simulation files to the low layer design of VHDL adapter and comprehensive compiled simulation Keywords single sideband modulation simulation FPGA I 目錄目錄 1 引言 1 1 1 課題的研究意義 1 1 2 國內外研究現(xiàn)狀 1 1 3 課題的主要內容 2 2 SSB 的調制技術原理 3 2 1 概述 3 2 2 SSB 的調制原理 4 2 3 本章小結 4 3 MATLAB SIMULINK 的 SSB 系統(tǒng)的設計 5 3 1 軟件簡介 5 3 2 濾波法產生單邊帶信號 5 3 2 1 濾波法產生 SSB 信號進行 Matlab 設計仿真 6 3 2 2 濾波法設計 Simulink 建模仿真 7 3 3 相移法產生單邊帶信號 11 3 3 1 相移法產生 SSB 信號進行 Matlab 設計仿真 12 3 3 2 相移法設計 Simulink 建模仿真 13 3 4 本章小結 15 4 基于 FPGA 的 SSB 調制系統(tǒng)的設計 16 4 1 FPGA 簡介 16 4 1 1 使用 FPGA 進行開發(fā)的優(yōu)點 17 4 1 2 FPGA 設計的開發(fā)流程 17 4 2 使用 QUARUS 實現(xiàn)時序仿真 19 4 2 1 Quarus 介紹 19 4 2 2 轉換為 VHDL 語言并綜合 22 4 2 3 使用 Modelsim 實現(xiàn)時序仿真 24 4 2 4 使用 Quartus 實現(xiàn)時序仿真 26 4 3 本章小結 27 5 結論 28 5 1 設計過程中遇到的問題以及解決方法 28 5 2 體會 28 致謝 29 參考文獻 30 附錄 A 31 1 1 引言引言 1 1 課題的研究意義課題的研究意義 在通信技術領域 載波調制技術已廣泛應用于地面廣播通信 衛(wèi)星通信 信號 傳輸?shù)韧ㄐ畔到y(tǒng)中 而在載波調制技術中 單邊帶調制的方法有很多優(yōu)點 比如 占用帶寬小和功耗低等 但是在傳統(tǒng)的通信技術中 因為濾波器設計實現(xiàn)起來比較 困難 單邊帶調制技術在現(xiàn)在仍舊沒有廣泛應用于通信系統(tǒng)中 隨著近幾年數(shù)字信 號處理技術的快速發(fā)展 單邊帶調制技術要在數(shù)字信號處理平臺上的實現(xiàn)也成為可 能 為解決單邊帶調制方法因在載波調制技術中難以實現(xiàn)而不被廣泛應用的問題 對 單邊帶調制方法進行了研究 提出了基 Hilbert 正交變換的單邊帶調制算法 以及該算 法的 FPGA Field Programmable Gate Arrays 實現(xiàn) 建立了 Matlab 的系統(tǒng)分析模 采用 DSP Builder 設計了單邊帶調制程序 并通過 Modelsim 對該程序進行了仿真 得到了 理想的單邊帶調制的波形 目前 數(shù)字信號處理平臺主要包括 DSP Digital Signal Processor 和 FPGA Field Programmable Gate Arrays 兩種 數(shù)字信號處理平臺的實現(xiàn)方案 主 要是基于 FPGA DSP 的結構來實現(xiàn)高速數(shù)字信號處理 該方案采用先進的 FPGA 和 DSP 芯片 借鑒了軟件無線電的思想 通過 DSP 芯片對 FPGA 芯片的動態(tài)配置 來實現(xiàn)具有通用性 可擴充性的硬件平臺 相對于 FPGA 芯片 DSP 芯片采用串行 指令 運算速度受系統(tǒng)時鐘頻率的影響 難以實現(xiàn)高速實時處理 而 FPGA 采用并 行處理技術 很大程度上提高了系統(tǒng)的運行速度 并且 FPGA 芯片的內部邏輯塊和 I O 可以自主配置 令設計變得非常靈活 因此 FPGA 被廣泛運用在高速實時通信 系統(tǒng)中 1 2 國內外研究現(xiàn)狀國內外研究現(xiàn)狀 近年來 人們對單邊帶調制也進行了更廣泛的研究 合肥電子工程學院在 2001 年發(fā)表了 基于 System View 的單邊帶調制解調系統(tǒng) 但只是用了傳統(tǒng)模擬方法實 現(xiàn)的 西安電子科技大學在 2003 年提出了 一種單邊帶調制 解調的新方法 采用 的方式是數(shù)字信號處理 這一處理方法突破了傳統(tǒng)的模擬調制解調方法 為以后單 邊帶調制系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎 海洋工程大學的尹敬湘等人在 2005 年提出的 數(shù) 字式單邊帶調制的關鍵與實現(xiàn)方法 提到的方法是單邊帶調制中的正交調制以及內 插等技術 2009 年 南京某部隊的 基于 FPGA 的載波系統(tǒng)調制 提到了本文要 設計的課題 基于 FPGA 的單邊帶調制 發(fā)展的時間僅僅只有 4 年 所以在 FPGA 進行單邊帶調制方面還是有很大的發(fā)展空間的 2002 年 Altera 公司推出的 DSP Builder 很好地解決了在 EDA 技術完成硬件設計 的過程中 因為一些特定的設計項目 典型的設計流程包括設計項目編輯 綜合 2 仿真 適配 編程 顯得很不方便的問題 1 3 課題的主要內容課題的主要內容 本文對調制系統(tǒng)進行了研究 并針對 SSB 調制系統(tǒng)進行了 FPGA 實現(xiàn) 本文的 內容安排如下 第一章簡要地介紹了本文的研究背景和意義 以及國內外研究現(xiàn)狀 第二章詳細地介紹了 SSB 調制技術的原理 熟悉和學習 FPGA 技術 充分理解 單邊帶調制系統(tǒng)的工作原理和在通信系統(tǒng)中的應用 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現(xiàn) SSB 調制系統(tǒng) 第四章設計基于 FPGA 的調制系統(tǒng)的各系統(tǒng)模塊 在通過前面系統(tǒng)仿真的基礎 上 提出了具體可行的 FPGA 實現(xiàn)方法 在 FPGA 設計過程中 通過流水線和模塊 化的方法構造了正交振幅調制的調制系統(tǒng) 對其中的關鍵技術如頻率合成 數(shù)字濾 波 進制轉換等模塊進行研究并采用硬件描述語言進行了實現(xiàn)和綜合仿真 最后進行設計的總結與體會 3 2 SSB 的調制技術原理的調制技術原理 2 1 概述概述 一般根據調制信號參數(shù)的不同 它有三種基本形式 振幅調制 頻率調制和相 位調制 如果要控制的參數(shù)是高頻振蕩的振幅 說這種調制為幅度調制 簡稱調幅 如果要控制的參數(shù)是頻率或高頻振蕩的相位 說這種調制為頻率調制和相位調制 簡稱頻率或相位調制 FM 和 PM 并稱為角度調制 幅度調制的特點是載波的頻率始終保持不變 它的振幅卻是變化的 其幅度變 化曲線與要傳遞的低頻信號是相似的 它的振幅變化曲線稱之為包絡線 代表了要 傳遞的信息 幅度調制在中 短波廣播和通信中使用甚多 幅度調制的不足是抗干 擾能力差 因為各種工業(yè)干擾和天電干擾都會以調幅的形式疊加在載波上 成為干 擾和雜波 調幅 AM 用調制信號控制載波的振幅 使載波的振幅隨著調制信號變化 已調波稱為調幅波 調幅波的頻率仍是載波頻率 調幅波包絡的形狀反映調制信號 的波形 調幅系統(tǒng)實現(xiàn)簡單 但抗干擾性差 傳輸時信號容易失真 調頻 FM 用調制信號控制載波的振蕩頻率 使載波的頻率隨著調制信號 變化 已調波稱為調頻波 調頻波的振幅保持不變 調頻波的瞬時頻率偏離載波頻 率的量與調制信號的瞬時值成比例 調頻系統(tǒng)實現(xiàn)稍復雜 占用的頻帶遠較調幅波 為寬 因此必須工作在超短波波段 抗干擾性能好 傳輸時信號失真小 設備利用 率也較高 調相 PM 調制信號控制載波的相位 與調制信號的載波相位變化 調制 波稱為相位調制波 瞬時值的相位調制波的振幅成比例保持不變 從載波相位角偏 差量調制的相位信號的瞬時相位調制波 在調頻相位角也有相應變化 但這一相位 不隨調制信號成比例的變化 在相位調制頻率也有相應的改變 但這個頻率的變化 并不與調制信號成比例 在模擬調制方法中的調制波的頻譜中 除在外的載波頻率 兩側的載波分量外 在載波頻率兩旁還各有一個頻帶 因調制而產生的各頻率分量 就落在這兩個頻帶之內 這兩個頻帶統(tǒng)稱為邊頻帶或邊帶 位于高于側邊帶的載波 頻率 稱為上邊帶 位于低于側邊帶的載波頻率 稱為下邊帶 單邊帶通信濾波器 相移法或相移濾波方法一個邊帶調幅波 這種調制方法稱為單邊帶調制 SSB 單 邊帶調制常用于有線載波電話和短波無線電多路通信 1 由于 AM 信號的功率利用率最大也只有 不攜帶任何信息的載波功率部分 占用了大部分利用率 加上抗噪性能差 使用起來造成了很大浪費 限制了 AM 調 制技術的發(fā)展 基于 AM 信號中大部分信號功率都消耗在了載波功率上的這個特點 可以將載波功率濾除掉 僅僅傳送邊帶信號 提高功率利用率 這種技術就叫做抑 13 4 制載波的雙邊帶調制 DSB 時域和頻域表達式為 從中可以看出 DSB 的頻譜不存在載頻分量 這樣的話功率利用就大大提高了 理論可以達達 100 即傳送的信號全是攜帶有用信息的信號 DSB 信號雖然有效 的提高了功率利用率 但是由于其帶寬仍舊是調制信號帶寬的 2 倍 在帶寬有限的 條件下 其發(fā)展受到限制 而 SSB 信號是 DSB 信號中一個邊帶 比 DSB 信號節(jié)省 了一半的帶寬 于是 單邊帶調制系統(tǒng)設計就出現(xiàn)了 2 2 SSB 的調制原理的調制原理 單邊帶信號 SSB 是調幅信號的一種 它出自于調幅但是又區(qū)別于調幅 調制音 頻幅度變化了 載波幅度也會跟隨著變化 這就是調幅波的調制方式 要說明調幅 波的頻譜特征得根據混頻的原理來講解 因為要準確的掌握 SSB 的產生方法 只有 清楚的知道調幅波的特征才可以 由于對于非線性元件 兩個不同頻率的信號頻率 1 和頻率 2 通過會出現(xiàn) 4 個頻率 兩個頻率的和 兩個頻率的差 頻率 1 頻率 2 通 常我們把兩個頻率的和 兩個頻率的差稱為上邊帶信號和下邊帶信號 而這兩個信 號所包含的信息又相同 因此只要傳送一個邊帶信號 所要傳送信號的全部信息也就 傳送了 抑制載波的雙邊帶調幅雖然節(jié)省了載波功率 但已調信號的頻帶寬度仍未調制 信號的兩倍 與常規(guī)雙邊帶調幅時相同 而我們從它們的頻譜圖上可以看出 上 下兩個邊帶是完全對稱的 它們所攜帶的信息相同 完全可以只用一個邊帶來傳輸 全部信息 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 這種方式稱為 單邊帶調制 單邊帶調制是幅度調制中的一種 幅度調制是由調制信號去控制高頻 載波的幅度 使之隨調制信號作線性變化的過程 在波形上 幅度已調信號的幅度 隨基帶信號的規(guī)律而呈正比地變化 在頻譜結構上 它的頻譜完全是基帶信號頻譜 在頻域內的簡單搬移 常見的調幅 AM 雙邊帶 DSB 殘留邊帶 VSB 等調 制就是幅度調制的幾種典型的實例 單邊帶調制 SSB 信號是將雙邊帶信號中的 一個邊帶濾掉而形成的 根據濾除方法的不同 產生 SSB 信號的方法有 濾波法和 相移法 2 2 3 本章小結本章小結 通過對單邊帶調制 SSB 信號課題的研究背景以及調制技術原理的了解與學 習 熟悉信號調制方式與調制方法 對研究流程有初步的了解 同時也學習了單邊 帶調制系統(tǒng)設計時所用到的仿真方法和軟件 為后面的課題設計做好鋪墊 cos 2 1 1 22 2 DSBc LSBcc Stm tw t StM wwM ww 5 3 Matlab Simulink 的的 SSB 系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的設計 3 1 軟件簡介軟件簡介 MATLAB 是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件 用于算法開發(fā) 數(shù)據 可視化 數(shù)據分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境 主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分 Matlab 譯于矩陣實驗室 MATrix LABoratory 是用 來提供通往 LINPACK 和 EISPACK 矩陣軟件包接口的 后來它漸漸發(fā)展成了通用科 技計算圖視交互系統(tǒng)和程序語言 Matlab 發(fā)展到現(xiàn)在已經成為一個系列產品 Matlab 主包和各種可選的 toolbox 工具包主包中有數(shù)百個核心內部函數(shù)迄今所有的三十幾個 工具包又可分為兩類功能性工具包和學科性工具包功能性工具包主要用來擴充 Matlab 的符號計算功能圖視建模仿真功能文字處理功能以及硬件實時交互功能這種 功能性工具包用于多種學科而學科性工具包是專業(yè)性比較強的如控制工具包 Control Toolbox 信號處理工具包 SignalProcessing Toolbox 通信工具包 Communication Toolbox 等都屬此類開放性也許是 Matlab 最重要最受人歡迎的特點 除內部函數(shù)外所有 Matlab 主包文件和各工具包文件都是可讀可改的源文件用戶可通 過對源文件的修改或加入自己編寫文件去構成新的專用工具包 利用 M 語言還開發(fā) 了相應的 MATLAB 專業(yè)工具箱函數(shù)供用戶直接使用 Matlab 是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學計算 可視化以及交互式 程序設計的高科技計算環(huán)境 它將數(shù)值分析 矩陣計算 科學數(shù)據可視化以及非線 性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中 為科 學研究 工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領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)非交互式程序設計語言 如 C Fortran 的編 輯模式 代表了當今國際科學計算軟件的先進水平 3 2 濾波法產生單邊帶信號濾波法產生單邊帶信號 因為一般的具有豐富的低頻成分 因而要求濾波器的截止特性要極為陡峭 m t 才行 這給實際操作帶來困難 因此 在實際當中 采用多次射頻及多次濾波 3 的 辦法來實現(xiàn)是很常用的方法 其結構如圖 3 1 所示 濾波器1濾波器2 1 cos c w t 2 cos c w t m S t u t c 圖 3 1 濾波法產生 SSB 信號的原理框圖 頻域表示如圖 3 2 6 圖 3 2 產生 SSB 信號的頻譜特性 工作原理 當頻率較低的時候 濾波器具有陡峭的頻率 因此濾波器 1 是一個 截止頻率點較低的低通或者高通濾波器 濾波器 2 是一個帶通濾波器 通常截止頻 率點選的較高 調制的頻率需滿足 12c www 基帶信號與載波信號相乘得到雙邊帶信號 雙邊帶信號時域表達式如下 coscos 3 1 DSBcc utUwtUwt 雙邊帶信號經過一個濾波器 可以得到單邊帶信號 當取上邊帶時 單邊帶信 號時域表達式為 cos 32 SSBc utUwt 取下邊帶時 時域表達式為 cos 33 SSBc utUwt 上下邊帶的選取決定于濾波器的選取 濾波器為低通濾波器時保留下邊帶 濾 波器為高通濾波器時保留上邊帶 理想濾波特性是不可能做到的 實際濾波器從通 帶到阻帶總有一個過渡帶 實現(xiàn)濾波器的難易與過渡帶相對于載波的歸一化值有關 過渡帶的歸一化值愈小 分割上 下邊帶的濾波器就愈難于實現(xiàn) 4 隨著載波頻率的提高 采用一級調制直接濾波的辦法已不可能實現(xiàn)單邊帶調制 這時可以采用多級調制的辦法 在實際應用中 濾波器的參數(shù)設置應當符合實際需 求 并根據基帶傳輸信號和載波信號的頻率進行設置 以達到最高性能 3 2 1 濾波法產生濾波法產生 SSB 信號進行信號進行 Matlab 設計仿真設計仿真 濾波法產生 SSB 信號進行 Matlab 編程設計仿真如圖 3 3 其中調制信號頻率 fm 5KHZ 載波頻率 fc 100KHZ 調制信號幅度 A1 5 載波幅度 A2 10 7 00 0050 01 5 0 5 信 信 信 信 02000400060008000 0 100 200 300 信 信 信 信 信 信 f Hz Pr f w 00 0050 01 40 20 0 20 40 SSB信 信 02000400060008000 0 500 1000 SSB信 信 信 信 f Hz Pr f w 圖 3 3 濾波法 SSB 調制Matlab編程設計仿真 由圖 3 3 可以看出 已調信號的包絡與調制信號不呈比例 濾波法中的濾波器 特性并不十分接近理想特性 因為混頻后低頻分量與高頻分量之間的過渡帶不夠窄 在處未達到銳截止特性 c w 3 2 2 濾波法設計濾波法設計 Simulink 建模仿真建模仿真 Matlab 的 Simulink 環(huán)境具有強大的圖形化仿真驗證功能 可以用來對各種動態(tài) 系統(tǒng)進行建模 分析和仿真 它的建模范圍廣泛 可以針對任何能夠用數(shù)學來描述 的系統(tǒng)進行建模 其中包括連續(xù) 離散 條件執(zhí)行 事件驅動 單速率 多速率和 混雜系統(tǒng)等等 Simulink 可以利用鼠標拖放來建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面 而且 Simulink 還提供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合 利用 Simulink 幾乎可以 做到不書寫一行代碼就能夠完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作 5 所以顯得非常的便捷 越來越受到大家的廣泛使用 本文通過調用 simulink 中的功能模塊構成數(shù)字濾波器 的仿真框圖 在仿真過程中 可以雙擊各功能模塊 隨時改變參數(shù) 獲得不同狀態(tài) 下的仿真結果 DSPbuilder 是 Altera 推出的一個 DSP 開發(fā)工具 它在 Quartus FPGA 設計環(huán)境 中集成了 Mathworks 的 Matlab 和 simulinkDSP 開發(fā)軟件 2 在以前 Matlab 工具往 往作為 DSP 算法的建模和基于純數(shù)學的仿真來使用 其數(shù)學模型無法為硬件 DSP 應用系統(tǒng)直接產生實用程序代碼 仿真測試的結果也僅僅是基于數(shù)學算法結構 而 8 以往 FPGA 所需的傳統(tǒng)的基于硬件描述語言 HDL 的設計由于要考慮 FPGA 的硬 件的 延時與 VHDL 的遞歸算法的銜接 以及補碼運算和乘積結果截取等問題 相當繁雜 對 DSP Builder 而言 MatLab Simulink 整個開發(fā)流層幾乎可以在同一環(huán) 境中完成 頂層的開發(fā)工具真正實現(xiàn)了自定向下的設計流程 包括 DSP 系統(tǒng)的建模 系統(tǒng)級的仿真 設計模型向 VHDL 硬件描述語言代碼的轉換 RTL 邏輯綜合 RegisterTransferLevel 級功能仿真測試 編譯適配和布局布線 時序實時仿真直至 對 DSP 目標器件的編程配置 整個設計流程一氣呵成地將系統(tǒng)描述和硬件實現(xiàn)有機 地融合在一起 充分顯示了現(xiàn)代電子設計自動化開發(fā)的特點與優(yōu)勢 用 DSP Builder 模塊設計好一個新的模型后 可以直接在 Simulink 中進行算法 級 系統(tǒng)級仿真驗證 對一個模型進行仿真 需要施加合適的激勵 一定得仿真步 進和仿真周期 添加合適的觀察點和觀察方式 這里需要的是 Scope 和 Spectum Scope 模塊來觀察波形和頻譜圖 連接好圖形 選擇 Simulink start 命令 開始仿真 但仿真結束 雙擊 scope 模塊 打開 scope 觀察窗口 使用 Matlab 的 Simulink 工具 對理論上的單邊帶調制系統(tǒng)進行了建模 根據單邊帶調制的原理框圖 對輸入信號 進行離散化采樣 然后構造解析信號 分別與正交載波相乘 經過巴特沃斯濾波器 最后將得到的單邊帶調制信號輸出 并對其進行頻譜分析 濾波法產生單邊帶調制信號的 Simulink 建模如圖 3 4 圖 3 4 濾波法設計 Simulink 建模圖 其中巴特沃斯帶通濾波器 1 與高通濾波器 2 設置如圖 3 5 及圖 3 6 9 圖 3 5 巴特沃斯濾波器 1 參數(shù)設置 圖 3 6 巴特沃斯濾波器 2 參數(shù)設置 10 圖 3 7 SSB 信號頻譜 圖 3 8 調制波形 上 SSB 信號 下 11 由圖 3 4 可以看出 本設計采用的兩級調制濾波產生 SSB 信號 先在低載頻上 經過帶通濾波器產生單邊帶信號 然后通過變頻將頻譜搬移到更高的載頻 通過高 通濾波器得到所需要的單邊帶信號 3 3 相移法產生單邊帶信號相移法產生單邊帶信號 因為理想的數(shù)字濾波器占用系統(tǒng)資源巨大 不僅增加了系統(tǒng)的設計成本 且難 于實現(xiàn) 所以本文選用占用資源較少的希爾伯特 Hilbert 正交變換 6 的方法實現(xiàn) SSB 調制系統(tǒng) 移相法實現(xiàn)單邊帶調制不需要濾波器來抑制載波和邊帶頻率 節(jié)省頻率的帶寬 加強實現(xiàn)單邊帶調制的利用率 其原理框圖如圖 3 9 所示 A cos c wt sin c tw t x 2 c u t sin c xtw t 90 90 SSB St 2 cu t sin c wt 相移 相移 圖 3 9 相移法產生 SSB 信號的原理框圖 經過相移網絡后 將所有的頻率成份移相 實際上是一個希爾伯特 c ut Hilbert 變換 也可以用一個寬帶相移網絡來代替 希爾伯特變換 7 是信號分析與處 理中的重要理論工具 在通信系統(tǒng)中一般用來構造解析信號 希爾伯特變換可以提 供 90 的相位變化而不影響頻譜分量的幅度 即對信號進行希爾伯特變換就相當于 對該信號進行正交移相 使它成為自身的正交對 信號經希爾伯特變換后 信號頻 譜不發(fā)生變化 相位連續(xù) 且相互正交 從理論上講 這種實現(xiàn)單邊帶調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)中要實現(xiàn)上述全通相移網絡也十分困難 兩種方法對 濾對器的苛刻要求都只能在一定條件下近似滿足 不可能嚴格實現(xiàn) 但是在數(shù)字信 號處理技術中 要實現(xiàn)寬帶相移的希爾伯特濾波器卻是比較簡單的事情 在傳統(tǒng)的 設計中 希爾伯特變換器一般是由一個一個時延模塊和 FIR 濾波器來實現(xiàn)的 但是也 可由一組濾波器對來進行實現(xiàn) 而對原型低通濾波器作正弦 余弦變換是實現(xiàn) FIR 型 希爾伯特變換器的一個簡單方法 但是 無論哪種方法都需要通過計算對低通濾波 2 12 器的系數(shù)進行轉換 其計算繁瑣且存在一定的誤差 對于 Matlab 來說 作為濾波器 設計的基礎軟件 不僅能夠快速有效地進行希爾伯特變換器的設計 實現(xiàn)分析仿真 和最優(yōu)化 并且還可以直接計算出希爾伯特變換器的系數(shù) 加之 Matlab 還具有強大 的接口功能 為后面的設計也提供了很大方便 信號的希爾伯特變換可以看成是信號通過一個幅度為 1 的全通濾波器 x t x t 輸出 信號通過希爾伯特變換器后 其負頻率成分作 的相移 而正頻率成分作 90 的相移 這類濾波器要求濾波器的零頻響應為 0 如果濾波器的階數(shù)為偶數(shù) 那90 么增益在頻率為 0 Hz 和 處必須降為零 希爾伯特濾波器必須是一個帶通濾波器 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 必須是一個高通濾波器 兩路相乘結果相減時得到上邊帶信號 相加時則得到下邊帶信號 當調制信號 為確知的周期性信號時 由于它可以分解成許多頻率分量之和 因而只要相移 I 是 一個寬帶的相移網絡 對每個頻率分量都能相移 2 3 3 1 相移法產生相移法產生 SSB 信號進行信號進行 Matlab 設計仿真設計仿真 Matlab 信號處理工具箱里提供了 firls 函數(shù)和 remez 函數(shù) 它們的調用格式語法 規(guī)則基本一樣 只是優(yōu)化的算法有些許的不同 函數(shù) firls 利用的是最小二乘法 令期 望的頻率響應和實際的頻率響應間的誤差變得最小 函數(shù) remez 實現(xiàn)的是 Park McClel lan 算法 這種算法利用 remez 交換算法和 Chebyshev 近似理論來設計濾波器 使 實際頻率響應擬合期望頻率響應并且達到最優(yōu)效果 8 函數(shù)的調用格式為 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準化頻率 取值為 0 1 是 遞增向量 允許定義重復頻點 m 為濾波器期望頻率特性的幅值向量 向量 m 和 f 必 須同長度并且為偶數(shù) b 為函數(shù)返回的濾波器系數(shù) 長度為 n 1 本文將采用 remez 函數(shù)法 7 進行編程 相移法 SSB 調制系統(tǒng) Matlab 進行編程設計仿真如圖 3 10 2 s F 13 00 511 52 5 0 5 信 信 信 信 信 信 20020 0 0 1 0 2 0 3 0 4 信 信 信 信 信 信 信 f KHz Pr f w 00 511 52 20 0 20 SSB信 信 信 信 信 信 100 50050100 0 0 5 1 1 5 2 2 5 SSB信 信 信 信 信 信 信 f KHz Pr f w 圖 3 10 相移法 SSB 調制Matlab編程設計仿真 由圖 3 10 可以看出 SSB 調制信號的包絡與調制信號不呈比例 在頻譜圖中 SSB 調制信號截止特性非常好 達到了銳截止特性 3 3 2 相移法設計相移法設計 Simulink 建模仿真建模仿真 相移法產生單邊帶調制信號 Simulink 建模與仿真結果如圖 3 11 及圖 3 13 圖 3 11 相移法設計 Simulink 建模圖 其中濾波器設置與濾波法的濾波器 2 參數(shù)設置相同 14 圖 3 12 SSB 信號頻譜 圖 3 13 調制波形 上 SSB 信號 下 由圖 3 13 可知 相移法產生單邊帶信號有兩個乘法器 第一個乘法器是產生一 15 般的雙邊帶信號 第二個乘法器的輸入信號和載波都相移 最后將上下邊帶合90 并得到單邊帶信號 再通過濾波器輸出所需的單邊帶信號 3 4 本章小結本章小結 從理論上分析得知 SSB 信號的抗噪聲性能比 DSB 信號要好 但由于 SSB 信 號的輸入功率僅為 DSB 信號的一半 加上系統(tǒng)設計時濾波器的帶寬設計有待提高 因此整體的調制效果較差一些 從濾波法和相移法來看 最終相移法的調制效果要 好于濾波法 16 4 基于基于 FPGA 的的 SSB 調制系統(tǒng)的設計調制系統(tǒng)的設計 4 1 FPGA 簡介簡介 圖 4 1 FPGA 結構圖 FPGA Field Programmable Gate Array 即現(xiàn)場可編程門陣列 9 是在 PAL GAL CPLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展出來的產物 作為專用集成 電路 ASIC 領域中的一種半定制電路而出現(xiàn) 既解決了定制電路的不足 又克服 了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點 所以現(xiàn)在得到越來越多工程師的親睞 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LOA Logic Cell Arry 這樣一個新概念 內部包 括可配置邏輯模塊 CLB Configurable Logic Block 輸入輸出模塊 IOB Input Output Block 和內部連線 Interconnect 三個部分 FPGA 的基本特點主要有 1 采用 FPGA 設計 ASIC 電路 用戶不需要投片生產就能得到合用的芯片 2 FPGA 可做其他全定制或半定制 ASIC 電路的試樣片 3 FPGA 內部有豐富的觸發(fā)器和 I O 引腳 4 FPGA 是 ASIC 電路中設計周期最短 開發(fā)費用最低 風險最小的器件之 一 5 FPGA 采用高速 CHMOS 工藝 功耗低 可以與 CMOS TTL 電平兼容 目前用硬件描述語言 Verilog 或 VHDL 所完成的電路設計 可以經過簡單 的綜合和布局 快速的燒錄至 FPGA 上進行測試 是現(xiàn)代 IC 設計驗證最常用的方 法 可以用這些可編輯元件來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路 比如 AND OR XOR NOT 或者更復雜一些的組合功能的解碼器或數(shù)學方程式 在 17 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 系統(tǒng)設計師可以根據需要通過可編輯的 連接把 FPGA 內部的邏輯塊連接起來 就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里 了 一個出廠后的成品 FPGA 的邏輯塊和連接可以按照設計者而改變 所以 FPGA 可以完成所需要的邏輯功能 FPGA 相比比 ASIC 專用集成芯片 的速度 一般來說要慢 無法完成復雜的 設計 而且消耗更多的電能 但是 FPGA 也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品 可以 被修改來改正程序中的錯誤以及更便宜的造價 通過成本考慮 廠商也可能會提供 便宜的但是編輯能力差的 FPGA 因為這些芯片有比較差的可編輯能力 所以這些 設計的開發(fā)是在普通的 FPGA 上完成的 然后將設計轉移到一個類似于 ASIC 的芯 片上 現(xiàn)在 FPGA 有下面 4 種配置模式 1 并行主模式為一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式 2 主從模式可以支持一片 PROM 編程多片 FPGA 3 串行模式可以采用串行 PROM 編程 FPGA 4 外設模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設 由微處理器對其編程 4 1 1 使用使用 FPGA 進行開發(fā)的優(yōu)點進行開發(fā)的優(yōu)點 使用 FPGA 器件設計數(shù)字電路 不僅可以簡化設計過程 而且可以降低整個系統(tǒng) 的體積和成本 增加系統(tǒng)的可靠性 使用 FPGA 器件設計數(shù)字系統(tǒng)電路的主要優(yōu)點如 下 1 增大功能密集度 功能密集度是指在給定的空間能集成的邏輯功能數(shù)量 可編程邏輯芯片內的組 件門數(shù)高 一片 FPGA 可代替幾十片乃至上百片中小規(guī)模的數(shù)字集成電路芯片 用 FPGA 實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)時用的芯片數(shù)量少 從而減少印刷板面積和數(shù)目 最終導致系統(tǒng) 規(guī)模的減小 2 縮短設計周期 由于 FPGA 器件集成度高 使用時印刷線路板電路布局布線簡單 FPGA 器件的 可編程性和靈活性 決定了用它設計一個系統(tǒng)所需時間比傳統(tǒng)方法大為縮短 3 工作速度快 FPGA CPLD 器件的工作速度快 一般可以達到幾百兆赫茲 遠遠大于 DSP 器件 使用 FPGA 器件后實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的電路級數(shù)少 因而整個系統(tǒng)的工作速度會得到提 高 18 4 1 2 FPGA 設計的開發(fā)流程設計的開發(fā)流程 在簡單的 FPGA 設計中 設計輸入就是使用硬件描述語言編寫 RTL 的過程 雖然還有一些基于狀態(tài)圖 真值表 流程圖 方框圖的設計輸入方法 現(xiàn)在基本已 經被淘汰 對于設計輸入 核心的問題是有三個 1 熟練使用 HDL 語言 2 準確的把握要完成的設計功能及其性能指標 3 充