畢業(yè)設(shè)計（論文）QPSK的FPGA實現(xiàn)

1、河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）qpsk的fpga實現(xiàn)摘 要數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)在數(shù)字通信中占有非常重要的地位, 數(shù)字通信技術(shù)與fpga 的結(jié)合是現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的一個必然趨勢。qpsk數(shù)字調(diào)制技術(shù)，具有頻譜利用率高、頻譜特性好、抗干擾性能強、傳輸速率快等突出特點，在移動通信、衛(wèi)星通信中具有廣泛應(yīng)用價值，但是基于fpga的全數(shù)字qpsk調(diào)制解調(diào)仍在進一步研究發(fā)展中。本文首先敘述了qpsk調(diào)制解調(diào)技術(shù)的工作原理和數(shù)字式調(diào)制與解調(diào)的特點。其次對qpsk的調(diào)制和解調(diào)設(shè)計展開討論。設(shè)計包括qpsk的調(diào)制、解調(diào)兩部分，基于對整個設(shè)計的要求進行分析及對qpsk實現(xiàn)fpga進行功能的分解，以此劃分成比較小的模塊

2、，自下而上設(shè)計系統(tǒng)； 根據(jù)qpsk的原理分別畫出qpsk調(diào)制、解調(diào)的實現(xiàn)框圖。設(shè)計中設(shè)定每個比特對應(yīng)特定的載波，并以載波作為比較，實現(xiàn)最后的對應(yīng)的輸出結(jié)果。最后基于vhdl語言分別完成qpsk的調(diào)制與解調(diào)，完成系統(tǒng)的設(shè)計方案，在max+plusii 環(huán)境下對模塊邏輯、時序進行仿真調(diào)試的仿真結(jié)果表明了該設(shè)計的正確性，并綜合得出rtl的結(jié)構(gòu)圖。關(guān)鍵詞：qpsk,fpga,調(diào)制,解調(diào)fpga implementation of qpskabstracttechnology of digital modulation and demodulation plays an important role i

3、n digital communication system and the combination of digital communication technology and fpga is certainly a trend.qpsk digital modulation technique has features of high-spectrum utilization ratio，better spectrum specification, stronger anti-interference performance and faster baud rate and has be

4、en applied widely in mobile communication system and satellite communication systembut all-digital qpsk modulation and demodulation based on fpga is still towards further research and development at first, this paper describes the principle of qpsk modulation and demodulation technology as well as t

5、he characteristics of digital modulation and demodulation. in the following words we mainly provide the discussion combined with the research and design of the qpsk modulation and demodulation .this design has two parts, which are qpsk modulation and demodulation .the analysis on the whole design re

6、quirement and the decomposition of qpsk function in fpga lay the basis for the smaller divided modules. then we can start up the bottom-up design .respectively, we draw qpsk modulation and demodulation diagram on the basis of the principle of qpsk. the design supposes each bit corresponds to a speci

7、fic carrier .to achieve the final result of the corresponding output, we should take carrier as a comparison. in the end, we use vhdl to achieve the qpsk modulation and demodulation. after completing the whole system design, it goes on with simulation on module logic, timing in the max+plusii enviro

8、nment. the simulation results indicate that the design is correct and comprehensively deduce the rtls chart. key words：qpsk, fpga, modulation, demodulation3目錄前 言1第1章 緒 論21.1 設(shè)計的依據(jù)與意義21.2 同類產(chǎn)品的概況2第2章 數(shù)字通信系統(tǒng)42.1 通信系統(tǒng)的數(shù)字化42.2 數(shù)字通信與模擬通信的性能比較52.3 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成部分52.4 數(shù)字調(diào)制技術(shù)82.5 數(shù)字調(diào)制的方法92.5.1 psk-又稱相移鍵控法92.5

9、.2 fsk-又稱頻移鍵控法92.5.3 ask-又稱幅移鍵控法102.5.4 mask-又稱多進制數(shù)字調(diào)制法102.5.5 qam-又稱正交幅度調(diào)制法112.5.6 msk-又稱最小移頻鍵控法112.5.7 gmsk-又稱高斯濾波最小移頻鍵控法12第3章 fpga與vhdl語言介紹133.1 fpga介紹133.1.1 fpga的發(fā)展歷史133.1.2 fpga的基本特點143.1.3 fpga的優(yōu)點143.2 vhdl語言介紹153.2.1 vhdl語言發(fā)展回顧153.2.2 vhdl系統(tǒng)設(shè)計的特點163.2.3 vhdl系統(tǒng)優(yōu)勢17第4章 四相移相鍵控（qpsk）184.1 qpsk概述

10、184.2 qpsk的特點184.3 qpsk的原理184.4 qpsk的調(diào)制和解調(diào)204.4.1 調(diào)制204.4.2 解調(diào)224.5 qpsk應(yīng)用23第5章 qpsk的fpga實現(xiàn)245.1 引言245.2 qpsk調(diào)制電路fpga實現(xiàn)及仿真：245.3 qpsk解調(diào)電路fpga實現(xiàn)及仿真26結(jié)論29參考文獻30致謝32附 錄33前 言qpsk是在無線通信中應(yīng)用比較廣泛的一種調(diào)制方式，它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性。近年來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)字信號處理器芯片速度的提高，數(shù)字信號處理技術(shù)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用已越來越引起人們的重視，用原理圖和vhdl語言實現(xiàn)全數(shù)qpsk調(diào)制的思

11、想和方法。作為全數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的實現(xiàn)，具有其可行性。fpga是目前硬件設(shè)計研究的熱點，與傳統(tǒng)電路設(shè)計方法相比，fpga具有功能強大，開發(fā)過程投資小、周期短，可反復(fù)編程修改，開發(fā)工具智能化等特點。本設(shè)計通過基于fpga,應(yīng)用vhdl實現(xiàn)qpsk的調(diào)制、解調(diào)電路。并在max+plusii實現(xiàn)仿真，判斷電路設(shè)計的正確性。第1章 緒 論1.1 設(shè)計的依據(jù)與意義近幾十年來，衛(wèi)星通信由于具有覆蓋地域廣、通信距離遠、通信容量大、傳輸質(zhì)量好和具有地址連接能力等優(yōu)點，已成為現(xiàn)在信息社會的一種重要通信手段。數(shù)字調(diào)制技術(shù)作為這個領(lǐng)域極為重要的一個方面，也得到了迅速的發(fā)展。數(shù)字調(diào)制信號又稱為鍵控信號，調(diào)制過程可用鍵控的

12、方法由基帶信號對載頻信號的振幅、頻率及相位進行調(diào)制，其中qpsk(即4psk)是mpsk(多進制相移鍵控)中應(yīng)用較廣泛的一種調(diào)制方式。qpsk( 四相相移鍵控) 具有較高的頻譜利用率和較好的誤碼性能，并且實現(xiàn)復(fù)雜度小，解調(diào)理論成熟，已成為新一代無線接入網(wǎng)物理層和b3g通信中使用的基本調(diào)制方式。qpsk調(diào)制技術(shù)與 fsk、bpsk等調(diào)制技術(shù)相比，不但抗干擾能力強，而且能更經(jīng)濟有效地利用頻帶。目前，qpsk調(diào)制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、ieee 802.11 的2mbps數(shù)據(jù)傳輸機制、數(shù)字微波通信系統(tǒng)、軍事通信、衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、有線電視的上行傳輸、寬帶接入與移動通信等領(lǐng)域。 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)在數(shù)字通

13、信中占有非常重要的地位，而數(shù)字通信技術(shù)與 fpga的結(jié)合是現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的一個必然趨勢。fpga器件（field programmable gate array）是八十年代中期出現(xiàn)的一種新概念。利用fpga技術(shù)設(shè)計的產(chǎn)品具有重量輕、體積小、速度快、保密程度高、功耗低等特點，極大地提高了產(chǎn)品的性價比和競爭力，大大縮短了設(shè)計周期，減少了設(shè)計費用，降低了設(shè)計風(fēng)險。1.2 同類產(chǎn)品的概況目前，隨著數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字信號的調(diào)制識別技術(shù)在軍事、民用領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用價值。近年來，各種調(diào)制技術(shù)層出不窮，一直受到人們的關(guān)注。由于qpsk能夠非相干解調(diào)并且頻譜利用率高， 所以已用于很多國家的無線通信

14、中，如北美移動/個人無線標準is-54和is-136以及歐洲私人商務(wù)無線電的tetra標準等等。在這些應(yīng)用中，一些高性能的qpsk調(diào)制/解調(diào)芯片相繼問世。國外已經(jīng)有一些關(guān)于全數(shù)字qpsk調(diào)制解調(diào)器方面的研究成果和芯片問世，如st公司st55、st5518，比利時newtec公司的ntc-2077/ft 、美國休斯公司的bcd4c-m5000，美國harrts公司和德國hisrschmann赫曼公司也都有相關(guān)的芯片。又如intel公司的stel-2176是一款全數(shù)字調(diào)制解調(diào)芯片，兼容ieee802.14、mcns和davic等標準。解調(diào)部分可直接輸入高達50mhz的中頻模擬信號，信號寬帶可達8m

15、hz,可解調(diào)16/64/256qam的連續(xù)信號；調(diào)制部分，可輸出smhz-65mhz的連續(xù)/突發(fā)信號，調(diào)制方式可以是bpsk/qpsk/qam,速率最高可高達40mbps（16qam）。與此同時，國內(nèi)也有一些成果，比如北京海爾集成電路設(shè)計有限公司研制的符合dvb-s標準的衛(wèi)星信號解碼器hqpsk-dv。該芯片包括載波恢復(fù)、符號同步、解調(diào)、前向糾錯和碼流解擾等功能。fpga技術(shù)在許多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，特別是在無線通信領(lǐng)域里，由于具有極強的實時性，使其對話音進行實時處理成為可能。由于它是通過面向芯片結(jié)構(gòu)指令的軟件編程來實現(xiàn)其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進系統(tǒng)原有設(shè)計方案或原有功

16、能，因而具有極大的靈活性；又由于fpga芯片并非專門為某種功能設(shè)計的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價格可以降到很低。就 fpga而言，由于亞微米工藝的采用，其速度更快，門數(shù)更多。目前l(fā)ucent和xilinx公司均有10萬門以上的產(chǎn)品，并且集成了一些新的功能，如 system on chip， programming on system等，使其更加靈活。所以fpga在無線通信系統(tǒng)中大量應(yīng)用，促進了無線通信的發(fā)展；而無線通信的蓬勃發(fā)展又促進了fpga技術(shù)的不斷進步。 第2章 數(shù)字通信系統(tǒng)2.1 通信系統(tǒng)的數(shù)字化為什么通信系統(tǒng)，無論是軍用系統(tǒng)還是商用系統(tǒng)，都在進行數(shù)字化？這有許多原因，其中最主要的原因

17、是：與模擬信號相比，數(shù)字信號更易于再生。數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸線上是理想的二進制數(shù)字脈沖。波形的形狀受到兩個基本因素的影響：（1）所有傳輸和電路的頻率傳遞函數(shù)都是非理想的；（2）存在電子噪聲或其他的干擾，這兩個因素都會引起波形的失真，并且此項失真是傳輸線長度的函數(shù)，在傳輸脈沖仍然能夠被可靠識別之前（即在傳輸脈沖惡化倒模糊狀態(tài)之前），由數(shù)字放大器將脈沖放大，并恢復(fù)其最初的理想形狀，這樣脈沖就“再生”了。在傳輸系統(tǒng)中，在規(guī)則的時間間隔內(nèi)執(zhí)行這種功能的電路稱為“再生中繼器”。與模擬電路相比，數(shù)字電路有更好的抗失真和干擾的能力。二進制數(shù)字電路的工作狀態(tài)只有兩個開或關(guān)，因此只有能夠把電路從一個狀態(tài)變換倒另一個

18、狀態(tài)的干擾才能起到破壞作用。這樣的兩個狀態(tài)工作有助于信號的再生，因而能在傳輸中有效的抑制噪聲和其他累計干擾。然而，模擬信號不是“雙態(tài)”信號，它的波形有無限多個，在模擬電路中，即使很小的干擾也能導(dǎo)致信號產(chǎn)生難以接受的失真，且失真一旦產(chǎn)生，就無法通過放大器來抑制。因為模擬信號不能去除累積的噪聲，所以就不能很好地再生信號。若采用數(shù)字技術(shù)，通過檢錯與糾錯可以獲得極低的差錯概率從而產(chǎn)生高保真信號，而模擬系統(tǒng)則沒有類似的技術(shù)。數(shù)字通信系統(tǒng)還有其他的優(yōu)點：數(shù)字電路比模擬電路更可靠，且其產(chǎn)生成本比模擬電路底；數(shù)字硬件比模擬硬件更具有靈活性，比如微機處理器、數(shù)字開關(guān)、大規(guī)模集成（lsi）電路等，時分復(fù)用的模擬信

19、號更簡單；不同類型的數(shù)字信號（數(shù)報、電報、電話、電視等）在傳輸和交換中都被堪稱是相同的信號比特信號；為方便交換，還可將數(shù)字信號以數(shù)據(jù)包的形式進行處理。數(shù)字技術(shù)因為能過抗自然干擾和人為干擾，能夠進行加密而更適用于信號處理。計算機于計算機之間、數(shù)字設(shè)備或終端與電腦之間的數(shù)據(jù)通信需求越來越多，這些數(shù)字終端可以通過數(shù)字通信鏈路獲得更好的服務(wù)。數(shù)字通信系統(tǒng)獲得這些優(yōu)點的代價是什么？與模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)更需要更多的信號處理技術(shù)。在通信的各個階段，數(shù)字系統(tǒng)都需要分配一部分資源用于實現(xiàn)同步，而在模擬系統(tǒng)中，同步相對比較容易。數(shù)字通信系統(tǒng)的另一個缺點是具有“門限效應(yīng)”，即當(dāng)信噪比下降倒一定限度時，服務(wù)質(zhì)量就

20、會急速惡化，而大部分模擬通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的下降則比較平滑。2.2 數(shù)字通信與模擬通信的性能比較模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)的一個主要區(qū)別是性能評估的方法不同。模擬系統(tǒng)的波形是連續(xù)的，因而有無窮多個，這說明接收機必需處理無窮多個波形。衡量模擬通信系統(tǒng)的性能的指標是保真標準，如信噪比、百分比失真、發(fā)端波形和收端波形之間的期望均方誤差。與模擬通信系統(tǒng)不同，數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)送的是代表數(shù)字的信號，這些數(shù)字組成一個有限集或字符表，且對于接收機而言該表是先驗而知的。衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的一個性能參數(shù)是錯誤判決的概率或者差錯概率（pe）。2.3 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成部分圖2-1顯示了一個數(shù)字通信系統(tǒng)的功能性框圖和基

21、本組成部分。信源輸出的可以是模擬信號，如音頻或是視頻信號；也可以是數(shù)字信號，如電傳機的輸出，該信號在時間上是離散的，并且具有有限個輸出字符。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由信源產(chǎn)生的消息變換成二進制數(shù)字序列。理論上，應(yīng)當(dāng)用盡可能少的二進制數(shù)字表示信源輸出（消息）。換句話說，我們要尋求一種信源輸出的有效的表示方法，使其很少產(chǎn)生或不產(chǎn)生沉余。將模擬或數(shù)字信源的輸出有效地變換成二進制數(shù)字序列的處理過程稱為信號編碼或數(shù)據(jù)壓縮。圖2-1 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成部分由信源編碼器輸出的二進制數(shù)字序列稱為信息序列，它被傳送倒新到編碼器。信道編碼器的目的是在二進制信息序列中以受控的方式引入一些沉余，以便于在接收機中用來克服

22、信號在信道中傳輸時所遭受的噪聲和干擾的影響。因此。所增加的沉余是用來提高接受數(shù)據(jù)的可靠性以及改善接受號的逼真度的。實際上，信息序列中的沉余有助于接收機譯出期望的信息序列。例如，二進制信息序列的一種（平凡的）形式的編碼就是將每個二進制數(shù)字簡單重復(fù)m次，這里m為一個整數(shù)。更復(fù)雜的（不平法的）編碼涉及倒一次取k個信息比特，并將每個k比特序列映射成唯一的n比特序列，該序列成為碼字。以這種方式對數(shù)據(jù)編碼所引入的沉余的大小是由比特n/k來衡量的。該比特的倒數(shù)，即k/n,稱為碼的速率或簡稱碼率。信道編碼器輸出的二進制序列送至數(shù)字調(diào)制器，它是通信信道的接口。因為在實際中遇到的幾乎所有的通信信道都能夠傳輸電信號

23、（波形），所以數(shù)字調(diào)制的主要目的是將二進制信息序列映射成信號波形。為了詳細說明這點，假定已編碼的信息序列以均勻速率r（b/s）一次一個比特傳輸，數(shù)字調(diào)制器可以簡單地將二進制數(shù)字0映射成波形s0(t), 信道編碼器輸出的二進制序列送至數(shù)字調(diào)制器，它是通信信道的接口。因為在實際中遇到的幾乎所有的通信信道都能夠傳輸電信號（波形），所以數(shù)字調(diào)制的主要目的是將二進制信息序列映射成信號波形。為了詳細說明這點，假定已編碼的信息序列以均勻速率r（b/s）一次一個比特傳輸，數(shù)字調(diào)制器可以簡單地將二進制數(shù)字0映射成波形s0(t),而二進制數(shù)字“1”映射成波形s1（1）。在這種方式中，信道編碼器輸出的每個比特是分別

24、傳輸?shù)?。我們把它稱為二進制調(diào)制。另一種方式。調(diào)制器一次輸出b個已編碼的信息比特，其方法是采用m=2個不同的波形si（t），i=0，1，2，m。每一個波形采用來傳輸2b個可能的b比特序列中的一個序列。我們稱這種方式為m調(diào)制（m2）。注意，每個b/r秒就有一個新的b比特序列進入調(diào)制器。因此，當(dāng)信道比特率r固定，與一個b比特序列相應(yīng)的m個波形之一的傳輸時間量是二進制調(diào)制系統(tǒng)時間周期的b倍。通信信道是用來將發(fā)送機的信號發(fā)送給接收機的物質(zhì)媒介。在無線傳輸中，信道可以是大氣（自由空間）。另一個方面，電話信道通常使用各種各樣的物質(zhì)媒介，包括有線線路、光纜和無線（微波）等。物理用什么物理媒質(zhì)來傳輸信息，其基本

25、特點是發(fā)送信號隨機地受到各種可能機理的惡化，例如由于電子器件產(chǎn)生的加性熱熱噪聲、人為噪聲（如汽車點火噪聲）及大氣噪聲（如在雷暴雨時的閃電）。在數(shù)字通信系統(tǒng)的接收端，數(shù)字解調(diào)器對受到信道惡化的發(fā)送波形進行處理，并將該波形還原成一個數(shù)的序列，該序列表示發(fā)送數(shù)據(jù)符號的估計值（二進制或m元）。這個數(shù)的序列被送至信道譯碼器，它根據(jù)信道編碼器所用的關(guān)于碼的知識及接受數(shù)據(jù)所含的沉余度重構(gòu)初始的信息序列。解調(diào)器和譯碼器工作性能好壞的一個度量是譯碼序列中發(fā)生差錯的頻度。更準確地說，在譯碼器輸出端的平均比特錯誤概率是解調(diào)器-譯碼器組合性能的一個度量。一般地，錯誤概率是下列各種因素的函數(shù)：碼特征、用來在信道上傳輸信

26、息的波形的類型、發(fā)送功率、信道的特征（即噪聲的大小、干擾的性質(zhì)等）以及解調(diào)和譯碼的方法。作為最后一步，當(dāng)需要模擬輸出時，信源譯碼器從信道譯碼器接受機輸出序列，并根據(jù)所采用的信源編碼方法的有關(guān)知識重構(gòu)由信源發(fā)出的原始信號。由于信道譯碼的差錯以及信源編碼器可能引入的失真，在信源譯碼器輸出端的信號只是原始信源輸出的一個近似。在原始信號與重構(gòu)信號之間的信號差或信號差的函數(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)引入失真的一種度量。2.4 數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制是將數(shù)字符號轉(zhuǎn)換成合適信道特性的波形的過程?；鶐д{(diào)制中這些波形通常具有整形脈沖的形式，而在帶通調(diào)制中則利用整形脈沖調(diào)制正弦信號，此正弦信號稱為載波波形，或簡稱為載波。將載波

27、轉(zhuǎn)換電磁波傳播到指定的地點就可以實現(xiàn)無線傳輸。通過帶通調(diào)制（模擬或數(shù)字）過程，可以將攜帶信息的信號轉(zhuǎn)換為正弦波形；對于數(shù)字調(diào)制，一個周期為t的正弦波形代表了一個碼元。某個正弦信號可以用三個特征區(qū)別于其他正弦信號；幅度、頻率和相位。因此，帶通調(diào)制可以對射頻載波的幅度、頻率和相位，或者三者之間的聯(lián)合進行調(diào)制，傳輸?shù)妮d波中三個參量隨著信號的變化而變化。載波的一般表達式為： （2-1）其中，a(t)是隨時間變化的幅度，是隨時間變化的角度，也可以表示成 （2-2）因此 （2-3）其中，是載波的角頻率，是相位，和都可以用來表示頻率；如果用表示，則頻率單位為hz，如果用表示，則頻率單位為弧度1秒，兩者之間的

28、對應(yīng)關(guān)系為=。如果接收機利用載波相位來檢測信號，則稱為相干檢測，反之，如果沒有利用相位參考信息，則稱為非相干檢測。在數(shù)字通信中，解調(diào)和檢測經(jīng)?？梢曰ビ茫M管解調(diào)側(cè)重于波形的恢復(fù)，而檢測側(cè)重于碼元的判決。在理想的相干檢測中，每種可能的發(fā)射信號的模型對接收端來說都是已知的。用這些已知的模型波形去等效接收信號，使接收信號在各方面包括相位上都等同于模型波形。然后接收端采用鎖相技術(shù)跟蹤到達的信號。解調(diào)時，接收端將接收到的信號與各原型信號相乘，進行相干解調(diào)。相干調(diào)制/解調(diào)一項包括相移鍵控、頻移鍵控、幅移鍵控、連續(xù)相位調(diào)制和混合調(diào)制。2.5 數(shù)字調(diào)制的方法2.5.1 psk-又稱相移鍵控法相移鍵控（psk）

29、是在太空計劃的早期發(fā)展起來的，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于軍事和商用通信系統(tǒng)中。psk的一般表示式為 i=1，m （2-4）其中，有m個離散值，可以表示為： 1，m 根據(jù)數(shù)字基帶信號的兩個電平使載波相位在兩個不同的數(shù)值之間切換的一種相位調(diào)制方法。產(chǎn)生psk信號的兩種方法： 1調(diào)相法：將基帶數(shù)字信號（雙極性）與載波信號直接相乘的方法。2選擇法：用數(shù)字基帶信號去對相位相差180度的兩個載波進行選擇。 兩個載波相位通常相差180度，此時稱為反向鍵控（psk）。 解調(diào)方法：只能采用相干解調(diào)。類型：二進制相移鍵控（2psk） ，多進制相移鍵控（mpsk）。2.5.2 fsk-又稱頻移鍵控法所謂fsk就是用數(shù)字信號去調(diào)

30、制載波的頻率，fsk調(diào)制一般表示式為： 1，m （2-5） 其中，頻率項有m個離散型值，相位項是任意常量。 fsk是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，它的主要優(yōu)點是: 實現(xiàn)起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。 調(diào)制方法：2fsk可看作是兩個不同載波頻率的ask以調(diào)信號之和。解調(diào)方法：相干法和非相干法。類型：二進制移頻鍵控（2fsk），多進制移頻鍵控（mfsk）。2.5.3 ask-又稱幅移鍵控法幅頻鍵控通用表達為： 1，m (2-6)其中，振幅項有m個離散值，相位項 是任意常量。載波幅度是隨著調(diào)制信號而變化的。其最簡單的形式是，載波在二進制調(diào)制信號控制下

31、通斷， 這種方式還可稱作通-斷鍵控或開關(guān)鍵控。調(diào)制方法：用相乘器實現(xiàn)調(diào)制器。調(diào)制類型：2ask,mask。解調(diào)方法：相干法，非相干法。2.5.4 mask-又稱多進制數(shù)字調(diào)制法在二進制數(shù)字調(diào)制中每個符號只能表示0和1(+1或-1)。但在許多實際的數(shù)字傳輸系統(tǒng)中卻往往采用多進制的數(shù)字調(diào)制方式。與二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相比，多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)具有如下兩個特點： 第一：在相同的信道碼源調(diào)制中，每個符號可以攜帶log2m比特信息，因此，當(dāng)信道頻帶受限時可以使信息傳輸率增加，提高了頻帶利用率。但由此付出的代價是增加信號功率和實現(xiàn)上的復(fù)雜性。 第二，在相同的信息速率下，由于多進制方式的信道傳輸速率可以比二進制

32、的低，因而多進制信號碼源的持續(xù)時間要比二進制的寬。加寬碼元寬度，就會增加信號碼元的能量，也能減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響等。 從傳統(tǒng)數(shù)字調(diào)制技術(shù)擴展的技術(shù)有正交幅度調(diào)制（qam）、最小移頻鍵控（msk）、高斯濾波最小移頻鍵控（gmsk）等。2.5.5 qam-又稱正交幅度調(diào)制法在二進制ask系統(tǒng)中，其頻帶利用率是1bitshz，若利用正交載波調(diào)制技術(shù)傳輸ask信號，可使頻帶利用率提高一倍。如果再把多進制與其它技術(shù)結(jié)合起來，還可進一步提高頻帶利用率。能夠完成這種任務(wù)的技術(shù)稱為正交幅度調(diào)制（qam）。它是利用正交載波對兩路信號分別進行雙邊帶抑制載波調(diào)幅形成的。通常有二進制 qam，四進制q

33、am（16qam），八進制qam（64qam）等。2.5.6 msk-又稱最小移頻鍵控法當(dāng)信道中存在非線性的問題和帶寬限制時，幅度變化的數(shù)字信號通過信道會使己濾除的帶外頻率分量恢復(fù)，發(fā)生頻譜擴展現(xiàn)象，同時還要滿足頻率資源限制的要求。因此，對己調(diào)信號有兩點要求，一是要求包絡(luò)恒定；二是具有最小功率譜占用率。因此，現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展方向是最小功率譜占有率的恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)。現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)的關(guān)鍵在于相位變化的連續(xù)性，從而減少頻率占用。近年來新發(fā)展起來的技術(shù)主要分兩大類：一是連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)（cpfsk），在碼元轉(zhuǎn)換期間無相位突變，如msk，gmsk等；二是相關(guān)相移鍵控技術(shù)（cor-psk），利

34、用部分響應(yīng)技術(shù)，對傳輸數(shù)據(jù)先進行相位編碼，再進行調(diào)相（或調(diào)頻）。 msk（最小頻移鍵控）是移頻鍵控fsk的一種改進形式。在fsk方式中，每一碼元的頻率不變或者跳變一個固定值，而兩個相鄰的頻率跳變碼元信號，其相位通常是不連續(xù)的。所謂msk方式，就是fsk信號的相位始終保持連續(xù)變化的一種特殊方式?？梢钥闯墒钦{(diào)制指數(shù)為0.5的一種cpfsk信號。 實現(xiàn)msk調(diào)制的過程為：先將輸入的基帶信號進行差分編碼，然后將其分成i、q兩路，并互相交錯一個碼元寬度，再用加權(quán)函數(shù)cos（t/2tb）和sin（t/2tb）分別對i、q兩路數(shù)據(jù)加權(quán)，最后將兩路數(shù)據(jù)分別用正交載波調(diào)制。msk使用相干載波最佳接收機解調(diào)。 2

35、.5.7 gmsk-又稱高斯濾波最小移頻鍵控法是使用高斯濾波器的連續(xù)相位移頻鍵控，它具有比等效的未經(jīng)濾波的連續(xù)相位移頻鍵控信號更窄的頻譜。 在gsm系統(tǒng)中，為了滿足移動通信對鄰信道干擾的嚴格要求，采用高斯濾波最小移頻鍵調(diào)制方式（gmsk），該調(diào)制方式的調(diào)制速率為270833kbit/sec，每個時分多址tdma幀占用一個時隙來發(fā)送脈沖簇，其脈沖簇的速率為3386kbs。它使調(diào)制后的頻譜主瓣窄、旁瓣衰落快，從而滿足gsm系統(tǒng)要求，節(jié)省頻率資源。第3章 fpga與vhdl語言介紹3.1 fpga介紹3.1.1 fpga的發(fā)展歷史早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存儲器（prom）、紫外線可擦除只讀

36、存儲器（eprom）和電可擦除只讀存儲器（e2prom）三種。由于結(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。其后出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)上稍復(fù)雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件（pld），它能夠完成各種數(shù)字邏輯功能。典型的pld由一個“與”門和一個“或”門陣列組成，而任意一個組合邏輯都可以用“與或”表達式來描述，所以pld能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能。這一階段的產(chǎn)品主要有pal（可編程陣列邏輯）和gal（通用陣列邏輯）。 pal由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。pal器件是現(xiàn)場可編程的，它的實現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、eprom技術(shù)和

37、e2prom技術(shù)。還有一類結(jié)構(gòu)更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列（pla），它也由一個“與”平面和一個“或”平面構(gòu)成，但是這兩個平面的連接關(guān)系是可編程的。pla器件既有現(xiàn)場可編程的，也有掩膜可編程的。在pal的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種通用陣列邏輯（gal，generic arraylogic），如gal16v8、gal22v10等。它采用了eprom工藝，實現(xiàn)了電可擦除、電可改寫，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計具有很強的靈活性，至今仍有許多人使用。這些早期的pld器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路。為了彌補這一缺陷，20

38、世紀80年代中期，altera和xilinx分別推出了類似于pal結(jié)構(gòu)的擴展型cpld（complex programmable logic dvice）和與標準門陣列類似的fpga（fieldprogrammable gate array），它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。這兩種器件兼容了pld和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其他asic（application specific ic）相比，它們又具有設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品不需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)

39、計和產(chǎn)品生產(chǎn)（一般在10 000件以下）之中。幾乎所有應(yīng)用門陣列、pld和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用fpga和cpld器件。fpga是英文field programmable gate arry的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在pal、gal、epld等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（asic）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，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。3.1.2 fpga的基本特點fpga采用了邏輯單元陣列這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內(nèi)部連線三個部分。fpga的基本特點主要有：（1）采用fp

40、ga設(shè)計asic電路，用戶不需要投片生產(chǎn)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(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和io引腳；（4）fpga是asic電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)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。可以說，fpga芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度和可靠性的最佳選擇之一。3.1.3 fpga的優(yōu)點fpga芯片都是特殊的asic芯片，除了具有asic的特點之外，還具有以下3個優(yōu)點。隨著超大規(guī)模集成電路工藝的不斷提高，單一芯片內(nèi)部可以容納上百萬個晶體管，fpga/cpld芯片的規(guī)模也

41、越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達到上百萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。fpga/cpld芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計人員承擔(dān)投片風(fēng)險和費用，設(shè)計人員只需在自己的實驗室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能設(shè)計。所以，fpga/cpld的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費。用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。所以，用fpga/cpld試制樣片，能以最快的速度占領(lǐng)市場。fpga/cpld軟件包中有各種輸入工具和仿真工具及版圖設(shè)計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計人員在很短的時間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、

42、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作。當(dāng)電路有少量改動時，更能顯示出fpga/cpld的優(yōu)勢。電路設(shè)計人員使用fpga/cpld進行電路設(shè)計時，不需要具備專門的ic（集成電路）深層次的知識，fpga/cpld軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計人員更能集中精力進行電路設(shè)計，快速將產(chǎn)品推向市場。3.2 vhdl語言介紹3.2.1 vhdl語言發(fā)展回顧vhdl誕生于1982年，1987年底，vhdl被ieee和美國國防部確認為標準硬件描述語言 。自ieee公布了vhdl的標準版，ieee-1076（簡稱87版)之后，各eda公司相繼推出了自己的vhdl設(shè)計環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計工具可以和vhdl接口。此后vhdl在

43、電子設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標準的硬件描述語言。1993年，ieee對vhdl進行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴展vhdl的內(nèi)容，公布了新版本的vhdl，即ieee標準的1076-1993版本，（簡稱93版）?，F(xiàn)在，vhdl和verilog作為ieee的工業(yè)標準硬件描述語言，又得到眾多eda公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實上的通用硬件描述語言。有專家認為，在新的世紀中，vhdl于verilog語言將承擔(dān)起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。 vhdl語言是一種用于電路設(shè)計的高級語言。它在80年代的后期出現(xiàn)。最初是由美國國防部開發(fā)出來供美軍用來提高設(shè)計的可靠性和縮減

44、開發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計語言 。3.2.2 vhdl系統(tǒng)設(shè)計的特點vhdl主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，vhdl的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。vhdl的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計，或稱設(shè)計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分,及端口)和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是vhdl系統(tǒng)設(shè)計的基本點。與其他硬件描述語言相比，vhdl

45、具有以下特點：功能強大、設(shè)計靈活。vhdl具有功能強大的語言結(jié)構(gòu)，可以用簡潔明確的源代碼來描述復(fù)雜的邏輯控制。它具有多層次的設(shè)計描述功能，層層細化，最后可直接生成電路級描述。vhdl支持同步電路、異步電路和隨機電路的設(shè)計，這是其他硬件描述語言所不能比擬的。vhdl還支持各種設(shè)計方法，既支持自底向上的設(shè)計，又支持自頂向下的設(shè)計；既支持模塊化設(shè)計，又支持層次化設(shè)計。支持廣泛、易于修改。由于vhdl已經(jīng)成為ieee標準所規(guī)范的硬件描述語言，目前大多數(shù)eda工具幾乎都支持vhdl，這為vhdl的進一步推廣和廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在硬件電路設(shè)計過程中，主要的設(shè)計文件是用vhdl編寫的源代碼，因為vhdl易

46、讀和結(jié)構(gòu)化，所以易于修改設(shè)計。強大的系統(tǒng)硬件描述能力。vhdl具有多層次的設(shè)計描述功能，既可以描述系統(tǒng)級電路，又可以描述門級電路。而描述既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者混合的混合級描述。另外，vhdl支持慣性延遲和傳輸延遲，還可以準確地建立硬件電路模型。vhdl支持預(yù)定義的和自定義的數(shù)據(jù)類型，給硬件描述帶來較大的自由度，使設(shè)計人員能夠方便地創(chuàng)建高層次的系統(tǒng)模型。獨立于器件的設(shè)計、與工藝無關(guān)。設(shè)計人員用vhdl進行設(shè)計時，不需要首先考慮選擇完成設(shè)計的器件，就可以集中精力進行設(shè)計的優(yōu)化。當(dāng)設(shè)計描述完成后，可以用多種不同的器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其功能。很強的移植能力。vhdl是一

47、種標準化的硬件描述語言，同一個設(shè)計描述可以被不同的工具所支持，使得設(shè)計描述的移植成為可能。易于共享和復(fù)用。vhdl采用基于庫（library）的設(shè)計方法，可以建立各種可再次利用的模塊。這些模塊可以預(yù)先設(shè)計或使用以前設(shè)計中的存檔模塊，將這些模塊存放到庫中，就可以在以后的設(shè)計中進行復(fù)用，可以使設(shè)計成果在設(shè)計人員之間進行交流和共享，減少硬件電路設(shè)計。3.2.3 vhdl系統(tǒng)優(yōu)勢（1）與其他的硬件描述語言相比，vhdl具有更強的行為描述能力，從而決定了他成為系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。強大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。（2）vhdl豐富的仿真語

48、句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計早期就能查驗設(shè)計系統(tǒng)的功能可行性，隨時可對設(shè)計進行仿真模擬。（3）vhdl語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計的再利用功能。符合市場需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效，高速的完成必須有多人甚至多個代發(fā)組共同并行工作才能實現(xiàn)。（4）對于用vhdl完成的一個確定的設(shè)計，可以利用eda工具進行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動的把vhdl描述設(shè)計轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。（5）vhdl對設(shè)計的描述具有相對獨立性，設(shè)計者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計實現(xiàn)的目標器件是什么，而進行獨立的設(shè)計。17第4章 四相移相鍵控（qpsk）4.1 qpsk概述四相移相鍵控信號簡

49、稱“qpsk”。它分為絕對相移和相對相移兩種。它具有一系列獨特的優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線通信中，成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制解調(diào)方式。qpsk是英文quadrature phase shift keying的縮略語簡稱，意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。 在數(shù)字信號的調(diào)制方式中qpsk四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號調(diào)制方式,它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性、在電路上實現(xiàn)也較為簡單。4.2 qpsk的特點四相移相調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息，是四進制移相鍵控。qpsk是在m=4時的調(diào)相技術(shù)，它規(guī)定了四種載波相位，分別為0，90，1800，270，

50、調(diào)制輸入的數(shù)據(jù)是二進制數(shù)字序列，為了能和四進制的載波相位配合起來，則需要把二進制數(shù)據(jù)變換為四進制數(shù)據(jù)，這就是說需要把二進制數(shù)字序列中每兩個比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組成，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。qpsk中每次調(diào)制可傳輸2個信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。4.3 qpsk的原理在m相制中，m種相位可以用來表示k比特碼元的2種狀態(tài)，故有2=m。假設(shè)k比特碼元的持續(xù)時間仍為t，則m相制調(diào)制波形可以表示： = (4-1)式中 受調(diào)相位，可以有m種不同取值；=cos；=sin。

51、由式(4-1)可見，多相制的波形可以看作兩個正交載波進行多電平雙邊帶調(diào)制所得信號之和。qpsk是在m=4時利用載波的四種不同相位來表征數(shù)字信息。由于每一種載波相位代表兩個比特信息，故每個四進制碼元又被稱為雙比特碼元。我們把組成雙比特碼元的前一信息比特用a代表，后一信息比特用b代表。雙比特碼元中兩個信息比特ab通常是按格雷碼排列的，它與載波相位的關(guān)系如表4-1所示，矢量關(guān)系如圖4-1所示。圖(a)表示a方式時qpsk信號矢量圖，圖(b)表示b方式時qpsk信號的矢量圖。四相調(diào)制信號用式(4-1)表示時，相位在(0，2)內(nèi)等間隔地取四種可能相位。由于正弦和余弦的互補特性，對應(yīng)的四種取值，譬如0、9

52、0、180、270，其幅度和只有兩種取值，即。此時，式(4-1)恰好表示兩個正交的二相調(diào)制信號的合成。表4-1 雙比特碼元與載波相位的關(guān)系雙比特碼元載波相位aba方式b方式0011010109018027045135225315 (a) a方式的qpsk信號矢量圖 (b)b方式的qpsk信號矢量圖圖4-1qpsk信號的矢量圖4.4 qpsk的調(diào)制和解調(diào)4.4.1 調(diào)制在實際的設(shè)計實現(xiàn)中qpsk的調(diào)制具體實現(xiàn)方法有兩種：（1）調(diào)相法：用調(diào)相法產(chǎn)生qpsk信號的組成框圖如圖4-2(a)所示。圖中，串/并變換器將輸入的二進制序列依次分為兩個并行的雙極性序列。設(shè)兩個序列中的二進制數(shù)字分別為a和b，每一

53、對ab稱為一個雙比特碼元。雙極性的a和b脈沖通過兩個平衡調(diào)制器分別對同相載波及正交載波進行二相調(diào)制，得到圖4-2(b)所示的虛線矢量。將兩路輸出疊加，即得如圖4-2(b)中實線矢量。調(diào)制的過程如下：輸入比特流分為兩路比特流i(t)、q(t)（同相和正交流），每個的比特率為。比特流i(t)叫做偶流，q(t)叫做奇流。兩個二進制序列分別用兩個正交的載波進行調(diào)制，q支路的載波相位較i支路的相位滯后90度。兩個已調(diào)信號每一個都可以看作是一個bpsk信號（只不過對它們的調(diào)制載波存在限制），對它們相加產(chǎn)生一個qpsk信號。與bpsk一樣，每一支路在進行調(diào)制之前一般要進行nyquist成形濾波使qpsk信號

54、的功率譜限制在分配的帶寬內(nèi)。這樣可以防止信號能量泄漏到相鄰的信道，還能去除在調(diào)制過程中產(chǎn)生的帶外雜散信號。同時還必需保證不產(chǎn)生碼間串?dāng)_。在一般通信系統(tǒng)中，脈沖成形在基帶進行。其相位編碼邏輯關(guān)系如表4-2所示。(a) 調(diào)相法產(chǎn)生qpsk信號的方框圖(b)(b) 調(diào)相法產(chǎn)生qpsk信號的矢量關(guān)系圖4-2調(diào)相法的組成方框圖表4-2 qpsk信號相位編碼邏輯關(guān)系a1001b1100a路平衡調(diào)制器輸出b路平衡調(diào)制器輸出合成相位02703151802702251809013509045（2）相位選擇法：相位選擇法產(chǎn)生qpsk信號的組成框圖如圖4-3所示。圖中，四相載波發(fā)生器分別送出調(diào)相所需的四種不同相位載

55、波。按照串/并變換器輸出的雙比特碼元的不同，邏輯選相電路輸出相應(yīng)的相位載波。例如，由圖4-3可知，四相載波發(fā)生器分別送出調(diào)相所需的4種不同相位的載波，即數(shù)字載波信號。雙比特碼元ab為00時，輸出相位為00的載波；ab為01時，輸出相位為900的載波；ab為10時，輸出相位為1800的載波；ab為11時，輸出相位為2700的載波。 圖4-3 相位選擇法原理圖4.4.2 解調(diào)qpsk 信號是兩個正交的2psk 信號的合成, 所以可仿照2psk 信號的相平解調(diào)法, 用兩個正交的相干載波分別檢測a和b 兩個分量, 然后還原成串行二進制數(shù)字信號, 即可完成qpsk 信號的解調(diào), 在2psk信號相干解調(diào)過程中會產(chǎn)生180相位模糊。同樣，對于qpsk信號相干解調(diào)也會產(chǎn)生相位模糊問題，并且是0、90、180、270四個相位模糊。 解調(diào)過程如圖4-4 所示。圖4-4 解