数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现
MATLAB与FPGA的接口
FPGA器件的开发平台与MATLAB接口仿真2007-09-03 16:24FPGA器件的开发平台与MATLAB接口仿真中南财经政法大学信息学院周巍武汉大学电气工程学院张志杰引言现场可编程逻辑门阵列FPGA器件的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果。
FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用功能。
它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。
目前使用最多的Quartus II 软件支持几乎所有的EDA工具，并且可以通过命令行或Tcl脚本与第三方EDA工具之间进行无缝连接。
但在很多工程设计应用中，由FPGA器件完成的主程序中只完成大量的数学运算，程序调试时以二进制输出的信号可视性差，给设计人员进行仿真、调试带来了很多不便。
对于很多工程设计人员来说MATLAB是一种熟悉的具有强大的运算功能和波形仿真、分析功能的软件，如果能将FPGA与MA TLAB接口，就可以快速、准确、直观地对FPGA程序进行校验和仿真，尤其在波形信号处理等工程应用领域具有实际意义。
Quartus II 开发软件Altera公司的QuartusII软件提供了可编程片上系统（SOPC）设计的一个综合开发环境。
Quartus II 开发工具人机界面友好、易于使用、性能优良，并自带编译、仿真功能。
QuartusII 软件支持VHDL和Verilog硬件描述语言的设计输入、基于图形的设计输入方式以及集成系统级设计工具。
QuartusII软件可以将设计、综合、布局和布线以及系统的验证全部都整合到一个无缝的环境之中，其中也包括和第三方EDA工具的接口。
QuartusII设计软件根据设计者需要提供了一个完整的多平台开发环境，它包含整个FPGA和CPLD设计阶段的解决方案。
图1说明了QuartusII软件的开发流程。
在实际应用设计中，对程序原理性及可执行性的验证主要集中在程序修改阶段，尤其在处理的数据复杂、繁多时，Quartus II自带的波形输入仿真就很难实现程序的验证，而且输出的数据不能方便的以波形图示直观的呈现，给程序设计者在校验程序阶段带来了很多的不便。
基于FPGA和MATLAB的QPSK调制解调硕士学位论文
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
本文首先介绍了QPSK调制解调系统的基本原理，系统主要包括QPSK调制，Costas载波同步环，Gardner位同步环，自适应AGC。并对每个模块做了简单的介绍。然后对每个模块进行理论研究与分析，并进行MATLAB仿真，得到其中一些设计参数。由于整个系统，同步技术占有重要位置，为了突出其重要性，我们对载波同步和位同步进行了详细的理论分析。最后提出了系统的FPGA设计方案。整个系统以ISE10.1为软件开发平台，通过verilog HDL和xilinx公司的ip核进行设计与实现，并对每个模块进行了modelsim仿真，仿真包括功能仿真与时序仿真。最后将设计完的解调模块下载到Spartan 3AN1400的软件无线电开发平台上进行测试，发送信号则通过E4438C产生，测试不同噪声，频偏，时偏的情况下，系统的工作情况。并采用chipscope进行实时观察，获得硬件测试结果。
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
FPGA调制解调技术综述
FPGA调制解调技术综述近年来，随着通信技术的飞速发展，FPGA调制解调技术作为一项重要的通信技术应用得到了广泛的关注和研究。
本文将对FPGA调制解调技术进行综述，介绍其概念、特点、应用以及发展趋势。
一、概述FPGA（Field-Programmable Gate Array）调制解调技术是一种利用FPGA芯片实现数字信号的调制和解调的技术手段。
与传统的硬件模块相比，FPGA调制解调技术具有灵活性高、可重构性强、设计周期短、成本低等优点。
它通过对FPGA芯片的可编程性，实现了数字调制解调算法的灵活配置和快速实现。
因此，在无线通信、光纤通信、通信协议等领域均有广泛的应用。
二、FPGA调制解调技术特点1. 灵活性高：FPGA芯片具有良好的模块化特性，可根据实际需求进行灵活配置和组合，实现不同调制解调算法的定制化设计。
2. 可重构性强：由于FPGA芯片可编程性的特点，其调制解调功能可以根据需求进行重构和优化，实现不同通信标准的兼容性。
3. 设计周期短：相对于传统的硬件开发方式，FPGA调制解调技术采用了软件化的设计方法，设计和验证过程更加简便、高效，可以大幅缩短产品开发周期。
4. 成本低：FPGA芯片的价格相对较低，且一块FPGA芯片可以实现多种不同的调制解调算法，有效降低了设备制造成本。
三、FPGA调制解调技术应用1. 无线通信领域：FPGA调制解调技术广泛应用于蜂窝通信、无线局域网（WLAN）、卫星通信、无线传感器网络等无线通信系统中。
通过合理配置FPGA芯片，可以实现多种调制方式（如QAM、PSK、FSK等），提高通信系统的适应性和性能。
2. 光纤通信领域：在光纤通信系统中，FPGA调制解调技术可以用于实现光的相位和强度调制，提高光纤通信的传输容量和速率，同时还可以降低系统的成本和功耗。
3. 通信协议领域：FPGA调制解调技术在通信协议的实现中起到了关键作用。
通过对FPGA芯片的灵活配置，可以实现不同协议的解析和封装，以及数据包的解码和编码等功能，提升了通信系统的稳定性和可扩展性。
数字调制解调过程及用FPGA实现的思路
目录一、2FSK的调制解调过程及用FPGA实现的思路1. 2FSK信号的产生2.2FSK信号的解调3.采用FPGA实现2FSK调制与解调的整体思路二、BPSK的调制解调过程及用FPGA实现的思路1.BPSK信号的产生2.BPSK信号的解调3.采用FPGA实现BPSK调制与解调的整体思路三、DBPSK的调制解调过程及用FPGA实现的思路1.DBPSK信号的产生2.DBPSK信号的解调3.采用FPGA实现BPSK调制与解调的整体思路四、总结对比五、遇到的问题参考书目一、2FSK的调制解调过程及用FPGA实现的思路1.2FSK信号的产生2FSK信号的产生方法主要有两种。
第一种是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，如(a)图所示，使其能够输出两个不同频率的码元。
第二种方法是用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，如(b)图所示。
这两种调制方法相比较，存在以下差异：①直接调频法易于实现，但由于在同一振荡器产生两个不同频率的信号，在频率的过渡点相位是连续的（如图c），其频率稳定度较差。
而且这种方法产生的频移不能太大，否则振荡不稳，甚至停振，因而在实际应用方面不广，仅适于低速传输系统。
②键控法是用数字矩形脉冲控制开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进行转换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。
由于产生的f1和f2载频是由两个独立的载频实现，则输出的2FSK信号的相位是不连续的（如图d），而且这种方法的转换速度快，波形好，频率稳定度高且易于实现，电路不复杂，在实用中可以用一个频率合成器代替两个独立的振荡器再经分频链，进行不同的分频而得到。
(c)相位连续 (d)相位不连续采用键控法产生2FSK信号的原理电路框图为：2.2FSK 信号的解调(1) 非相干解调(如图e)非相干解调即包络检波法，可视为由两路2ASK 解调电路组成。
这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK 信号带宽，中心频率不同，分别为1f 、2f ）起分路作用，用以分开两路2ASK 信号，上支路对应11()()cos()n y t s t t ωϕ=+，下支路对应22()()cos()n y t s t t ωθ=+，经包络检波（整流-低通）后分别取出它们的包络s(t)及()s t ；抽样判决器起比较器的作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决出基带数字信号。
OFDM调制解调及FPGA实现
OFDM(正交频分复用)是一种高效的多载波调制技术，其最大的特点是传输速率高，具有很强的抗码间干扰和信道选择性衰落能力。
OFDM最初用于高速MODEM、数字移动通信和无线调频信道上的宽带数据传输，随着IEEE802.11a协议、BRAN(Broadband Radio Access Network）和多媒体的发展，数字音频广播（DAB）、地面数字视频广播(（DVB-T）和高清晰度电视（（HDTV）都应用了OFDM 技术.OFDM利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT)代替多载波调制和解调，调制解调的核心是快速傅立叶运算单元，在进行蝴蝶运算时，不可避免的要进行大量的乘法运算。
由于FPGA具有强大的并行处理和计算能力,以及丰富的存储资源和逻辑运算资源,因此在FPGA器件上实现OFDM调制解调结构，具有很好的通用性和灵活性。
OFDM与系统框图OFDM的多个载波相互正交，一个信号内包含整数个载波周期，每个载波的频点和相邻载波零点重叠，这种载波间的部分重叠提高了频带利用率.OFDM每个子信道的频谱均为sinx/x形，各子信道频谱相互交叠，但在每个子信道载频的位置来自其他子信道的干扰为零，如图1所示。
OFDM系统如图2所示，OFDM系统的调制和解调分别由IFFT和FFT完成。
首先将串行输入数据d0，d1。
，d(N—1)变换成并行数据，接下来进行编码和星座图映射，得到频域数据。
经过IFFT后相当于调制到正交的N个f0，f1，。
，fN-1子载波,完成正交频分复用.接下来加入循环前缀，进行并/串转换,数/模转换，再调制到高频载波上发送。
如果是基带传输，则不需要进行载波调制。
在接收端进行相反的操作,使用N个相同的子载波进行N路解调，再将这N路解调信号并串输出，复现发送的原始信号。
经过FFT变换后的数据相当于将时域数据再转换成频域数据，即完成了OFDM信号的解调。
OFDM调制原理虽然是用N个正交的载波分别调制N路子信道码元序列,但实际中很难独立产生N个正交的载波。
基于MATLAB和FPGA设计及应用
基于MATLAB和FPGA设计及应用作者：王振覃云维段明玮来源：《中国新通信》2012年第14期【摘要】本文主要通过进行分析FPGA设计中存在的问题，并提出采用MATLAB中的Fixed-point Toolbox对FPGA测试数据进行分析，并通过具体的实例进行证明，在FPGA设计中采用MATLAB软件能够为FPGA的设计带来巨大的方便。
【关键词】MATLAB软件现场可编门阵列设计应用随着科学技术的发展，在网络、图像处理、视频以及数字通信等领域中，FPGA技术已经成为高性能数字信号处理系统的一项重要的元件。
但是由于FPGA设计调试环境中只能直观的显示出仿真测试数据的时域波形，不能显示数据的频谱等特性，从而为设计和调式带来困难。
如果将FPGA设计环境中的测试数据通过文件格式传给MATLAB软件，并利用MATLAB软件对数据进行处理，使测试结果更加容易判断，并未为FPGA的设计和调式提供方便。
下面具体进行分析此方法对FPGA设计是否方便有效。
1FPGA设计中存在的问题FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是可编程数字集成电路器件。
目前随着科学技术的进步，数字技术的快速发展，在电子工程设计中运用FPGA进行设计复杂的数字功能的次数越来越多，这对FPGA设计软件的功能提出更大的要求。
比如FPGA设计不仅能够实现FFT算法基础上保保证其时序得到验证，而且还需要对计算结果以及迭代的计算结果实现功能验证。
但是目前的FPGA不能满足要求，并且具有非常大的局限性。
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司推出的用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境的软件，它是集自动控制、神经系统、科学计算、图像处理以及信号处理于一体并具有非常高的编程效率的软件[1]。
针对上述FPGA设计中存在的问题，下面具体进行分析FPGA设计中应用MATLAB软件强大的数据可视化功能和数据分析处理能力解决上述问题的有效性。
通过Matlab软件实现对DSP-FPGA线性调频信号仿真
通过Matlab软件实现对DSP/FPGA线性调频信号仿真直接数字频率合成（DDS）是近年来得到迅速发展的一种新的频率合成方法，具有频率切换速度快，很容易提高频率分辨率、对硬件要求低等优点。
可编程全数字化便于单片集成、有利于降低成本。
提高可靠性并便于生产等有点。
DDS技术从相位的概念出发进行频率合成，存储了数字采样波形表，可以产生点频、线性调频、ASK、FSK等各种形式的信号。
线性调频信号可以获得较大的压缩比，有着良好的距离分辨率和径向速度分辨率，作为一种常用的脉冲压缩信号，已经广泛应用于高分辨率雷达领域。
Matlab是美国MathWorks公司自20世纪80年代中期推出的数学软件，优秀的数值计算与卓越的数据可视化能力使其很快在同类软件中脱颖而出。
Matlab已经发展成为多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。
本文用Matlab软件建立DDS系统中线性调频信号的仿真模型，对于理解线性调频信号和在FPGA中来实现线性调频信号有借鉴意义。
DDS线性调频信号发生器框图设计图1 DDS技术的基本原理1 DDS技术的基本原理基本模型如图1所示，主要由时钟频率源fclk、相位累加器、波形存储器(ROM)、数/模转换器(D/A)、以及低通滤波器(LPF)组成。
输出信号波形的频率表达式为：(1)式中，fclk为参考时钟频率，ΔΦ为相位增量，N为相位累加器的位数。
只要N足够大，DDS可以得到很小的频率间隔。
要改变DDS的输出信号的频率，只要改变ΔΦ即可。
当参考时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率的控制字，频率分辨率取决于累加器的位数，相位分辨率取决于ROM的地址位数，幅度量化取决于ROM的数据字长和D/A转换器的位数。
2 线性调频信号的实现框图图2 软件编程实现线性调频信号的原理图脉冲压缩雷达最常见的调制信号是线性调频信号，接收时采用匹配滤波器（Matched Filter）压缩脉冲。
它的数学表达式如下：式中fe为载波频率，K=B/T是调频斜率，于是，信号的瞬时频率为。
MATLAB在数字调制解调中的应用
MATLAB在数字调制解调中的应用系别：电信系班级:XXXXXXXXX姓名：XXX学号：XXXXXXX XXXX指导老师：XXX一．题目：数字调制与解调二．要求：用matlab模拟数字调制与解调三．步骤：1基本知识：按数字调制的方法分类可以分为多进制幅度键控(M-ASK)、正交幅度键控(QASK)、多进制频率键控(M-FSK)以及多进制相位键控(M-PSK)。
数字调制包括数模转换和模拟调制两部分，如图6.25所示。
1．M元幅度键控调制(M-ASK)M元幅度键控调制包含两部分，M-ASK映射和模拟幅度调制。
M-ASK映射将输入的数字码符映射到区间[-x, x]，数字码符取值范围是 [0, M-1]区间内的整数。
输出信号的幅值分别为[-x, x]的M-1等分点。
2．M元正交键控调制(M-QASK)M-QASK是数字调制使用得最多的一种方法。
它一般将输入的数字码符映射成为同相和正交的两个独立分量，然后用模拟QAM法对它们进行调制；在接收方，接收的信号被解调为同相和正交信号，从它们映射过程中恢复原始信号。
有许多种方法可将输入信号映射成同相和正交分量。
通信工具箱为M-QASK提供三种方案，即平面直角点集、圆点集和用户定义任意点集。
3．M 元频率键控调制(M-FSK)M 元频率键控调制是通过使用输入信号控制输出信号的频率来实现对数字信号的调制。
M-FSK调制过程分成两部分，即映射和模拟调制。
映射过程将输入信号反映成载波频率变化，模拟调制即FM。
M-FSK的解调有两种方法，即相干法和非相干法。
相干方法要求事先知道已调信号的相位，而非相干方法则不要求相位信息 , 它可以在解调过程中恢复已调信号的相位信息。
4．M-元相位键控调制(M-PSK)M-PSK通过改变已调信号的相位信息来实现对数字信号的调制。
M-PSK设置不同的初相移位以区别不同的数字码符。
M-PSK调制器输入信号的取值区间[0, M-1]，数字i对应的相位位移为1 带通数字调制/解调1. 数字带通调制函数dmod( )格式：y=dmod(x, Fc, Fd, Fs, method …)功能：用频率为Fc(Hz)的载波去调制数字信号，然后再输出采样频率为Fs(Hz)的仿真已调信号，Fs/Fd 必须是一个正整数。
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C
4.2 FIR与IIR滤波器的原理
4 滤波器的 MATLAB 与FPGA实 现
4.3 FIR滤波器的MATLAB设 计
https:///
4.3.1 采用 fir1函数设 计
4.3.3 采用 fir2函数设 计
4.3.2 采用 kaiserord 函数设计
4.3.4 采用 firpm函数 设计
3.4.4 浮点运算 模块
04
4 滤波器的MATLAB与FPGA实现
4 滤波器的MATLAB与FPGA实现
1
4.1 滤波器概述
2
4.2 FIR与IIR滤波器的原理
3
4.3 FIR滤波器的MATLAB设 计
4
4.4 IIR滤波器的MATLAB设计
5
4.5 FIR滤波器的FPGA实现
6
4.6 IIR滤波器的FPGA实现
2.2.1 Verilog HDL语言特点
A
2.2.2 Verilog HDL程序结构
B
2 设计语言及环境 介绍
2.3 FPGA开发工具及设计 流程
2.3.1 Quartus II 开发套件
2.3.2 ModelSim 仿真软件
2.3.3 FPGA设计流 程
2 设计语 言及环境 介绍
2.4 MATLAB软件
4.5.1 FIR滤波器的实现结构
4.5.3 MATLAB仿真测试数 据
4.5.5 FPGA实现后的仿真 测试
4.5.2 采用IP核实现FIR滤波 器
4.5.4 测试激励的Verilog HDL设计
4 滤波器的MATLAB与FPGA实现
4.5 FIR滤波器的FPGA实现
4 滤波器的 MATLAB 与FPGA实 现
3 FPGA实现数字信号处理基础
3.3.1 字长效应的产 生因素
A
3.3.2 A/D转换的字 长效应
B
3.3.3 系统运算中的 字长效应
C
3.3 有限字长效应
3 FPGA实现 数字信号处理 基础
3.4 FPGA中的常用处理模 块
3.4.1 加法器模 块
3.4.3 除法器模 块
3.4.2 乘法器模 块
4.6 IIR滤波器的FPGA实现
https:///
4.6.1 IIR滤 波器的结构 形式
4.6.3 级联 型结构的 FPGA实现
4.6.2 量化 级联型结构 的系数
4.6.4 FPGA 实现后的测试 仿真
05
5 ASK调制解调技术的实现
5 ASK调制解调技术的实现
5.1 ASK信号的调制解调 原理
1.6 小结
1 数字通信及FPGA概述
1.1.1 数字 通信的一般 处理流程
1.1.3 数字 通信的特点 及优势
1.1.2 本书 讨论的通信 系统模型
1.1.4 数字 通信的发展 概述
1.1 数字通信系统概述
1 数字通信及FPGA概述
1.2.1 与频谱相 关的概念
1.2.3 采样与频 谱搬移
1.2.2 带宽是如 何定义的
数 字 调 制 解 调 技 术 的 M AT L A B 与 F P G A 实 现
演讲人 2021-11-11
01
1 数字通信及FPGA概述
1 数字通信及FPGA概述
1.1 数字通信系统 概述
1.2 数字通信中的 几个基本概念
1.3 FPGA的基础 知识
1.4 FPGA与其他 处理平台的比较
1.5 Altera器件简 介
1.2.4 噪声与信 噪比
1.2 数字通信中的几个基本概 念
1 数字通信及FPGA概述
1.3.1 从晶体管 到FPGA
1.3.3 FPGA的组 成结构
1.3.2 FPGA的发 展趋势
1.3 FPGA的基础知识
1.3.4 FPGA的工 作原理
1 数字通信 及FPGA概 述
1.4 FPGA与其他处 理平台的比较
4 滤波器的 MATLAB 与FPGA实 现
4.4 IIR滤波器的MATLAB设计
https:///
01 4 . 4 . 1 采 用 b u t t e r 函 数 设 计 02 4 . 4 . 2 采 用 c h e b y 1 函 数 设 计 03 4 . 4 . 3 采 用 c h e b y 2 函 数 设 计 04 4 . 4 . 4 采 用 e l l i p 函数设 计 05 4 . 4 . 5 采 用 y u l e w a l k 函 数 设 计 06 4 . 4 . 6 几 种 设 计 函 数 的 比 较
https:///
1.4.1 ASIC、DSP 及ARM的特点
A
1.4.2 FPGA的特 点及优势Bຫໍສະໝຸດ 022 设计语言及环境介绍
2 设计语言及环境介绍
0
0
0
1
2
3
2.1 HDL 语言简介
0 4
2.2 Verilog HDL语言基
础
0
5
2.3 FPGA 开发工具及
设计流程
0
6
2.4 M AT L A B
https:///
1
2.4.1 MATLAB软件简介
2
2.4.2 常用的信号处理函数
03
3 FPGA实现数字信号处理基础
3 FPGA实现数字信号处理基础
3.1 FPGA中 数的表示
3.2 FPGA中 数的运算
3.3 有 限字长 效应
3.4 FPGA 中的常用 处理模块
3.5 小 结
软件
2.5 MATL AB 与Quartus的
数据交换
2.6 小结
2 设计语言及环境 介绍
2.1 HDL语言简介
2.1.1 HDL语言的 特点及优势
A
2.1.2 选择VHDL 还 是 Ve r i l o g
B
2 设计语 言及环境 介绍
2.2 Verilog HDL语言基础
https:///
5.3 ASK调制信号的FPGA 实现
3 FPGA实现数字信号处理基础
3.1.2 定点数 表示
1
2
3
3.1.1 莱布尼 兹与二进制
3.1.3 浮点数 表示
3.1 FPGA中数的表示
3 FPGA实现数字信号处理基础
3.2.1 加/减 法运算
3.2.3 除法运 算
3.2.2 乘法运 算
3.2.4 有效数 据位的计算
3.2 FPGA中数的运算
4 滤波器的MATLAB与FPGA实现
4.7 小结
4 滤波器的MATLAB与FPGA实现
01
4.1.1 滤 波器的分 类
02
4.1.2 滤 波器的特 征参数
4.1 滤波器概述
4 滤波器的MATLAB与FPGA实现
4.2.1 FIR滤波器原 理
A
4.2.2 IIR滤波器原理
B
4.2.3 IIR与FIR滤波 器的比较