毕业设计73北京化工大学基于FPGA的数字调制器的实现

诚信声明

本人声明：

我所呈交的本科毕业设计论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：日期：年月日

毕业设计(论文)任务书

设计(论文)题目：基于FPGA的数字调制器的实现

学院：信息学院专业：电子信息科学与技术班级：

学生：指导教师：专业负责人：

1．设计(论文)的主要任务及目标

(1) 查阅资料，掌握数字调制器原理及实现方法

(2) 完成基于FPGA的数字调制器硬件电路设计

(3) 完成各功能模块FPGA编程

(4) 完成软件仿真、硬件设计和软硬件调试

(5) 完成毕业论文的编写。

2．设计(论文)的基本要求和内容

(1) 查阅有关数字调制原理的中外文献，学习相关知识

(2) 学习FPGA基本设计原理及简单功能模块的实现方法

(3) 结合数字调制原理，进行基于FPGA的数字调制器硬件电路设计。

(4) 利用VHDL语言对各功能模块编程，并完成软件仿真。

(5) 完成FPGA芯片外围电路的设计

(6) 进行硬件调试与系统调试

(7) 利用Protel完成原理图和PCB图的绘制。

(8) 对多种数字调制系统的性能进行比较分析

(9) 编写毕业论文

3．主要参考文献

[1]潘松，黄继业．EDA技术实用教程[M]．第二版．北京：科学出版社，2005．

[2]郭梯云，邬国扬，李建东．移动通信[M]．修订版．西安：西安电子科技大学出

版社，2000．

[3]苏小妹．软件无线电系统的研究及其FPGA实现[D]．湖南：湖南大学，2005．

[4]阳晰．高速数字调制解调[D]．成都：电子科技大学，2005．

[5]韦维，毕存强，吴兴洁．浅谈移动通信系统数字调制技术[J]．无线电技术与信

息，2005(10)：66-69．

[6]ALFREDO LINZ, ALAN HENDRICKSON．Efficient Implementation of an I-Q

GMSK Modulator[J]．IEEE TRANSACTION ON CIRCUITS AND SYSTEMS, 1996,43(1)：14-23．

[7]ABHIJIT PATAIT．Efficient GMSK Modulator Targets GSM

Design[EB/OL].(2006-03-22).https://www.360docs.net/doc/866755387.html,/CommsDesign - Efficient GMSK Modulator Targets GSM Designs.htm．

[8]ALTERA CORPORATION. Cyclone Device Handbook[Z]. 2003．

摘要

本文实现了基于FPGA技术的多种数字调制器。该系统能实现10种不同调制方式，包括2ASK、BPSK、BFSK、QPSK、DQPSK、π/4-DQPSK、OQPSK、16QAM、MSK、GMSK。同时还可作为由MCU控制的任意波形发生器。

首先，本文介绍了数字调制技术的发展及多种数字调制技术的原理，给出了基于FPGA的数字调制器的实现原理及方法；然后在完成了DDS模块设计的基础上，实现了多种数字调制器的软件设计，并进行了硬件平台原理图和PCB图的绘制。最后给出了本系统的测试结果，并对结果进行分析。基带信号速率可以从512bps到3.84Mbps选择，满足与目前多种设备的基带信号接口的要求。载波频率最高可达20MHZ，频率分辨率为0.0002Hz。通过实际运行和测试，功能和技术指标均满足要求。

本系统集FPGA和DDS技术优势于一身，可任意设置已调信号的频率、相位和幅度，转换时间为纳秒级，具有很高的转换精度和较低的相位噪声；同时还具有速度快、稳定性高、电路结构简单、通用性好，成本低、体积小等诸多优点。

关键词：数字调制器；FPGA；直接数字频率合成

ABSTRACT

This paper presents the implementation of digital modulator based on FPGA. The modulator can realize ten kinds of modulation, including ASK, BPSK, BFSK, QPSK, DQPSK, π/4-DQPSK, OQPSK, 16QAM, MSK, GMSK. And the modulator can also perform as an arbitraty waveform generator.

Firstly, the paper briefly introduces the progress and the basic principle of modulation technologies. Then, after the realization of DDS modual, the digital modulator is implemented, involving software and hardware design. Finaly, the paper illustrates the experimental results and gives the conclusion. The rate of the baseband signal ranges from 512bps to 3.84Mbps, which can interface with many devices. The carrier frenquency is up to 20MHZ and the frenquency resolution is 0.0002HZ.

The advantages of FPGA and DDS are concentrated in this modulator, which results in instant transition of the frenquency, phase and amplitude of the modulated signal, and the values of them can be seted arbitrarily and accurately. Addtionally, the modulator distinguishes itself with high speed, high stability, simpleness of the circuit, low cost, small area etc.

Keywords：digital modulation，FPGA，DDS

目录

前言 (1)

第1章绪论 (2)

第1.1节数字调制技术的发展 (2)

第1.2节基于FPGA的数字调制器研究的意义 (3)

第1.3节本文研究的主要内容 (5)

第2章数字调制原理 (6)

第2.1节概述 (6)

第2.2节二进制数字调制原理 (7)

第2.3节多进制数字调制原理 (8)

2.3.1多进制数字频率调制原理 (9)

2.3.2多进制数字相位调制原理 (9)

2.3.3 正交振幅调制原理(QAM) (11)

第2.4节恒包络连续相位数字调制原理 (12)

2.4.1 最小移频键控原理(MSK) (12)

2.4.2 高斯最小移频键控原理(GMSK) (14)

第2.5节各类数字调制方式性能分析 (15)

第2.6节用FPGA实现数字调制器的原理及方法 (17)

第3章基于FPGA的中频数字调制器的软件设计与实现 (18)

第3.1节直接数字频率合成(DDS)的设计与实现 (18)

3.1.1 DDS原理及系统组成 (18)

3.1.2 DDS系统的性能分析 (20)

3.1.3 基于FPGA的DDS系统的设计与实现 (21)

3.1.4 用DDS实现数字调制器的可行性 (25)

第3.2节基于FPGA的二进制数字调制器设计与实现 (26)

第3.3节基于FPGA的多进制数字调制器的设计与实现 (27)

3.3.1 MFSK调制器设计与实现 (28)

3.3.2 QPSK调制器设计与实现 (28)

3.3.3 DQPSK与π/4-DQPSK调制器设计与实现 (29)

3.3.4 OQPSK调制器设计与实现 (29)

3.3.5 16QAM调制器设计与实现 (30)

第3.4节基于FPGA的恒包络连续相位数字调制器的设计与实现 (31)

3.4.1 MSK调制器设计与实现 (31)

3.4.2 GMSK调制器设计与实现 (31)

第3.5节各模块程序调试与系统联调 (36)

第4章基于FPGA的中频数字调制器的硬件设计与调试 (39)

第4.1节硬件整体结构设计 (39)

第4.2节硬件平台具体设计 (39)

4.2.1 FPGA核心板设计 (39)

4.2.2 ADDA适配板设计 (45)

4.2.3 FPGA核心板和ADDA板、MCU板的接口设计 (47)

第4.3节FPGA板和ADDA板原理图及PCB图的绘制 (48)

第4.4节硬件电路调试与软硬件联调 (49)

4.4.1 硬件电路调试 (49)

4.4.2 软硬件联调 (50)

第5章数字调制器测试结果及性能分析 (51)

第5.1节DDS系统测试结果及性能分析 (51)

5.1.1 DDS系统测试结果 (51)

5.1.2 DDS系统杂散性能分析 (51)

第5.2节多种数字调制器测试结果及性能分析 (53)

结论 (57)

参考文献 (59)

致谢 (61)

前言

近年来，移动通信领域的各项技术取得迅猛发展，经历了从AMPS，NMT模拟移动通信，到D－AMPS，IS－94，GSM数字移动通信，再到第三代移动通信技术的发展过程。但多种无线通信标准和体制之间无法兼容的弊端也严重制约着通信技术的发展。为此，美国MILT-RE公司在1992年5月首次明确提出了一个新名词：软件无线电(Software Radio)[1]。

DDS技术作为软件无线电技术之一，近年来取得飞速发展，它在工作频率范围、频率转换速度、相位连续性、正交输出、高分辨率以及易集成化等一系列性能方面，远远超过了传统频率合成水平，获得广泛应用[2]。

FPGA(Field Programmable Gate Array)作为软件无线电另一核心技术，近10年无论在规模、处理速度还是在功耗上，都取得了长足的进步。随着FPGA成本的降低及设计工具的发展，FPGA器件获得广泛应用，既能实现高性能的DSP应用，又降低了专用ASIC的风险和前期成本，成为数字信号处理硬件实现的比较好的选择方案[3]。FPGA技术的出现，使得人们“From Concept to System in minutes”的梦想得到部分实现。

本文在查阅大量资料，了解当前软件无线电发展背景的基础上，将DDS技术和FPGA技术结合起来，进行了软件编程及硬件平台的设计，实现了基于FPGA的多种数字调制器，并对本系统进行了实际测试，与理论结果基本一致。

全文分为五章，第一章介绍了数字调制技术的发展，及本课题的意义；第二章分析了多种数字调制技术的原理，并进行了性能比较，最后给出了基于FPGA的数字调制器的实现原理及方法；第三章在对DDS原理进行介绍的基础上，完成了多种数字调制器的设计与实现；第四章进行了调制系统硬件平台的设计，完成了原理图和PCB 板图的绘制。第五章给出了本系统的实测结果，并对结果进行分析；最后，对全文进行总结。

第1章绪论

第1.1节数字调制技术的发展

近年来，我国移动通信业务迅猛发展，已深入到社会生活的各个方面。面对移动用户群的持续增长和新业务的层出不穷，移动通信体系要及时适应甚至超前于市场需求的步伐。而作为移动通信核心技术之一的数字调制技术是实现高速、高效的移动通信系统的重要保证。

移动通信对调制技术的主要要求是：已调信号的频谱窄和带外衰减快(即频谱利用率高)；易于采用相干解调或非相干解调；抗噪声和抗干扰能力强；以及适宜在衰落信道中传输。

在实际应用中，有两类用的最多的数字调制方式[4]：

(1) 线性调制技术：主要包括PSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、π/4-DQPSK、多电平PSK和QAM等。此处所谓“线性”，是指这类调制技术要求通信设备从频率变换到放大和发射的过程中保持充分的线性。显然，这类要求会增加设备的难度和成本，但这类调制方式可获得较好的频谱利用率。

(2) 恒定包络(连续相位)调制技术。主要包括MSK、GMSK、GFSK和TFM等。这类调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱，并且对放大器件没有线性要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线性调制技术。

提高频谱利用率是提高通信容量的重要措施，也是人们设计通信系统的焦点。80年代初，由于线性高放未取得突破性进展，人们大多把注意力集中在恒包络调制技术(如GSM采用GMSK)，但80年代中期以后，随着线性高放的发展，人们着重采用了QPSK 之类的线性数字调制技术。

另一种获得迅速发展的调制技术是振幅相位联合调制(QAM)技术。4QAM、

16QAM、64QAM以致256QAM都在微波通信中获得成功应用。针对移动信道特性，人们提出了变速率QAM(VR-QAM)、多载波QAM(MC-QAM)等多种改进方式。

随着对通信技术的要求越来越高，多载波调制(MCM)技术中的正交频分复用(OFDM)调制技术、离散小波多音调制(DWMT)技术等，也越来越多地应用到移动通信中。

目前，根据移动通信系统的发展过程和通信业务的要求不同，各移动通信系统采用的调制方式也各有特点,如表1·1所示：

表1·1各移动通信系统采用的调制方式[5]

第1.2节基于FPGA数字调制器研究的意义

在软件无线电发展的今天，本文的研究意义包含两个方面。

(1) 采用FPGA技术实现数字调制器的设计。

软件无线电的基本思想是以把DSP或FPGA芯片或通用CPU芯片等硬件平台为依托，将尽可能多的无线通信功能(如调制解调、信道信源编码、加密模式、通信协议等)由软件实现。FPGA因其低成本、低功耗、可重构性、高灵活性、高数据吞吐量等诸多优越性能而备受青睐。FPGA与传统ASIC和DSP在性能等方面的比较可参见表1·2和表1·3。

从表1·2可看出，相比于ASIC，FPGA具有低成本、更大的灵活性、可重构性及较短的市场投放时间。虽然近20年来，DSP性能得到不断提高，但要达到千兆赫量级的时钟速度，所要求的功耗仍然很高，并且由表1·3可以看出，其串行处理的结构不可能实现高阶的数字滤波器功能。

近年来，FPGA具备了日益强大的嵌入式处理核。如Altera 的Nios处理器为高性能32bit RISC处理器，配合Altera提供的SOPC Builder软件，为软件无线电提供了出众的硬件平台，也增强了FPGA的增值工程应用机会。

表1·2 FPGA与ASIC、高速DSP性能比较[6]

[6]

(2) 采用DDS技术的数字调制器的设计

DDS问世之初，由于元器件速度限制并未引起重视。但近20年间，随着器件技术水平的提高，因其频率范围宽、高分辨率、相位连续等一系列优点成为频率合成技术中的佼佼者。与传统频率合成技术相比，通过预置相位累加器的初始值和改变相位间隔，可精确控制合成信号的相位和频率，易于实现各种数字调制方式。

国外率先展开了DDS用于调制技术的研究，并已生产出了非常成熟的DDS调制芯片。如Qualcomm公司推出的DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368等；AD公司相继推出的AD9850、AD9851、可实现线性调频的AD9852、以DDS为核心的QPSK调制器AD9853以及两路正交输出的AD9854等[2]。

国内对DDS的研究起步较晚，DDS芯片几乎还是空白。对于DDS用于调制技术的研究与应用也刚刚起步。

(3) 本文将FPGA技术与DDS技术相结合，充分发挥了两大技术的优势。在FPGA 器件构造的硬件平台上，结合DDS技术，实现了软件无线电数字调器。因此，本课题具有较好的研究价值和现实意义。

第1.3节本文研究的主要内容

本文实现了基于FPGA的数字调制器，完成了软硬件设计。利用直接数字频率合成(DDS)技术，本文采用了一种有别于现行正交调制方法的调制器设计方案，具有较好的通用性和可实现性。

本文主要工作：

(1) 通过查阅相关文献，掌握了多种数字调制技术(ASK、PSK类、FSK类、QAM 等)的原理及目前主要实现方法，结合DDS技术完成了调制器实现方案设计。

(2) 在QuartusⅡ开发环境下，实现了2ASK、2FSK、2PSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、π/4-QPSK、QAM、MSK、GMSK等10种数字调制方式。并对FPGA芯片(EP1C6Q240C8)编程下载，在硬件平台上对于各种数字调制方式进行实际运行和测试，经过示波器观测和频谱分析仪分析，功能和技术指标均满足任务书要求。

(3) 完成了调制器硬件平台的设计，利用Protel DXP进行了原理图和PCB板图的绘制。

(4) 对数字调制器实测结果进行分析，最后给出结论。

第2章数字调制原理

第2.1节概述

数字调制技术的基本原理是用数字基带信号0与1去控制正弦载波中的一个或多个参量，把比特率为R(bit/s)的二进制数字序列变换为适当的中频或射频信号[1]。数字信号调制的基本类型分为振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)，此外还有许多有基本类型改进或综合而获得的新型调制技术：包括多进制数字调制技术和改进的数字调制技术等。

数字调制技术有多种分类方式：从已调信号相位是否连续角度可分为相位不连续调制和相位连续调制；从已调信号包络是否恒定角度可分为恒定包络调制和非恒定包络调制。如图2·1所示

图2·1 数字调制方式分类

针对移动通信信道的两大基本特征为带宽有限、干扰和噪声影响大，已调信号应具有较高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落能力。同时，必须考虑调制解调器的可实现性：如采用恒定包络调制技术，则可采用限幅器、低成本非线性高放器件；而对于非恒包络技术，则需采用成本较高的线性高放器件。此外，还必须考虑调制器和解调器本身的复杂性：如采用相干解调和非相干解调等。

综上所述，调制技术研究的主要内容包括：调制的原理、已调信号的频谱特性及其产生方法等。因此，本文将从以上几个方面讨论 图2·1 所示几种调制方式的工作原理[6]。

第2.2节 二进制数字调制原理

常见的二进制数字调制方式包括ASK 、BPSK 、DPSK 、BFSK 四种调制方式，下面分别讨论这四种数字调制的原理。

(1) 振幅键控(ASK)

ASK 又名二进制通断键控(OOK)调制，信号形式为：

(2·1) {}n a 为单极性二进制数字序列。

实现框图如图2·2所示： 图2·2 ASK 调制框图

已调信号功率谱密度如下：

(2·2) (2) 移相键控(BPSK) BPSK 信号形式为：

(2·3) {}n a 为双极性二进制数字序列。

实现框图如图2·3所示：

图2·3 BPSK 调制框图

在+1或-1等概出现时已调信号功率谱密度同公式(2·2)。

)]()([4

)(2

c s c s ASK f f P f f P A f P ++-

=t nT t g a A S c n s T n ASK ωcos ])([∑∞

-∞

=-=t nT t g a A S c n s T n BPSK ωcos ])([∑∞

-∞=-=

b BFSK T t t

f A t s t f A t s t S ≤≤???===02cos )(2cos )()(2211“空号”“传号”ππ(3) 差分移相键控(DPSK)

为克服BPSK 信号接收端的相位模糊，可对基带信号进行差分编码，然后进行BPSK 调制。亦即利用载波的前后相位差来传递当前绝对码{n b }。实现框图如图2·4：

图2·4 DPSK 调制框图

DPSK 信号与BPSK 信号具有相同的功率谱密度。

(4) 移频键控(BFSK)

BFSK 信号形式：

(2·4) 实现框图如图2·5：

(a) ( b)

图2·5 FSK 调制框图

(a)非连续相位 (b)连续相位 信号功率谱密度如下：

(2·5)

第2.3节 多进制数字调制原理

实际中许多数字通信系统常常采用多进制数字调制，与二进制数字调制不同的是：多进制数字调制是利用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率或相位。因此，相应地有多进制数字振幅调制、多进制数字频率调制和多进制数字相位调制三种基本方式以及该三种基本方式的组合形式。

)]()([4

)]()([4)(222

112f f P f f P A f f P f f P A f P s s s s FSK ++-+++-=

2.3.1多进制数字频率调制原理

MFSK 是2FSK 的扩展。通常设计为M 个正交的载波。发射频率为)..2,1(M i f i =的正弦波用以表达M 进制符号中的第i 种符号。实现框图如图2·6，它根据K 比特输入从K M 2=个频率中选择一个发送：

图2·6 MFSK 调制框图

设码元持续时间为s T ，则保持正交性的最小频率间隔为s T 2

1。则MFSK 的主瓣带宽为 (2·6) 功率谱密度分布如图2·7：

图2·7 4FSK 信号功率谱密度

2.3.2多进制数字相位调制原理

多进制数字相位调制是利用载波的多种不同相位(或相位差)来表示数字信息的调制方式。本文将以四相制数字调制方式来讨论多进制数字调制方式的原理。

① 四相绝对移相键控(QPSK)

QPSK 是利用载波的四种不同相位来表示数字信息。

c n c n s T n c s T QPSK t t nT t Ag t nT t Ag t S )

sin sin cos )(cos ()cos()()(--=+-=ωφωφφωs s s s f M T M T T M B 2

3231221+=+=?+-

=

(2·7)

其中 (A 方式)或 (B 方式) B 方式格雷码映射星座图如图2·8： 图2·8 B 方式格雷映射星座图

将以上星座图向右旋转45°，即可得到A 方式的格雷码映射星座图。

实现框图如图2·9：

正交调制法 相位选择法

图2·9 QPSK 调制框图

在QPSK 的码元速率与PSK 信号的比特速率相等的情况下，QPSK 信号是两个PSK 信号之和，因此具有和PSK 信号相同的频谱特征和误比特性能。

② 差分四相移相键控(DQPSK)与π/4-DQPSK 调制原理

为克服QPSK 信号解调过程中的相位模糊，可采用DQPSK 调制。它是利用在当前四进制符号的载波相位n θ与前一个四进制符号的载波相位1-n θ之相位差θ?来传递当前绝对码的双比特码。

对输入绝对码流串并转换后进行四进制差分编码，然后通过QPSK 调制器即可获得已调信号。当对编码信号进行A 方式的QPSK 调制时，可获得DQPSK 调制信号；当进行B 方式的QPSK 调制时，可获得π/4-DQPSK 调制信号。

四进制差分编码原理图如图2·10：

??????--∈4,43,43,4ππππφn ?

?????∈23,,2,0πππφn

图2·10 四进制差分编码框图

DQPSK信号具有和QPSK信号相同的频谱特性；而π/4-DQPSK将QPSK的最大相位跳变±π降为±3π/4，从而改善了DQPSK的频谱特性。

③交错四相移相键控(OQPSK)

OQPSK调制与QPSK调制不同之处在于，在正交支路引入了一个比特的时延，从而使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而仅能产生±π/2的相位跳变，具有较低的频谱旁瓣。

图2·11 QPSK和OQPSK的星座图和相位转移图

(a)QPSK ; (b)OQPSK

实现框图如图2·12：

图2·12 OQPSK调制实现框图

2.3.3 正交振幅调制原理(QAM)

正交振幅调制是BPSK和QPSK的进一步推广，通过振幅和相位的联合控制，可以得到更高频谱效率的调制方式。

调制框图如图2·13：

图2·13 QAM 调制框图

16QAM 矩形星座图如图2·14：

图2·14 16QAM 矩形星座图

从星座图看出，16QAM 用16个点的星座位置来代表十六进制的16种数据信号，它有12种的相位，3种振幅，它抗误码能力远大于16PSK 信号。这也正是目前它广泛应用于各种通信系统的原因。

第2.4节 恒包络连续相位数字调制原理

2.4.1 最小移频键控原理(MSK)

MSK 是一种特殊形式的FSK,其频差是满足两个频率相互正交(相关系数为零)的最小频差，并要求FSK 信号的相位连续。

相位连续的2FSK 信号的两频率之间的互相关系数是两载频的频率间隔)2(21f f f ?=-的函数，如图2215所示。

(2·8) 图2·15 2FSK两信号的互相关系数ρ与两载频间隔f?

2之间的关系

两频率正交时的最小频率间隔为

(2·9) 其调制指数为

(2·10) MSK信号表达式：

(2·11) 若

n

a

取＋1，则

若

n

a取－1，则

其中

此

n

x值要确保MSK信号在t＝nTb时刻的载波相位)(t

θ连续，经推导得

???

=

±

=,3,2,1,0

,

0n

x

n

π

或

可利用图2·16的调频器来产生MSK信号。

图2·16 利用h＝0.5的VCO产生MSK信号

b

T

f

f

2

1

1

2

=

-

2

1

2

1

2

=

=

?

=

b

b

b

R

T

R

f

h

∑-

-∞

=

-

=

1

2

2

n

K

n

K

n

a

n

a

x

π

π

b

c T

f

f

4

1

1

+

=

b

c T

f

f

4

1

2

-

=

]

2

cos[

)(

n

n

b

c

MSK

x

t

a

T

t

A

t

S+

+

=

π

ω

]

)

2(

2[

)

2(

b

b

T

f

Sa

wT

Sa?

=

?

=π

ρ