基于FPGA的QPSK与BPSK调制系统仿真
基于FPGA和MATLAB的QPSK调制解调硕士学位论文
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1）设计（论文）
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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。
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指导教师评阅书
(完整版)基于FPGA的psk调制
c<=7'b1000000;
else
begin
c[2]<=c[1];
c[3]<=c[2];
c[4]<=c[3];
c[5]<=c[4];
c[6]<=c[5];
c[7]<=c[6];
c[1]<=c[2Fc[3Fc[4Fc[7];
end
end
assign dataoutm = c[7];
Controller CONTROLLER( .clk(clk),.reset_n(reset_n),.dataoutm(dataoutm), .address(address),.clk_DA(clk_DA),.blank_DA_n( blank_DA_n),.sync_DA_n(sync_DA_n) );
parameter N= 128;
always@(posedge clk or negedge reset_n)if(! reset_n)
begin count<=1'b0; clk1<=1'b0;
end
else if(count< 63)
begin count<=count+1'b1;
end else begin count<=1'b0; clk1<=~clk1;
西南交通大学
信息科 学与技 术学院
通信工程专业
工程实习报告
（
年级:2010
学号:20100147
姓名：刘 妍
专业：通信工程
二零一三年七月
(psk
基本原理
PSK调制原理
相移键控(PSK):一种用载波相位表示输入信号信息的调制技术。移相键控分为绝对移
基于FPGA的QPSK的定点设计及仿真
基于FPGA的QPSK的定点设计及仿真
肖九思;梁长松;钱慧
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2009(026)005
【摘要】数字基带信号有时无法直接传输,需经过载波调制转换成适合的频带信号.而QPSK(Quatemary Phase Shift Keying)是一种线性窄带数字调制技术,被广泛应用于移动通信和卫星通信中,其突出特点是频带利用率高、频谱特性好、抗衰落性能强、可进行非相干解调.采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品,从而降低了功耗、提高了可靠性,同时还可以很方便地对设计进行在线修改.通过对QPSK的调制技术进行研究,利用自上而下的模块化设计方法把整个QPSK调制系统分解成串并转换、差分编码、译码、CIC滤波和正交载波调制5个小模块,并用Verilog硬件描述语言在FPGA上设计实现各个模块,实现了数字信号的传输,最后用testbench验证仿真结果.
【总页数】4页(P154-157)
【作者】肖九思;梁长松;钱慧
【作者单位】福州大学物理与信息学院,福建,福州,350002;福州大学物理与信息学院,福建,福州,350002;福州大学物理与信息学院,福建,福州,350002
【正文语种】中文
【中图分类】TN
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基于FPGA的QPSK系统设计
目录摘要：本文 (1)关键字： (2)1设计分析 (2)1.1设计目的 (2)1.2 设计任务与要求 (2)1.3 设计原理分析 (3)2系统控制器模块分析 (3)2.1 VHDL简介 (3)2.1.1VHDL具有以下特点： (3)2.1.1.1功能强大、设计灵活 (3)2.1.1.2支持广泛、易于修改 (4)2.1.1 .3强大的系统硬件描述能力 (4)2.1.1.4独立于器件的设计、与工艺无关 (4)2.1.1.5很强的移植能力 (4)2.1.1.6编辑本段优势 (4)2.2 FPGA简介 (5)2.2.1FPGA工作原理 (5)2.2.2FPGA芯片结构 (6)2.2.3基本特点 (7)2.3 QPSK简介 (8)2.3.1QPSK正交调制器原理图 (8)2.3.2QPSK相干解调原理图 (9)2.4 QPSK调制电路的FPGA实现及仿真 (9)2.4.1 基于FPGA的QPSK调制电路方框图 (9)24.2 调制电路VHDL程序及仿真结果 (10)2.5 QPSK解调电路的FPGA实现及仿真 (12)2.5.1 基于FPGA的QPSK解调电路方框图 (12)2.5.2解调电路VHDL程序及仿真结果 (12)3结论 (15)4参考文献 (16)摘要：本文采用FPGA设计芯片技术对多进制数字通信技术的QPSK调制器实现进行了研究与分析，将调制器中原有多种专用芯片的功能集成在一片大规模可编程逻辑器件FPGA芯片上，实现了高度集成化、小型化、实际研究仿真表明，该方案具有突出的灵活性和高效性，为设计者提供了多种可自由选择的设计方法和工具。
关键字：FPGA、QPSK、数字通信随着电子技术的不断发展与进步，电子设计系统设计方法发生了很大的变化，传统的设计方法正在退出历史的舞台，而基于EDA技术的芯片设计正在成为电子系统设计的主流。
随着现代信息技术的发展，模拟调制技术越来越不能满足日益发展的移动通信、视频信号传输以及卫星通信的要求，数字调制技术日益得到重视。
bpsk调制解调系统的仿真设计
五附录相关程序第二章BPSK的工作原理BPSK调制原理BPSK即二进制相移键控。
相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息。
在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。
因此，2PSK信号的时域表达式为(t)=Acost+)其中，表示第n个符号的绝对相位：=因此，上式可以改写为BPSK解调原理解调采用相干解调法，通过与载波相乘，然后通过低通滤波器或进行积分可以滤除高频分量，即可3.3.2 Simulink的启动2 新建模型窗口如图改变参数内容对两个基带相移键控调制BPSK进行仿真，在相同的信号源（随机整数发生器）和传输环境（加性高斯白噪声环境）下，利用相关基带调制/解调模块了解这两种调制的工作特性及占用带宽。
要求：1.给出仿真模型中各模块的主要参数。
2.用频谱仪，离散时间星座图仪观测BPSK的信号频谱图和星座图，并比较码元传输率和误码率。
如下为搭建的电路产生随机整数序列信道实验22、根据BPSK信号的调制解调原理，在无噪声传输仿真环境下，用simulink的communication toolbox 实现BPSK发送机和接收机。
基本要求如下：a) 发送端数字信号由信源模块产生，要求采用随机的二进制信号；b) 接收端的滤波器利用积分模块按积分清除来实现；c) 在整个系统模型建立后，要求添加若干示波器模块，用来观察发送端的输出波形，调制后的输出波形，解调器后的信号波形。
如下为搭建的电路图产生随机的0，1序列通过减0.5再乘2变为双极性码调制：与正弦函数相乘与高斯噪声相叠加解调：与同频同相的正弦波相乘积分器参数设置积分后结果判决结果码型反变换为单极性码即得结果、实验总结本次实验初次使用simulink仿真，刚开始不太熟悉，通过老师讲解、同学帮助及查阅资料终于学会了一些基本的操作。
第一个实验利用系统自带的模块进行调制，第二个实验自己设计调制系统，相对于第一个实验稍微复杂，但经过仔细思考终于得出了结果。
(完整word版)BPSK和QPSK调制解调原理及MATLAB程序资料
2.1 PSK调制方式PSK原理介绍（以2-PSK为例）移相键控(PSK)又称为数字相位调制,二进制移相键控记作2PSK。
绝对相移是利用载波的相位(指初相)直接表示数字信号的相移方式。
二进制相移键控中,通常用相位0 和π来分别表示“0”或“1”。
2PSK 已调信号的时域表达式为s2psk(t)=s(t)cosωct, 2PSK移相键控中的基带信号与频移键控和幅度键控是有区别的,频移键控和幅度键控为单极性非归零矩形脉冲序列,移相键控为为双极性数字基带信号,就模拟调制法而言,与产生2ASK 信号的方法比较,只是对s(t)要求不同,因此2PSK 信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB 调幅信号。
在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。
通常用已调信号载波的 0°和 180°分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。
二进制移相键控信号的时域表达式为e2PSK(t)=[nna g(t-nT s)]cosw c t其中, an与2ASK和2FSK时的不同，在2PSK调制中，an应选择双极性。
1, 发送概率为Pan=-1, 发送概率为1-P若g(t)是脉宽为Ts, 高度为1的矩形脉冲时，则有cosωct, 发送概率为Pe2PSK(t)=-cosωct, 发送概率为1-P由上式(6.2-28)可看出，当发送二进制符号1时，已调信号e2PSK(t)取0°相位，发送二进制符号0时，e2PSK(t)取180°相位。
若用φn表示第n个符号的绝对相位，则有0°, 发送 1 符号φn=180°, 发送 0 符号由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180°的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒π”现象，从而使得2PSK 方式在实际中很少采用。
为了解决2PSK 信号解调过程的反向工作问题， 提出了二进制差分相位键控(2DPSK)，这里不再详述。
QPSK调制器的FPGA实现
QPSK调制器的FPGA实现ROM正弦查找表存储了一个完整正弦波周期的抽样值，设相位累加器的数据线宽度为N，则有2一个采样点。
先用其他工具计算出这2n个采样点的幅度值，则相邻2个采样点的相位增三个时钟后，相应的载波初始相位、幅艘值与理论分析是全都量为2π／2n，这样，各采样点的位置就确定了该采样点的相位；以ROM依次存储2n个采样点的幅度值，便建立了各采样相位(存储器地址)与幅值的影射关系。
然后用 5．1建立mif文件，调用LPM_ROM模块，将mif文停的数据内容写入LPM_ROM。
(2)相位累加器设相位累加器的初始值为0，累加步长为频率控制字K．则每一个时钟周期(1／fclk）的相位增量为K×2π2n，一个完整正弦波周期需要举行2π(Kx2／2n)=2N／K次累加，所以输出信号周期10t=(I／fclk)X2N ／K，输出信号频率fout=Kxfclk／2n。
(3)规律选相电路双比特序列QI作为相位控制字用于四种相位载波的挑选控制。
本文取N：10，先计算出这210=1024个采样点的幅度值，量化为8位二进制数表示。
相位为π/4和3π／4时，对应幅度值为38，存储地址分离为000111111l和010*******。
本义中用VHD语句来完成规律选相电路。
if clk"event and clk=’l’thenbuuuuuuUUlluuuuuu4 试验及结论仿真切验中，取fclk=294912Hz，M=48，K=32，则fclk=fclk/M=6144Hz，载波频率fout=Kxfclk／2N=9216Hz。
通过Quartusll 5．1软件仿真．得到仿真结果5所示。
在图(5)中，当QI为11时的第一个时钟，RESET信号对DDS寄存器复位(T=0)，累加器中的加法器输出R=32，并保持一个时钟；第三个时钟后QPSK输出为218，这与QI为11时，载波初始相位为π／4、幅度值为218是全都的。
BPSK数字调制解调器仿真
BPSK数字调制解调器仿真BPSK数字调制解调器仿真摘要：随着数字信号处理技术的不断发展，数字化软件⽆线电接收机已经成为趋势，调制/解调技术是数字通信系统中的核⼼技术。
现代计算机科学技术快速发展，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。
通信系统仿真具有⼴泛的适应性和极好的灵活性,有助于更好地研究通信系统性能。
本⽂介绍了数字化调制解调技术的现状发展及其应⽤，通信系统仿真软件MATLAB中的⼀种可视化仿真⼯具Simulink；然后介绍了BPSK数字调制解调的理论基础，包括数字带通传输分类以及重点分析了BPSK数字调制和解调的原理。
本⽂在深刻理解通信系统理论的基础上，利⽤MATLAB强⼤的仿真功能,在Simulink仿真环境下设计了BPSK调制解调系统仿真模型，给出各路观察波形,并通过对星座图和误码率的分析，证实了解调算法的可⾏性。
最后，本⽂对所做的研究⼯作进⾏了总结，并且提出了今后的⼯作和研究⽅向。
关键词：BPSK；调制解调器；MATLAB；定点数仿真IThe simulation of BPSK digital modemAbstract：With digital signal processing technology continues to evolve, digital software radio receiver has become a trend,modulation/demodulation technology is the core technology in digital communication system。
The rapid development of modern computer science and technology,makes the communications system simulation design and analysis process become relatively intuitive and convenient, which also makes the communication system simulation technology has been faster development. Communication system simulation with wide adaptability and excellent flexibility, helps to better study the communication system performance. This paper introduces the digital modem technology situation and development and application of communication system simulation software MATLAB in a visual simulation tools Simulink; then introduced digital modulation and demodulation of BPSK theoretical foundation, including digital bandpass transmission segment and analysis of the BPSK digital modulation and demodulation principle.In this paper, a deep understanding of communication systems theory, based on the powerful simulation using MATLAB function in Simulink environment designed the BPSK modulation demodulation system simulation model, and through the constellation and BER analysis confirmed that the demodulation algorithm. Finally, this paper made a summary of the research work, and proposed future work and research directions.Key words:BPSK, Modem, MATLAB, Fixed-point simulation⽬录第1章绪论 (1)1.1 研究背景及其意义 (1)1.2数字化调制解调技术的现状发展及其应⽤ (1)1.3MATLAB/SIMULINK的简介 (3)1.4本⽂主要研究内容与结构 (4)1.5 本章⼩结 (5)第2章BPSK数字调制/解调原理 (6)2.1 相移键控系统概述 (6)2.2 数字带通传输分类 (6)2.3BPSK信号调制解调原理 (6)2.3.1BPSK信号调制原理 (6)2.3.2BPSK 信号解调原理 (8)2.4 本章⼩结 (10)第3章BPSK调制解调器的MATLAB/SIMULINK实现 (10)3.1 系统总体⽅案简介 (11)3.2 系统⽅案设计 (11)3.2.1信源 (11)3.2.2 星座映射 (13)3.2.3发送滤波器 (15)3.2.4BPSK调制 (17)3.2.3 信道 (22)3.2.4BPSK解调 (25)3.2.5低通滤波器 (28)3.2.6接收滤波器 (30)3.2.7抽样判决器 (33)3.4 本章⼩结 (36)第4章BPSK解调⽅案的定点数仿真 (37)4.1定点数仿真原理分析 (37)4.2 BPSK解调⽅案的定点数仿真 (38)4.2.1数据量化的定点数分析 (39)4.2.2带宽截取的定点数分析 (40)4.2.3 滤波器的定点数分析 (41)4.3.1相⼲解调定点数仿真 (43)4.4 整体原理框图及输出波形 (44)4.5 本章⼩结 (45)第5章结论与展望 (46)5.1 结论 (46)5.2 展望 (46)致谢 (48)参考⽂献 (49)附录 (51)第1章绪论1.1 研究背景及其意义通信技术融⼊计算机和数字信号处理技术以后发⽣了⾰命性的变化，它和计算机技术、数字信号处理技术结合是现代通信技术的标志。
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孙登 高， 施 展
２０ ９ ） ０ ０ ３ （ 上海理工大学 光电信息 与计算机工程学院 ， 上海
摘要 ： 数字调制技 术在数字通信 中 占有非 常重要 的地位 ， 字通信技 术与现 场可编程 门阵列 数
（ ） 的结合是 现代通信 系统发展 的一个 必然趋 势 。介 绍 了四进 制相 移键 控 （ Ｐ Ｋ） Ｑ Ｓ 和二 进制 相 移键 控 （ Ｐ Ｋ） Ｂ Ｓ 调制原理 ， 并基 于 Ｈ Ａ 实现 ＱＰ Ｋ 和 Ｂ Ｓ Ｓ Ｐ Ｋ调 制 电路 仿 真。通过在 Ｑ ａｔｓＩ ｕ ｒ ｕ Ｉ 环境 下得 到调制 电路仿 真波形进行对 比 ， 而得 出 ＱＰ Ｋ 相对 于 Ｂ Ｓ 进 Ｓ Ｐ Ｋ频 带利 用率更 高。
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｉｉ ｌｍｏ ｕ ａｉｎ ｐ ａ ｓ ａ ｉ ｐ ｒａ ｔ ｒ ｌ ｎ ｄｇ ｔｌｃ ｍｍ ｕ ｉａｉｎ ｃ ｎ ｌｇ ｆ ｄｇ ｔ ａ ｄ ｌｔ ｌｙ ｍ ｏ ｔｎ ｏｅ ｉ ｉｉ ｏ ｏ ａ ｎｃ ｔ ｏ ｓ ｓｅ ， ｔ ｅ ｃ ｍ ｂｎ ｔｏ ｆ ｄｇｔ ｌｃ ｍｍ ｕ ｉａ ｉｎ ｔｃ ｎ ｌｇ ｎ ｉｌ— ｒ ｇ ａ ｙ ｔｍ ｈ ｏ ｉ ａｉｎ ｏ ｉｉａ ｏ ｎ ｃ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ ｆ ｄ ｐ ｏ ｒ ｍｍ ａ ｌ ａ ｅ ｏ ｅ ｂｅ ｇ ｔ
引 言 为了使数字信号在带通信道 中传输 ， 必须用数字信号对载波进行调制 。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， 基本 的方法 有 最 ３ ： 种 正交 幅度 调制 、 移键 控 、 移键 控 。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 频 相
ｌ Ｑ Ｓ 与 Ｂ Ｓ 调 制 原 理 ＰＫ ＰＫ
１ １ ＱＰ Ｋ调 制 的基本 原理 ． Ｓ
Ｑ Ｓ（ Ｐ Ｋ 四进制移相键控） 信号的正弦载波有 四个可能的离散相位状 态， 每个载波相位携带 ２ 个二进
收稿 日期 ：２ １－５０ ０ １０ ９ 作者简介 ： 孙登高（９ ７） 男 ， １８ ， 河南洛阳人 ， 硕士研究生 ， 主要从事通信 系统 中信号与信息处理技术方面的研究 。
ａ ｒ ｙ （ ＧＡ）ｉ ａｃ ｒａｎ ｙｔｅ ｄ ｒａ ＦＰ ｓ ｅ ｔｉ ｌ ｒ ｎ ．Ｔｈ ｒｎ ｉ ｌ ｆｑ ａ ｒ ｔ ｒ ｈ ｓ ｈ ｆ ｅ ｉｇ（ Ｓ ｅｐ ｉ ｃｐ ｅｏ ｕ ｄ ａ ｕ ｅｐ ａ ｅｓ ｉｔ ｙｎ ＱＰ Ｋ）ａ ｄ ｋ ｎ
ｂ ｎ ｒ ｈ ｓ ｈ ｆ ｅ ｉｇ （ ＰＳ ｉａ ｙ ｐ ａ ｅｓ ｉｔ ｙｎ Ｂ Ｋ）ｍｏ ｕ ａｉｎ ａ ｅｉ ｔｏ ｕ ｅ ｔ ｅｃｒ ｕｔ ｒ ｌｏ ｒａｉｅ ａ ｅ ｋ ｄ ｌｔｏ ｒ ｒ ｄ ｃ ｄ， ｈ ｉｃ 移键控 ；二进 制相 移键控 ； 场 可编程 门阵列 ；调制 现
中图分类 号 ：Ｔ ９ ９ 文献 标识 码 ： ｄ ｉ ０ ３ ６ ／． ｓ ０ ５５ ３ ． ０ １ ０ ． １ Ｎ １ Ａ ｏ ：１． ９ ９ｊｉ ｒ １０ —６０ ２ １ ． ５０ ５ ｓＬ
Ｍ ｏ ｕａｉｎａ ｄｅ ｌｔ ｎ ｏ Ｓ ａ ｄＢ Ｓ ｂ ｓｄｏ Ｐ Ａ ｄ ｌｔ ｎ ｍｕａｉ ｆＱＰ Ｋ ｎ Ｐ Ｋ ａｅ ｎＦ Ｇ ｏ ｏ
第３卷 ３
第 ５ 期
光
学
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Ｖｏ． ３ １３ ，Ｎｏ ５ ．
Ｏｃ ｏ ｅ ，２ １ ｔｂ ｒ ０ １
２ １ 年 １ 月 ０１ Ｏ
ＯＰ ＣＡＬ ＮＳ ＴＩ Ｉ ＴＲＵＭ ＥＮＴＳ
文章 编号 ：１ ０ —６ ０ ２ １ ） ５０ ７— ５ ０ ５５ ３ （ ０ １ ０ —０ ００
基于 Ｆ ＧＡ的 ＱＰ Ｋ 与 Ｂ Ｓ Ｐ Ｓ Ｐ Ｋ调制 系统仿真 ＊