基于FPGA的QPSK调制解调的仿真及相关软件设计毕业设计

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1、 1 1 引言引言 1 11 1 研究背景研究背景 自 1897 年意大利科学家 G.Marconi 首次使用无线电波进行信息传输并获得成 功后，在一个多世纪的时间中，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线 通信的理论和技术不断取得进步，今天，无线移动通信已经发展到大规模商用并逐 渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一。 随着数字技术的飞速发展与应用数字信号处理在通信系统中的应用越来越重 要。数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。频带传输系统也叫数字 调制系统，该系统对基带信号进行调制，使其频谱搬移到适合信道传输的频带上数 字调制信号有称为键控信号。在调制的过程中可用键控

2、1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最基本的方法有三种：正交幅度调制（QAM）、 频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。 作为数字通信技术中重要组成部分的调制解调技术一直是通信领域的热点课 题。随着当代通信的飞速发展，通信体制的变化也日新月异，新的数字调制方式不 断涌现并且得到实际应用2。目前的模拟调制方式有很多种，主要有 AM、FM、SSB、 DSB、 CW 等， 而数字调制方式的种类更加繁多， 如 ASK、 FSK、 MSK、 GMSK、 PSK、 DPSK、 QPSK、QAM 等。如果产生每一种信号需要一个硬件电路甚至一个模块，那么能产生 几种、十几种通信信号的通信

3、机的电路将相当复杂，体积重量将会很大，而且要增 加新的调制方式也是十分困难的。在众多调制方式中，四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)信号由于抗干扰能力强而得到了广泛的应用3, 4，具 有较高的频谱利用率和较好的误码性能，并且实现复杂度小，解调理论成熟，广泛 应用于数字微波、卫星数字通信系统、有线电视的上行传输、宽带接入与移动通信 等领域中5，并已成为新一代无线接入网物理层和 B3G 通信中使用的基本调制方式 6。现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)是 20 世纪 9 年代 发展起来的大规模可编程

4、逻辑器件，随着电子设计自动化(ElectronDesign Automation EDA)技术和微电子技术的进步，FPGA 的时钟延迟可达到 ns 级，结合 其并行工作方式，在超高速、实时测控方面都有着非常广阔的应用前景7。FPGA 具 有高集成度、高可靠性等特点，在电子产品设计中也将得到广泛的应用。FPGA 器 件的另一特点是可用硬件描述语言 VHDL 对其进行灵活编程8，可利用 FPGA 厂商提 供的软件仿真硬件的功能，使硬件设计如同软件设计一样灵活方便，缩短了系统研 发周期。基于上述优点，用 FPGA 实现调制解调电路，不仅降低了产品成本，减小 了设备体积，满足了系统的需要，而且比专用芯

5、片具有更大的灵活性和可控性。在 资源允许下，还可以实现多路调制。 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。最基本的方法有 3 种：正交幅度调制(QAM)、频 移键控(FSK)、相移键控(PSK)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（M 进制)。多进制数字调制与二进制相比，其频谱利用率更高。其中 QPSK(即 4PSK)是 MPSK(多进制相移键控)中应用最广泛的一种调制方式。本课题主 要研究了基于 FPGA 的 QPSK 调制解调电路的实现方法，并给出了 MAX+PLUSII 环境 下的仿真结果。 1. 2 1.

6、2 国内外研究状况及趋势国内外研究状况及趋势 1.2.1 数字调制解调技术的发展现状 数字信号调制是用基带数字信号控制高频载波， 把基带数字信号变换为频带数 字信号的过程，数字信号的调制设备包括数字信号处理（编码）单元和调制单元。 图 1.1 数字通信调制系统框图 首先将模拟信号数字化，然而数字信号序列进行编码码流是不能或不适合直 接通过传输信道进行传输的，必须经过某种处理，使之变成适合在规定信道中传 输的形式。在通信原理上，这种处理称为信道编码，一般包括扰码，R-S 编码，卷 积交织，卷积编码这几部分；有关调制单元的调制类型的分类： （1）按数据类型数字调制可分为二进制调制和多进制调制两种。 （2）按已调信号的结构形式可分为线性调制和非线性调制两种。 （3）按数字调制方式分为调幅、调频和调相三种基本形式。 数字通信解调设备的构成如图 1.2 所示，主要包括解调单元、信码再生单元和译码 单元。其中，载波同步和定时同步是解调器的 2 个核心单元，它们直接决定着解调 器的误码性能。 图 1.2 数字通信解调系统框图 在传统的数字通信系统中，