基于FPGA的MPSK调制解调器设计毕业设计.doc

硬件描述语言及EDA设计 项目名称：基于FPGA的调制器的设计 基于FPGA的调制器的设计 1.绪论 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。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。在众多调制方式中，MPSK信号由于抗干扰能力强而得到了广泛的应用，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，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。现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)是20世纪90年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，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。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，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。 MPSK是目前应用非常广泛的调制解调技术，目前MPSK调制的实现主要是利用数字电路和专用芯片来完成，通常利用可编程数字电路对基带信号进行码元变换，成形滤波等处理后得到同相分量和正交分量，然后将两路信号分量经过数模转换获得模拟信号送入一个正交相乘器与中频载波调制得到中频MPSK调制信号。该方法适合高码率数字信号的传输，但系统的开放性和灵活性较差。 2.MPSK的调制原理 2.1二进制相移键控（BPSK） 对于二进制相移键控BPSK（Binary Phase Shift Keying）来说，就是二进制的数字信号0和1分别用载波的0和π来表示。其表达式由公式(2.1)给出: （2.1） 式中，An为二进制数字， （2.2） 数字调相波可以用矢量图表示其相位变化的规则，根据CCITT规定，存在A、B两种表示相位变化的矢量图，如下图2.5所示。 图2.1 矢量图 2.2 QPSK调制原理 QPSK信号可以表示为 (2.5) 式中，是载波的角频率，是第k个码元的载波相位取值，Ts是一个发送码元的持续时间，它将取可能的四种相位之一，g(t)是发送码元的波形函数。是可以取区间（0，2π）任何离散值的随机变量，可取的个数由调制方式的进制来决定。在QPSK调制系统中，发送端可取的相位值为四个。 将上式展开，得到： （2.6） 令，，则两者的取值为随机的离散值，和选定的相位有关，在星座图的映射中对应同相和正交分量，反映其在映射图中的矢量位置。 对于四种相位的选择，存在π/2体系和π/4体系。π/2体系对应n=0，π/2，π，3π/2四个离散值。π/4体系对应n=π/4，3π/4，5π/4，7π/4四个离散值。 从式(2.6)可以看出，四相调制的波形，可以看成是对两个正交载波进行二进制幅度调制的信号之和。从Xn和Yn的取值，容易发现两者具有一定的矢量约束关系，保证两者合成的矢量点在落在同一圆周上。这个关系意味着，系统的非线形失真对QPSK系统的可靠性影响很小。 由于四相绝对移相调制可以看作两个正交的二相绝对移相调制的合成，QPSK调制器可以看成由两个BPSK调制器构成。输入的串行二进制序列经过串并转换后，分成两路速率减半的序列，然后经过极性转换后变成两路双极性二电平信号I (t)和Q (t)，然后跟cos2πf t和sin 2πf t相乘进行调制，正交调制方式体现在I通道使用同相载波进行2PSK调制，Q通道使用正交载波进行2PSK调制。相加后即得到QPSK信号。如图2.9所示: 图2.2 QPSK调制系统 QPSK信号的产生方法采用相位选择法（I通道与Q通道相位正交），如图2.10所示。由于Ｉ通道与Ｑ通道为正交调制方式，故其选择载波方式不同。由图2.10可知，二相载波发生器分别送出调相所需的两种不同相位的载波，即数字载波信号。 图2.3 相位选择法原理 根据QPSK调制原理