1、 本科毕业论文（设计）题 目： 基于 FPGA 单边带调 制系统的设计学生姓名： 指导教师： 所在分院： 专 业： 班 级： 二 O 一三年五月基于 FPGA 单边带调制系统的设计摘要：随着无线电技术的发展和各种通信设备不断地投放市场，通信频道拥挤的问题日渐突出，因此占用较窄频带或能在同一频段内容纳更多用户的通信技术普遍地收到人们的重视。例如，单边带通信就是一种目前应用比较广泛并具有占用较窄频带特电的通信方法。而 FPGA 具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高、适用范围宽等特点，可以实现超大规模的电路，编程也很灵活，与门阵列等其他 ASIC 相比，它具有开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进
2、、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检测等优点，故这里基于 FPGA 对单边带进行调制。首先，设置调制信号频率为 5KHZ，振幅为 5，载波频率为 100KHZ，振幅为 10，运用 Matlab编程得到单边带信号的波形与功率谱，与调制信号进行对比，观察调制效果。然后运用 Simulink 分别对滤波法与相移法两种调制方法进行建模仿真，通过观察仿真波形，最终相移法的调制效果要优于滤波法。最后，对以上低层设计产生的 VHDL 的RTL 代码和仿真文件进行综合、编译适配以及仿真。结果表明本文设计方法能够很好的进行单边带信号调制。关键词：单边带；调制；仿真；FPGAFPGA-based on s
3、ingle-sideband modulation systemAbstract:With the development of radio technology and various communications equipment constantly put on the market, communication channel congestion problems have become increasingly prominent, so take the narrow band or communication technology can satisfy more user
4、s in the same frequency band content generally received peoples attention. For example, is a kind of widely used currently and has occupied the narrow band communication method of special electrical communication with unilateral. While FPGA has the characteristics of flexible system structure and lo
5、gic unit, high integration, wide application scope, can realize large scale circuits, programming is also very flexible, compared to other ASIC gate array, it has a short development cycle, low manufacturing cost, advanced development tool, standard product without testing, stable quality and real-t
6、ime online detection etc., so here is based on the FPGA of SSB modulation. First of all, the use of MATLAB programming, set the frequency modulation signal, the carrier frequency, amplitude is 1, the simulation to be modulated signal waveform and power spectrum, are compared with the modulation sign
7、al, observe the modulation effect. And then Simulink is used to filter and phase shift method of two kinds of modulation methods for modeling and simulation, by observing the simulation waveform, modulation effect of final phase shift method is superior to the filtering method. Finally, the RTL code
8、 and simulation files to the low layer design of VHDL adapter and comprehensive, compiled simulation.Keywords: single sideband; modulation; simulation; FPGAI目录1 引言 .11.1 课题的研究意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 课题的主要内容 .22 SSB 的调制技术原理 .32.1 概述 .32.2 SSB 的调制原理 .42.3 本章小结 .43 MATLAB/SIMULINK 的 SSB 系统的设计 .53.1 软件简介
9、 .53.2 滤波法产生单边带信号 .53.2.1 滤波法产生 SSB 信号进行 Matlab 设计仿真 .63.2.2 滤波法设计 Simulink 建模仿真 .73.3 相移法产生单边带信号 .113.3.1 相移法产生 SSB 信号进行 Matlab 设计仿真 .123.3.2 相移法设计 Simulink 建模仿真 .133.4 本章小结 .154 基于 FPGA 的 SSB 调制系统的设计 .164.1 FPGA 简介 .164.1.1 使用 FPGA 进行开发的优点 .174.1.2 FPGA 设计的开发流程 .174.2 使用 QUARUS实现时序仿真 .194.2.1 Quar
10、us介绍 .194.2.2 转换为 VHDL 语言并综合 .224.2.3 使用 Modelsim 实现时序仿真 .244.2.4 使用 Quartus实现时序仿真 .264.3 本章小结 .275 结论 .285.1 设计过程中遇到的问题以及解决方法 .285.2 体会 .28致谢 .29参考文献 .30附录 A.3111 引言1.1 课题的研究意义在通信技术领域，载波调制技术已广泛应用于地面广播通信、卫星通信、信号传输等通信系统中。而在载波调制技术中，单边带调制的方法有很多优点，比如：占用带宽小和功耗低等，但是在传统的通信技术中，因为滤波器设计实现起来比较困难，单边带调制技术在现在仍旧没有
11、广泛应用于通信系统中。随着近几年数字信号处理技术的快速发展，单边带调制技术要在数字信号处理平台上的实现也成为可能。为解决单边带调制方法因在载波调制技术中难以实现而不被广泛应用的问题,对单边带调制方法进行了研究,提出了基 Hilbert 正交变换的单边带调制算法,以及该算法的 FPGA(Field Programmable Gate Arrays)实现.建立了 Matlab 的系统分析模,采用DSP Builder 设计了单边带调制程序,并通过 Modelsim 对该程序进行了仿真,得到了理想的单边带调制的波形。目前，数字信号处理平台主要包括 DSP（Digital Signal Process
12、or）和FPGA（Field Programmable Gate Arrays ）两种。数字信号处理平台的实现方案，主要是基于 FPGA+DSP 的结构来实现高速数字信号处理。该方案采用先进的 FPGA和 DSP 芯片，借鉴了软件无线电的思想，通过 DSP 芯片对 FPGA 芯片的动态配置来实现具有通用性、可扩充性的硬件平台，相对于 FPGA 芯片，DSP 芯片采用串行指令，运算速度受系统时钟频率的影响，难以实现高速实时处理。而 FPGA 采用并行处理技术，很大程度上提高了系统的运行速度，并且 FPGA 芯片的内部逻辑块和I/O 可以自主配置，令设计变得非常灵活。因此，FPGA 被广泛运用在高
13、速实时通信系统中。1.2 国内外研究现状近年来，人们对单边带调制也进行了更广泛的研究，合肥电子工程学院在 2001年发表了基于 System View 的单边带调制解调系统 ，但只是用了传统模拟方法实现的；西安电子科技大学在 2003 年提出了一种单边带调制/解调的新方法 ，采用的方式是数字信号处理，这一处理方法突破了传统的模拟调制解调方法，为以后单边带调制系统的发展奠定了基础；海洋工程大学的尹敬湘等人在 2005 年提出的数字式单边带调制的关键与实现方法提到的方法是单边带调制中的正交调制以及内插等技术；2009 年，南京某部队的基于 FPGA 的载波系统调制 ，提到了本文要设计的课题：基于
14、FPGA 的单边带调制，发展的时间仅仅只有 4 年，所以在 FPGA进行单边带调制方面还是有很大的发展空间的。2002 年 Altera 公司推出的 DSP Builder 很好地解决了在 EDA 技术完成硬件设计的过程中，因为一些特定的设计项目，典型的设计流程包括设计项目编辑、综合、2仿真、适配、编程，显得很不方便的问题。1.3 课题的主要内容本文对调制系统进行了研究，并针对 SSB 调制系统进行了 FPGA 实现。本文的内容安排如下：第一章简要地介绍了本文的研究背景和意义，以及国内外研究现状；第二章详细地介绍了 SSB 调制技术的原理，熟悉和学习 FPGA 技术，充分理解单边带调制系统的工
15、作原理和在通信系统中的应用；第三章从 Matlab 编程仿真到 Simulink 建模仿真，分别采用滤波法和相移法实现SSB 调制系统；第四章设计基于 FPGA 的调制系统的各系统模块。在通过前面系统仿真的基础上，提出了具体可行的 FPGA 实现方法。在 FPGA 设计过程中，通过流水线和模块化的方法构造了正交振幅调制的调制系统，对其中的关键技术如频率合成、数字滤波、进制转换等模块进行研究并采用硬件描述语言进行了实现和综合仿真。最后进行设计的总结与体会。32 SSB 的调制技术原理2.1 概述一般根据调制信号参数的不同，它有三种基本形式：振幅调制，频率调制和相位调制。如果要控制的参数是高频振荡
16、的振幅，说这种调制为幅度调制，简称调幅；如果要控制的参数是频率或高频振荡的相位，说这种调制为频率调制和相位调制，简称频率或相位调制（FM 和 PM 并称为角度调制） 。幅度调制的特点是载波的频率始终保持不变，它的振幅却是变化的。其幅度变化曲线与要传递的低频信号是相似的。它的振幅变化曲线称之为包络线，代表了要传递的信息。幅度调制在中、短波广播和通信中使用甚多。幅度调制的不足是抗干扰能力差，因为各种工业干扰和天电干扰都会以调幅的形式叠加在载波上，成为干扰和杂波。调幅(AM）：用调制信号控制载波的振幅，使载波的振幅随着调制信号变化。已调波称为调幅波。调幅波的频率仍是载波频率，调幅波包络的形状反映调制
17、信号的波形。调幅系统实现简单，但抗干扰性差，传输时信号容易失真。调频(FM）：用调制信号控制载波的振荡频率，使载波的频率随着调制信号变化。已调波称为调频波。调频波的振幅保持不变，调频波的瞬时频率偏离载波频率的量与调制信号的瞬时值成比例。调频系统实现稍复杂，占用的频带远较调幅波为宽，因此必须工作在超短波波段。抗干扰性能好，传输时信号失真小，设备利用率也较高。调相(PM）：调制信号控制载波的相位，与调制信号的载波相位变化。调制波称为相位调制波。瞬时值的相位调制波的振幅成比例保持不变，从载波相位角偏差量调制的相位信号的瞬时相位调制波。在调频相位角也有相应变化，但这一相位不随调制信号成比例的变化。在相
18、位调制频率也有相应的改变，但这个频率的变化并不与调制信号成比例。在模拟调制方法中的调制波的频谱中，除在外的载波频率两侧的载波分量外，在载波频率两旁还各有一个频带，因调制而产生的各频率分量就落在这两个频带之内。这两个频带统称为边频带或边带。位于高于侧边带的载波频率，称为上边带。位于低于侧边带的载波频率，称为下边带。单边带通信滤波器，相移法或相移滤波方法一个边带调幅波，这种调制方法称为单边带调制（SSB） 。单边带调制常用于有线载波电话和短波无线电多路通信 1。由于 AM 信号的功率利用率最大也只有 ，不携带任何信息的载波功率部分占用了大部分利用率，加上抗噪性能差，使用起来造成了很大浪费，限制了
19、AM 调制技术的发展，基于 AM 信号中大部分信号功率都消耗在了载波功率上的这个特点，可以将载波功率滤除掉，仅仅传送边带信号，提高功率利用率，这种技术就叫做抑134制载波的双边带调制（DSB） ，时域和频域表达式为：从中可以看出，DSB 的频谱不存在载频分量，这样的话功率利用就大大提高了，理论可以达达 100%，即传送的信号全是携带有用信息的信号，DSB 信号虽然有效的提高了功率利用率，但是由于其带宽仍旧是调制信号带宽的 2 倍，在带宽有限的条件下，其发展受到限制，而 SSB 信号是 DSB 信号中一个边带，比 DSB 信号节省了一半的带宽，于是，单边带调制系统设计就出现了。2.2 SSB 的
20、调制原理单边带信号( SSB) ,是调幅信号的一种,它出自于调幅但是又区别于调幅。调制音频幅度变化了，载波幅度也会跟随着变化，这就是调幅波的调制方式。要说明调幅波的频谱特征得根据混频的原理来讲解，因为要准确的掌握 SSB 的产生方法，只有清楚的知道调幅波的特征才可以。由于对于非线性元件,两个不同频率的信号频率 1和频率 2 通过会出现 4 个频率:两个频率的和、两个频率的差、频率 1、频率 2。通常我们把两个频率的和、两个频率的差称为上边带信号和下边带信号。而这两个信号所包含的信息又相同,因此只要传送一个边带信号，所要传送信号的全部信息也就传送了。抑制载波的双边带调幅虽然节省了载波功率，但已调
21、信号的频带宽度仍未调制信号的两倍，与常规双边带调幅时相同。而我们从它们的频谱图上可以看出，上、下两个边带是完全对称的，它们所携带的信息相同，完全可以只用一个边带来传输全部信息。这样不仅可以节省载波功率，还可节省一半的传输频带。这种方式称为单边带调制。单边带调制是幅度调制中的一种。幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。在波形上，幅度已调信号的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。常见的调幅（AM） 、双边带（DSB） 、残留边带（VSB）等调制就是幅度调制的几种典型的实例。单边带调制（SSB）信号是将双
22、边带信号中的一个边带滤掉而形成的。根据滤除方法的不同，产生 SSB 信号的方法有：滤波法和相移法 2。2.3 本章小结通过对单边带调制（SSB）信号课题的研究背景以及调制技术原理的了解与学习，熟悉信号调制方式与调制方法，对研究流程有初步的了解，同时也学习了单边带调制系统设计时所用到的仿真方法和软件，为后面的课题设计做好铺垫。()cos() (1)1) 22DSBLcctmwtM 53 Matlab/Simulink 的 SSB 系统的设计3.1 软件简介MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，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
23、，主要包括MATLAB 和 Simulink 两大部分。Matlab 译于矩阵实验室 MATrix LABoratory 是用来提供通往 LINPACK 和 EISPACK 矩阵软件包接口的，后来它渐渐发展成了通用科技计算图视交互系统和程序语言。Matlab 发展到现在已经成为一个系列产品 Matlab主包和各种可选的 toolbox 工具包主包中有数百个核心内部函数迄今所有的三十几个工具包又可分为两类功能性工具包和学科性工具包功能性工具包主要用来扩充Matlab 的符号计算功能图视建模仿真功能文字处理功能以及硬件实时交互功能这种功能性工具包用于多种学科而学科性工具包是专业性比较强的如控制工具
24、包（Control Toolbox） 、信号处理工具包(SignalProcessing Toolbox) 、通信工具包(Communication Toolbox)等都属此类开放性也许是 Matlab 最重要最受人欢迎的特点除内部函数外所有 Matlab 主包文件和各工具包文件都是可读可改的源文件用户可通过对源文件的修改或加入自己编写文件去构成新的专用工具包。利用 M 语言还开发了相应的 MATLAB 专业工具箱函数供用户直接使用。Matlab 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性
25、动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 3.2 滤波法产生单边带信号因为一般的 具有丰富的低频成分，因而要求滤波器的截止特性要极为陡峭()mt才行，这给实际操作带来困难，因此，在实际当中，采用多次射频及多次滤波 3的办法来实现是很常用的方法，其结构如图 3-1 所示。滤波器 1 滤波器 21coswt 2coswt()mStu (t)c图 3-1 滤波法产生 SSB
26、 信号的原理框图频域表示如图 3-2：6图 3-2 产生 SSB 信号的频谱特性工作原理：当频率较低的时候，滤波器具有陡峭的频率，因此滤波器 1 是一个截止频率点较低的低通或者高通滤波器，滤波器 2 是一个带通滤波器，通常截止频率点选的较高，调制的频率需满足： 。1cw基带信号与载波信号相乘得到双边带信号，双边带信号时域表达式如下： coscos (31)DSButUwtt双边带信号经过一个滤波器，可以得到单边带信号。当取上边带时，单边带信号时域表达式为 cos (32)SButt 取下边带时，时域表达式为 s ()SBctUwt上下边带的选取决定于滤波器的选取。滤波器为低通滤波器时保留下边带
27、，滤波器为高通滤波器时保留上边带。理想滤波特性是不可能做到的，实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。实现滤波器的难易与过渡带相对于载波的归一化值有关，过渡带的归一化值愈小，分割上、下边带的滤波器就愈难于实现 4。随着载波频率的提高，采用一级调制直接滤波的办法已不可能实现单边带调制，这时可以采用多级调制的办法。在实际应用中，滤波器的参数设置应当符合实际需求，并根据基带传输信号和载波信号的频率进行设置，以达到最高性能。3.2.1 滤波法产生 SSB 信号进行 Matlab 设计仿真滤波法产生 SSB 信号进行 Matlab 编程设计仿真如图 3-3，其中调制信号频率fm=5KHZ；载波频率 fc=100KHZ；调制信号幅度 A1=5；载波幅度 A2=10；
