共40頁，字?jǐn)?shù)總計(jì)：18502
1 引言
1．1 研究背景
自1897年意大利科學(xué)家G.Marconi首次使用無線電波進(jìn)行信息傳輸并獲得成功后，在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間中，在飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)的推動下，無線通信的理論和技術(shù)不斷取得進(jìn)步，今天，無線移動通信已經(jīng)發(fā)展到大規(guī)模商用并逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚闹匾ㄐ欧绞街弧?br>隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展與應(yīng)用數(shù)字信號處理在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越重要。數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)。頻帶傳輸系統(tǒng)也叫數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對基帶信號進(jìn)行調(diào)制，使其頻譜搬移到適合信道傳輸?shù)念l帶上數(shù)字調(diào)制信號有稱為鍵控信號。在調(diào)制的過程中可用鍵控[1]的方法由基帶信號對載頻信號的振幅，頻率及相位進(jìn)行調(diào)制最基本的方法有三種：正交幅度調(diào)制（QAM）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。
作為數(shù)字通信技術(shù)中重要組成部分的調(diào)制解調(diào)技術(shù)一直是通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。隨著當(dāng)代通信的飛速發(fā)展，通信體制的變化也日新月異，新的數(shù)字調(diào)制方式不斷涌現(xiàn)并且得到實(shí)際應(yīng)用[2]。目前的模擬調(diào)制方式有很多種，主要有AM、FM、SSB、DSB、CW等，而數(shù)字調(diào)制方式的種類更加繁多，如ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、DPSK、 QPSK、QAM等。如果產(chǎn)生每一種信號需要一個(gè)硬件電路甚至一個(gè)模塊，那么能產(chǎn)生幾種、十幾種通信信號的通信機(jī)的電路將相當(dāng)復(fù)雜，體積重量將會很大，而且要增加新的調(diào)制方式也是十分困難的。在眾多調(diào)制方式中，四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)信號由于抗干擾能力強(qiáng)而得到了廣泛的應(yīng)用[3], [4]，具有較高的頻譜利用率和較好的誤碼性能，并且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度小，解調(diào)理論成熟，廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波、衛(wèi)星數(shù)字通信系統(tǒng)、有線電視的上行傳輸、寬帶接入與移動通信等領(lǐng)域中[5]，并已成為新一代無線接入網(wǎng)物理層和B3G通信中使用的基本調(diào)制方式[6]?，F(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)是20世紀(jì)9年代發(fā)展起來的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，隨著電子設(shè)計(jì)自動化(ElectronDesign Automation EDA)技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA的時(shí)鐘延遲可達(dá)到ns級，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實(shí)時(shí)測控方面都有著非常廣闊的應(yīng)用前景[7]。FPGA具有高集成度、高可靠性等特點(diǎn)，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也將得到廣泛的應(yīng)用。FPGA器件的另一特點(diǎn)是可用硬件描述語言VHDL對其進(jìn)行靈活編程[8]，可利用FPGA廠商提供的軟件仿真硬件的功能，使硬件設(shè)計(jì)如同軟件設(shè)計(jì)一樣靈活方便，縮短了系統(tǒng)研發(fā)周期?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，用FPGA實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)電路，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設(shè)備體積，滿足了系統(tǒng)的需要，而且比專用芯片具有更大的靈活性和可控性。在資源允許下，還可以實(shí)現(xiàn)多路調(diào)制。
數(shù)字調(diào)制信號又稱為鍵控信號。調(diào)制過程可用鍵控的方法由基帶信號對載頻信號的振幅、頻率及相位進(jìn)行調(diào)制。最基本的方法有3種：正交幅度調(diào)制(QAM)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)．根據(jù)所處理的基帶信號的進(jìn)制不同分為二進(jìn)制和多進(jìn)制調(diào)制（M進(jìn)制)。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與二進(jìn)制相比，其頻譜利用率更高。其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多進(jìn)制相移鍵控)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)制方式。本課題主要研究了基于FPGA的QPSK調(diào)制解調(diào)電路的實(shí)現(xiàn)方法，并給出了MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結(jié)果。
1. 2 國內(nèi)外研究狀況及趨勢

1.2.1 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
數(shù)字信號調(diào)制是用基帶數(shù)字信號控制高頻載波，把基帶數(shù)字信號變換為頻帶數(shù)字信號的過程，數(shù)字信號的調(diào)制設(shè)備包括數(shù)字信號處理（編碼）單元和調(diào)制單元。

圖1.1 數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)框圖
首先將模擬信號數(shù)字化，然而數(shù)字信號序列進(jìn)行編碼碼流是不能或不適合直
接通過傳輸信道進(jìn)行傳輸?shù)?，必須?jīng)過某種處理，使之變成適合在規(guī)定信道中傳
輸?shù)男问?。在通信原理上，這種處理稱為信道編碼，一般包括擾碼，R-S編碼，卷
積交織，卷積編碼這幾部分；有關(guān)調(diào)制單元的調(diào)制類型的分類：
（1）按數(shù)據(jù)類型數(shù)字調(diào)制可分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制兩種?！?br>（2）按已調(diào)信號的結(jié)構(gòu)形式可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩種。
（3）按數(shù)字調(diào)制方式分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式。
數(shù)字通信解調(diào)設(shè)備的構(gòu)成如圖1.2所示，主要包括解調(diào)單元、信碼再生單元和譯碼單元。其中，載波同步和定時(shí)同步是解調(diào)器的2個(gè)核心單元，它們直接決定著解調(diào)器的誤碼性能。

圖1.2 數(shù)字通信解調(diào)系統(tǒng)框圖
在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的解調(diào)單元都是用模擬處理方法和器件實(shí)現(xiàn)的。其中，共同之處在于使用了模擬濾波器、鑒相器（乘法器）和壓控振蕩器(VCO)。這種傳統(tǒng)的模擬解調(diào)單元電路體積大、形式復(fù)雜；調(diào)試周期長而且受人為因素影響大；器件內(nèi)部噪聲大，易受環(huán)境影響，可靠性差；因此，這種傳統(tǒng)的接收機(jī)不能完全發(fā)揮數(shù)字通信的優(yōu)勢，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的最佳接收。解調(diào)單元的載波同步和定時(shí)同步將完全在數(shù)字部分完成，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位置決定了接收機(jī)的數(shù)字化程度。在全數(shù)字解調(diào)中，幾乎所有的模擬解調(diào)單元和件都可以對應(yīng)地找到它的數(shù)字化形式，如數(shù)字濾波器（FIR或IIR）、全數(shù)字乘法器和數(shù)控振蕩器[9], [10]（NCO）等。但全數(shù)字解調(diào)并不是簡單的將模擬解調(diào)中的器件全部數(shù)字化，它具有以下的特點(diǎn)：
1)電路結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試；
2)可以使用復(fù)雜的算法，從而實(shí)現(xiàn)最佳的接收；
3)便于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）；
4)易于集成和大規(guī)模生產(chǎn)，價(jià)格低廉。
QPSK是目前應(yīng)用非常廣泛的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，目前QPSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)主要是利用數(shù)字電路和專用芯片來完成，通常利用可編程數(shù)字電路對基帶信號進(jìn)行碼元變換，成形濾波等處理后得到同相分量和正交分量，然后將兩路信號分量經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換獲得模擬信號送入一個(gè)正交相乘器與中頻載波調(diào)制得到中頻QPSK調(diào)制信號。該方法適合高碼率數(shù)字信號的傳輸，但系統(tǒng)的開放性和靈活性較差。

1.2.2 FPGA的發(fā)展概況
FPGA/CPLD、DSP和CPU被稱為未來數(shù)字電路系統(tǒng)的3塊基石，也是目前硬件設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)[11]。過去的數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)中，大多采用ASIC和DSP，但這類器件都有一定的缺陷。ASIC處理速度快，但開發(fā)成本高，而且內(nèi)部功能不可改變，這樣系統(tǒng)的可重構(gòu)性差；DSP可以通過更改軟件來改..