毕业设计（论文）基于FPGA的数字调制器的实现.doc

诚信声明本人声明：我所呈交的本科毕业设计论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 年 月 日毕业设计(论文)任务书设计(论文)题目： 基于FPGA的数字调制器的实现 学院： 信息学院 专业： 电子信息科学与技术 班级： 学生： 指导教师： 专业负责人： 1设计(论文)的主要任务及目标(1) 查阅资料，掌握数字调制器原理及实现方法 (2) 完成基于FPGA的数字调制器硬件电路设计 (3) 完成各功能模块FPGA编程 (4) 完成软件仿真、硬件设计和软硬件调试 (5) 完成毕业论文的编写。2设计(论文)的基本要求和内容(1) 查阅有关数字调制原理的中外文献，学习相关知识 (2) 学习FPGA基本设计原理及简单功能模块的实现方法 (3) 结合数字调制原理，进行基于FPGA的数字调制器硬件电路设计。 (4) 利用VHDL语言对各功能模块编程，并完成软件仿真。 (5) 完成FPGA芯片外围电路的设计 (6) 进行硬件调试与系统调试 (7) 利用Protel完成原理图和PCB图的绘制。 (8) 对多种数字调制系统的性能进行比较分析 (9) 编写毕业论文 3主要参考文献1 潘松，黄继业EDA技术实用教程M第二版北京：科学出版社，20052 郭梯云，邬国扬，李建东移动通信M修订版西安：西安电子科技大学出版社，20003 苏小妹软件无线电系统的研究及其FPGA实现D湖南：湖南大学，20054 阳晰高速数字调制解调D成都：电子科技大学，20055 韦维，毕存强，吴兴洁浅谈移动通信系统数字调制技术J无线电技术与信息，2005(10)：66-696 ALFREDO LINZ, ALAN HENDRICKSONEfficient Implementation of an I-Q GMSK ModulatorJIEEE TRANSACTION ON CIRCUITS AND SYSTEMS, 1996,43(1)：14-237 ABHIJIT PATAITEfficient GMSK Modulator Targets GSM DesignEB/OL.(2006-03-22). - Efficient GMSK Modulator Targets GSM Designs.htm8 ALTERA CORPORATION. Cyclone Device HandbookZ. 20034进度安排设计(论文)各阶段名称起 止 日 期1查阅资料并掌握数字调制原理及实现方法2月20日-3月20日2数字调制器硬件电路设计3月21日-4月20日3各功能模块VHDL编程5月1日-5月10日4软件仿真及系统调试5月11日-5月25日5毕业论文的编写5月26日-6月10日6英文资料翻译学期过程中自行安排摘 要本文实现了基于FPGA技术的多种数字调制器。该系统能实现10种不同调制方式，包括2ASK、BPSK、BFSK、QPSK、DQPSK、/4-DQPSK、OQPSK、16QAM、MSK、GMSK。同时还可作为由MCU控制的任意波形发生器。首先，本文介绍了数字调制技术的发展及多种数字调制技术的原理，给出了基于FPGA的数字调制器的实现原理及方法；然后在完成了DDS模块设计的基础上，实现了多种数字调制器的软件设计，并进行了硬件平台原理图和PCB图的绘制。最后给出了本系统的测试结果，并对结果进行分析。基带信号速率可以从512bps到3.84Mbps选择，满足与目前多种设备的基带信号接口的要求。载波频率最高可达20MHZ，频率分辨率为0.0002Hz。通过实际运行和测试，功能和技术指标均满足要求。本系统集FPGA和DDS技术优势于一身，可任意设置已调信号的频率、相位和幅度，转换时间为纳秒级，具有很高的转换精度和较低的相位噪声；同时还具有速度快、稳定性高、电路结构简单、通用性好，成本低、体积小等诸多优点。关键词：数字调制器；FPGA；直接数字频率合成 ABSTRACTThis paper presents the implementation of digital modulator based on FPGA. The modulator can realize ten kinds of modulation, including ASK, BPSK, BFSK, QPSK, DQPSK, /4-DQPSK, OQPSK, 16QAM, MSK, GMSK. And the modulator can also perform as an arbitraty waveform generator.Firstly, the paper briefly introduces the progress and the basic principle of modulation technologies. Then, after the realization of DDS modual, the digital modulator is implemented, involving software and hardware design. Finaly, the paper illustrates the experimental results and gives the conclusion. The rate of the baseband signal ranges from 512bps to 3.84Mbps, which can interface with many devices. The carrier frenquency is up to 20MHZ and the frenquency resolution is 0.0002HZ. The advantages of FPGA and DDS are concentrated in this modulator, which results in instant transition of the frenquency, phase and amplitude of the modulated signal, and the values of them can be seted arbitrarily and accurately. Addtionally, the modulator distinguishes itself with high speed, high stability, simpleness of the circuit, low cost, small area etc.Keywords：digital modulation，FPGA，DDS 目 录前 言1第1章 绪 论2第1.1节 数字调制技术的发展2第1.2节 基于FPGA的数字调制器研究的意义3第1.3节 本文研究的主要内容4第2章 数字调制原理6第2.1节 概 述6第2.2节 二进制数字调制原理7第2.3节 多进制数字调制原理82.3.1多进制数字频率调制原理92.3.2多进制数字相位调制原理92.3.3 正交振幅调制原理(QAM)12第2.4节 恒包络连续相位数字调制原理132.4.1 最小移频键控原理(MSK)132.4.2 高斯最小移频键控原理(GMSK)14第2.5节 各类数字调制方式性能分析15第2.6节 用FPGA实现数字调制器的原理及方法17第3章 基于FPGA的中频数字调制器的软件设计与实现19第3.1节 直接数字频率合成(DDS)的设计与实现193.1.1 DDS原理及系统组成193.1.2 DDS系统的性能分析213.1.3 基于FPGA的DDS系统的设计与实现223.1.4 用DDS实现数字调制器的可行性26第3.2节 基于FPGA的二进制数字调制器设计与实现26第3.3节 基于FPGA的多进制数字调制器的设计与实现283.3.1 MFSK调制器设计与实现293.3.2 QPSK调制器设计与实现293.3.3 DQPSK与/4-DQPSK调制器设计与实现303.3.4 OQPSK调制器设计与实现303.3.5 16QAM调制器设计与实现31第3.4节 基于FPGA的恒包络连续相位数字调制器的设计与实现323.4.1 MSK调制器设计与实现323.4.2 GMSK调制器设计与实现32第3.5节 各模块程序调试与系统联调37第4章 基于FPGA的中频数字调制器的硬件设计与调试40第4.1节 硬件整体结构设计40第4.2节 硬件平台具体设计404.2.1 FPGA核心板设计404.2.2 ADDA适配板设计454.2.3 FPGA核心板和ADDA板、MCU板的接口设计48第4.3节 FPGA板和ADDA板原理图及PCB图的绘制49第4.4节 硬件电路调试与软硬件联调504.4.1 硬件电路调试504.4.2 软硬件联调50第5章 数字调制器测试结果及性能分析52第5.1节 DDS系统测试结果及性能分析525.1.1 DDS系统测试结果525.1.2 DDS系统杂散性能分析52第5.2节 多种数字调制器测试结果及性能分析54结 论58参考文献60致 谢62前 言近年来，移动通信领域的各项技术取得迅猛发展，经历了从AMPS，NMT模拟移动通信，到DAMPS，IS94，GSM数字移动通信，再到第三代移动通信技术的发展过程。但多种无线通信标准和体制之间无法兼容的弊端也严重制约着通信技术的发展。为此，美国MILT-RE公司在1992年5月首次明确提出了一个新名词：软件无线电(Software Radio)1。DDS技术作为软件无线电技术之一，近年来取得飞速发展，它在工作频率范围、频率转换速度、相位连续性、正交输出、高分辨率以及易集成化等一系列性能方面，远远超过了传统频率合成水平，获得广泛应用2。FPGA(Field Programmable Gate Array)作为软件无线电另一核心技术，近10年无论在规模、处理速度还是在功耗上，都取得了长足的进步。随着FPGA成本的降低及设计工具的发展，FPGA器件获得广泛应用，既能实现高性能的DSP应用，又降低了专用ASIC的风险和前期成本，成为数字信号处理硬件实现的比较好的选择方案3。FPGA技术的出现，使得人们“From Concept to System in minutes”的梦想得到部分实现。本文在查阅大量资料，了解当前软件无线电发展背景的基础上，将DDS技术和FPGA技术结合起来，进行了软件编程及硬件平台的设计，实现了基于FPGA的多种数字调制器，并对本系统进行了实际测试，与理论结果基本一致。全文分为五章，第一章介绍了数字调制技术的发展，及本课题的意义；第二章分析了多种数字调制技术的原理，并进行了性能比较，最后给出了基于FPGA的数字调制器的实现原理及方法；第三章在对DDS原理进行介绍的基础上，完成了多种数字调制器的设计与实现；第四章进行了调制系统硬件平台的设计，完成了原理图和PCB板图的绘制。第五章给出了本系统的实测结果，并对结果进行分析；最后，对全文进行总结。第1章 绪 论第1.1节 数字调制技术的发展近年来，我国移动通信业务迅猛发展，已深入到社会生活的各个方面。面对移动用户群的持续增长和新业务的层出不穷，移动通信体系要及时适应甚至超前于市场需求的步伐。而作为移动通信核心技术之一的数字调制技术是实现高速、高效的移动通信系统的重要保证。移动通信对调制技术的主要要求是：已调信号的频谱窄和带外衰减快(即频谱利用率高)；易于采用相干解调或非相干解调；抗噪声和抗干扰能力强；以及适宜在衰落信道中传输。在实际应用中，有两类用的最多的数字调制方式4：(1) 线性调制技术：主要包括PSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、/4-DQPSK、多电平PSK和QAM等。此处所谓“线性”，是指这类调制技术要求通信设备从频率变换到放大和发射的过程中保持充分的线性。显然，这类要求会增加设备的难度和成本，但这类调制方式可获得较好的频谱利用率。(2) 恒定包络(连续相位)调制技术。主要包括MSK、GMSK、GFSK和TFM等。这类调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱，并且对放大器件没有线性要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线性调制技术。提高频谱利用率是提高通信容量的重要措施，也是人们设计通信系统的焦点。80年代初，由于线性高放未取得突破性进展，人们大多把注意力集中在恒包络调制技术(如GSM采用GMSK)，但80年代中期以后，随着线性高放的发展，人们着重采用了QPSK之类的线性数字调制技术。另一种获得迅速发展的调制技术是振幅相位联合调制(QAM)技术。4QAM、16QAM、64QAM以致256QAM都在微波通信中获得成功应用。针对移动信道特性，人们提出了变速率QAM(VR-QAM)、多载波QAM(MC-QAM)等多种改进方式。随着对通信技术的要求越来越高，多载波调制(MCM)技术中的正交频分复用(OFDM)调制技术、离散小波多音调制(DWMT)技术等，也越来越多地应用到移动通信中。目前，根据移动通信系统的发展过程和通信业务的要求不同，各移动通信系统采用的调制方式也各有特点,如表1·1所示： 表1·1各移动通信系统采用的调制方式5标准服务类型主要调制方式GSM蜂窝GMSKIS-95蜂窝上行：OQPSK 下行：BPSKPHS无绳/4-DQPSKCDMA2000蜂窝QPSK和BPSKWCDMA蜂窝QPSK和HPSKTD-SCDMA蜂窝QPSK和8PSKB3G(4G)蜂窝OFDM及其相关技术第1.2节 基于FPGA数字调制器研究的意义在软件无线电发展的今天，本文的研究意义包含两个方面。(1) 采用FPGA技术实现数字调制器的设计。软件无线电的基本思想是以把DSP或FPGA芯片或通用CPU芯片等硬件平台为依托，将尽可能多的无线通信功能(如调制解调、信道信源编码、加密模式、通信协议等)由软件实现。FPGA因其低成本、低功耗、可重构性、高灵活性、高数据吞吐量等诸多优越性能而备受青睐。FPGA与传统ASIC和DSP在性能等方面的比较可参见表1·2和表1·3。从表1·2可看出，相比于ASIC，FPGA具有低成本、更大的灵活性、可重构性及较短的市场投放时间。虽然近20年来，DSP性能得到不断提高，但要达到千兆赫量级的时钟速度，所要求的功耗仍然很高，并且由表1·3可以看出，其串行处理的结构不可能实现高阶的数字滤波器功能。近年来，FPGA具备了日益强大的嵌入式处理核。如Altera 的Nios处理器为高性能32bit RISC处理器，配合Altera提供的SOPC Builder软件，为软件无线电提供了出众的硬件平台，也增强了FPGA的增值工程应用机会。表1·2 FPGA与ASIC、高速DSP性能比较6器件功耗体积成本现场可编程性硅芯片的解决方案高速DSP高中等中/高高易ASIC中等大高无难FPGA低小中/低高易表1·3 FPGA芯片和DSP芯片比较6方面FPGA芯片DSP芯片编程语言VHDL,Verilog,SchematicC，汇编语言软件编程的难度易，但需弄清硬件结构易可重构性SRAM型FPGA可无数次重构通过改变MEMORY内容来重构实现滤波算法并行乘法器/加法器独立MAC单元的重复操作MAC速度并行算法快，不受抽头系数的影响受MAC单元操作速度的限制，而且与滤波器的抽头系数有关并行处理可以采用并行处理提高性能通常串行操作，不能进行并行处理 (2) 采用DDS技术的数字调制器的设计DDS问世之初，由于元器件速度限制并未引起重视。但近20年间，随着器件技术水平的提高，因其频率范围宽、高分辨率、相位连续等一系列优点成为频率合成技术中的佼佼者。与传统频率合成技术相比，通过预置相位累加器的初始值和改变相位间隔，可精确控制合成信号的相位和频率，易于实现各种数字调制方式。国外率先展开了DDS用于调制技术的研究，并已生产出了非常成熟的DDS调制芯片。如Qualcomm公司推出的DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368等；AD公司相继推出的AD9850、AD9851、可实现线性调频的AD9852、以DDS为核心的QPSK调制器AD9853以及两路正交输出的AD9854等2。国内对DDS的研究起步较晚，DDS芯片几乎还是空白。对于DDS用于调制技术的研究与应用也刚刚起步。(3) 本文将FPGA技术与DDS技术相结合，充分发挥了两大技术的优势。在FPGA器件构造的硬件平台上，结合DDS技术，实现了软件无线电数字调器。因此，本课题具有较好的研究价值和现实意义。第1.3节 本文研究的主要内容本文实现了基于FPGA的数字调制器，完成了软硬件设计。利用直接数字频率合成(DDS)技术，本文采用了一种有别于现行正交调制方法的调制器设计方案，具有较好的通用性和可实现性。本文主要工作：(1) 通过查阅相关文献，掌握了多种数字调制技术(ASK、PSK类、FSK类、QAM等)的原理及目前主要实现方法，结合DDS技术完成了调制器实现方案设计。(2) 在Quartus开发环境下，实现了2ASK、2FSK、2PSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、/4-QPSK、QAM、MSK、GMSK等10种数字调制方式。并对FPGA芯片(EP1C6Q240C8)编程下载，在硬件平台上对于各种数字调制方式进行实际运行和测试，经过示波器观测和频谱分析仪分析，功能和技术指标均满足任务书要求。(3) 完成了调制器硬件平台的设计，利用Protel DXP进行了原理图和PCB板图的绘制。(4) 对数字调制器实测结果进行分析，最后给出结论。第2章 数字调制原理第2.1节 概 述 数字调制技术的基本原理是用数字基带信号0与1去控制正弦载波中的一个或多个参量，把比特率为R(bit/s)的二进制数字序列变换为适当的中频或射频信号1。数字信号调制的基本类型分为振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)，此外还有许多有基本类型改进或综合而获得的新型调制技术：包括多进制数字调制技术和改进的数字调制技术等。数字调制技术有多种分类方式：从已调信号相位是否连续角度可分为相位不连续调制和相位连续调制；从已调信号包络是否恒定角度可分为恒定包络调制和非恒定包络调制。如图2·1所示图2·1 数字调制方式分类针对移动通信信道的两大基本特征为带宽有限、干扰和噪声影响大，已调信号应具有较高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落能力。同时，必须考虑调制解调器的可实现性：如采用恒定包络调制技术，则可采用限幅器、低成本非线性高放器件；而对于非恒包络技术，则需采用成本较高的线性高放器件。此外，还必须考虑调制器和解调器本身的复杂性：如采用相干解调和非相干解调等。综上所述，调制技术研究的主要内容包括：调制的原理、已调信号的频谱特性及其产生方法等。因此，本文将从以上几个方面讨论 图2·1 所示几种调制方式的工作原理6。 第2.2节 二进制数字调制原理常见的二进制数字调制方式包括ASK、BPSK、DPSK、BFSK四种调制方式，下面分别讨论这四种数字调制的原理。(1) 振幅键控(ASK)ASK又名二进制通断键控(OOK)调制，信号形式为： (2·1)为单极性二进制数字序列。实现框图如图2·2所示：图2·2 ASK调制框图已调信号功率谱密度如下： (2·2) (2) 移相键控(BPSK)BPSK信号形式为： (2·3)为双极性二进制数字序列。实现框图如图2·3所示：图2·3 BPSK调制框图在+1或-1等概出现时已调信号功率谱密度同公式(2·2)。(3) 差分移相键控(DPSK)为克服BPSK信号接收端的相位模糊，可对基带信号进行差分编码，然后进行BPSK调制。亦即利用载波的前后相位差来传递当前绝对码。实现框图如图2·4： 图2·4 DPSK调制框图 DPSK信号与BPSK信号具有相同的功率谱密度。(4) 移频键控(BFSK) BFSK信号形式： (2·4) 实现框图如图2·5：(a) ( b)图2·5 FSK调制框图 (a)非连续相位 (b)连续相位信号功率谱密度如下： (2·5)第2.3节 多进制数字调制原理实际中许多数字通信系统常常采用多进制数字调制，与二进制数字调制不同的是：多进制数字调制是利用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率或相位。因此，相应地有多进制数字振幅调制、多进制数字频率调制和多进制数字相位调制三种基本方式以及该三种基本方式的组合形式。2.3.1多进制数字频率调制原理MFSK是2FSK的扩展。通常设计为M 个正交的载波。发射频率为的正弦波用以表达进制符号中的第种符号。实现框图如图2·6，它根据比特输入从个频率中选择一个发送：图2·6 MFSK调制框图设码元持续时间为，则保持正交性的最小频率间隔为。则MFSK的主瓣带宽为 (2·6)功率谱密度分布如图2·7：图2·7 4FSK信号功率谱密度2.3.2多进制数字相位调制原理多进制数字相位调制是利用载波的多种不同相位(或相位差)来表示数字信息的调制方式。本文将以四相制数字调制方式来讨论多进制数字调制方式的原理。 四相绝对移相键控(QPSK)QPSK是利用载波的四种不同相位来表示数字信息。 (2·7)其中 (A方式)或 (B方式) B方式格雷码映射星座图如图2·8：图2·8 B方式格雷映射星座图将以上星座图向右旋转45°，即可得到A方式的格雷码映射星座图。实现框图如图2·9： 正交调制法 相位选择法 图2·9 QPSK调制框图在QPSK的码元速率与PSK信号的比特速率相等的情况下，QPSK信号是两个PSK信号之和，因此具有和PSK信号相同的频谱特征和误比特性能。 差分四相移相键控(DQPSK)与/4-DQPSK调制原理为克服QPSK信号解调过程中的相位模糊，可采用DQPSK调制。它是利用在当前四进制符号的载波相位与前一个四进制符号的载波相位之相位差来传递当前绝对码的双比特码。 对输入绝对码流串并转换后进行四进制差分编码，然后通过QPSK调制器即可获得已调信号。当对编码信号进行A方式的QPSK调制时，可获得DQPSK调制信号；当进行B方式的QPSK调制时，可获得/4-DQPSK调制信号。四进制差分编码原理图如图2·10：图2·10 四进制差分编码框图DQPSK信号具有和QPSK信号相同的频谱特性；而/4-DQPSK将QPSK的最大相位跳变±降为±3/4，从而改善了DQPSK的频谱特性。 交错四相移相键控(OQPSK)OQPSK调制与QPSK调制不同之处在于，在正交支路引入了一个比特的时延，从而使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而仅能产生±/2的相位跳变，具有较低的频谱旁瓣。图2·11 QPSK和OQPSK的星座图和相位转移图(a)QPSK ; (b)OQPSK实现框图如图2·12： 图2·12 OQPSK调制实现框图2.3.3 正交振幅调制原理(QAM)正交振幅调制是BPSK和QPSK的进一步推广，通过振幅和相位的联合控制，可以得到更高频谱效率的调制方式。调制框图如图2·13：图2·13 QAM调制框图16QAM矩形星座图如图2·14：图2·14 16QAM矩形星座图从星座图看出，16QAM用16个点的星座位置来代表十六进制的16种数据信号，它有12种的相位，3种振幅，它抗误码能力远大于16PSK信号。这也正是目前它广泛应用于各种通信系统的原因。第2.4节 恒包络连续相位数字调制原理2.4.1 最小移频键控原理(MSK)MSK是一种特殊形式的FSK,其频差是满足两个频率相互正交(相关系数为零)的最小频差，并要求FSK信号的相位连续。相位连续的2FSK信号的两频率之间的互相关系数是两载频的频率间隔的函数，如图2·15所示。 (2·8)图2·15 2FSK两信号的互相关系数与两载频间隔之间的关系两频率正交时的最小频率间隔为(2·9) 其调制指数为(2·10) MSK信号表达式： (2·11) 若取1，则 若取1，则 其中此值要确保MSK信号在tnTb时刻的载波相位连续，经推导得可利用图2·16的调频器来产生MSK信号。图2·16 利用h0.5的VCO产生MSK信号2.4.2 高斯最小移频键控原理(GMSK)MSK调制的主要优点是信号具有恒定振幅和信号功率谱密度在主瓣外衰减得较快。然而，在某些通信场合，如移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，要求对邻近信道的衰减达60dB以上。因此，近年来对MSK信号作些改进，如将输入信号经过滤波以后等再送入FM调制，从而改善已调信号的带外特性。GMSK信号就是通过在MSK调制器前加入高斯低通滤波器(预调制滤波器)而产生的，如图2·17： 图2·17 GMSK调制框图GMSK调制器输出已调波频谱由预调制滤波器的特性控制，因此实现GMSK调制的关键是预调制滤波器的设计。为使输出频谱密集，预调制滤波器必须具备以下特性7：(1) 窄带和尖锐的截止特性，以抑制FM调制器输入信号中的高频分量；(2) 脉冲响应过冲量小，以防止瞬时频偏过大；(3) 保持滤波器输出脉冲响应曲线下面积对应于/2的相移，使调制指数为1/2。高斯低通滤波器满足以上要求。其系统函数8为(2·12) 该系统函数具有线性相位，组延时为，决定了高斯滤波器的带宽。其3带宽为归一化3带宽为其中，为基带信号码元速率。对于GSM系统，取。由系统函数可得高斯滤波器冲激响应为： (2·13) 其中： 图2·18 高斯滤波器冲激脉冲响应注意到关于对称。第四章将利用该冲激响应来讨论该高斯滤波器的实现。第2.5节 各类数字调制方式性能分析本节将从频谱利用率、抗噪声性能(或功率利用率)、设备复杂性等几个方面对本章多种数字调制技术的性能进行分析。(1) 二进制数字调制方式：(ASK、BFSK、PSK：BPSK和DPSK)在该三种数字调制方式中，FSK是信息传输中用得最早的一种调制方式。它的主要优点是：实现起来比较容易，抗噪声和抗衰落性能较好，但其频谱利用率要低于其它两种调制方式，因此在中低速数据传输中有着广泛的应用。而就频谱利用率和抗噪声性能两个方面来看，PSK系统最佳，但其设备复杂性要高于其它两种，在中高速数据传输中得到广泛应用5。(2) 多进制数字调制器(MFSK、MPSK、QAM) 与二进制数字调制器比较:由于多进制数字已调信号的被调参数有多个可能取值，因此与二进制数字调制方式相比，具有以下特点：Ø 在相同码元传输速率下，多进制系统的信息传输速率比二进制系统的高。Ø 在相同信息传输速率下，由于多进制码元传输速率比二进制的低，因而多进制信号码元的持续时间要比二进制的长。显然，增大码元宽度就会增大码元能量，并能减少由于信道特性引起的码间干扰的影响等。正因为这些特点，多进制调制方式获得广泛应用。 多进制数字调制器间的比较MFSK同FSK一样，虽然实现容易，抗噪声和抗衰落能力比较好，但由于频谱用率较低，一般应用在调制速率不是很高的场合。PSK类调制方式中，不同相位差的载波越多，传输速率越高，并能够减少由于信道特性引起的码间串扰的影响，提高频谱利用率。但相邻载波间的相位差越小，对接收端的要求就越高，使误码率增加，功率利用率降低。而QAM在具有多进制数字调制的优点的同时，克服了以上缺陷。当多进制位数较大时，可以获得较好的功率利用率，同时其设备组成比较简单，成为目前研究和应用较多的一种调制方式7。 恒包络连续相位数字调制方式(MSK、GMSK)MSK和GMSK仍为二进制数字调制方式，但较中所示调制方式有着更优越的性能。MSK信号功率谱比BPSK更加紧凑，其主瓣比BPSK信号要窄，旁瓣下降更为迅速。因此MSK信号更易于在窄带信道传输，对邻道的干扰较小，具有比BPSK更优越的抗干扰性能。GMSK信号在二进制调制中具有最优综合性能。它在保持谱效率的同时维持相应的同波道和邻波道干扰，且包络恒定，实现起来较为容易。这是此调制方式在2G系统中得以广泛应用的主要原因。但其唯一缺点是数据传输速率相对较低，其频谱效率不如QPSK，不太适合数据会话和高速数据传输。因此，在GPRS系统中的增强蜂窝技术(EDGE)则运用了3/8-8PSK的调制方式弥补GMSK的不足，为GSM向3G的过渡做好了准备5。GMSK与其它两种调制方式的性能比较如图2·19：图2·19 GMSK调制方式与QPSK/DQPSK性能比较数字调制技术是移动通信系统的关键技术。通过对比分析可以看出，各类调制方式都有其特点和局限性，但它们都是围绕着3项重要指标有效性、可靠性和安全性进行不断的优化和改进。 第2.6节 用FPGA实现数字调制器的原理及方法(1) 数字调制的基本实现方案一般来说数字调制技术有两种实现方法：一是把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；二是利用数字信号的离散取值去键控载波，通过改变载波参数(频率、幅度和相位)实现数字调制，通常称为键控法。(2) 目前常用的数字调制技术实现方案目前，数字调制器多用正交调制方案来实现，该方案具有较好的通用性，但需要严格正交的载波，增加了设备的复杂性，且电路结构比较固定，不易扩展。(3) 本文数字调制器实现方案本文将DDS技术用于数字调制器的实现，使载波产生和基带调制合二为一，克服了以上方案的不足，并将DDS技术的诸多优良性能引入了该调制系统。下文将对该调制方案的优越性进行详细讨论。本文数字调制器的实现框图如图2·20：图2·20 基于FPGA的数字调制器实现框图第3章 基于FPGA的中频数字调制器的软件设计与实现本章首先介绍了DDS的原理及其FPGA实现，然后进行了多种数字调制器的软件设计和系统调试。第3.1节 直接数字频率合成(DDS)的设计与实现3.1.1 DDS原理及系统组成(1) DDS原理9一个单频率正弦信号可表示为 (3·1)相位函数对时间的导数为信号的角频率 (3·2)如果对式(3·1)信号进行采样，采样周期为(采样频率)，可得离散的波形序列 (3·3)相应的离散相位序列 (3·4)式中