毕业设计(论文)基于FPGA的低峰均比混沌信号产生系统.doc
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1、编号 南京航空航天大学金城学院毕业设计题 目基于FPGA的低峰均比混沌信号产生系统学生姓名学 号系 部信息工程系专 业信息工程班 级21080211指导教师二一二年六月南京航空航天大学金城学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)(题目: 基于FPGA的低峰均比混沌信号产生系统 )是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知,除了毕业设计(论文)中特别加以标注引用的内容外,本毕业设计(论文)不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名: 2012年6 月 日 (学号):基于FPGA的低峰均比混沌信号产生系统的研究摘 要本文利用FPGA技术
2、实现了低峰均比混沌信号产生系统。峰均比是无线发射信号的重要指标。峰均比越高,则信号的动态范围越大,系统对数模/模数转换器精度的要求也越高,这将导致设备成本增加;从功率转化的角度考虑,峰均比高的射频信号通过功率放大器等非线性设备时,会引入一些失真。本毕设有正弦函数映射构造低峰均比混沌信号产生系统,通过MATLAB对正弦函数映射产生的调频信号进行时域和频域的分析,验证了产生波形的低峰均比。本毕设以基于FPGA的电路实现了低峰均比信号产生系统,实验结果与仿真结果一致。关键词:FPGA、混沌信号、峰均比FPGA-based chaotic signal of low PAPR systemAbstra
3、ctIn this paper the use of FPGA technology to achieve the chaotic signal generation system for low PAPR.Peak to average ratio is an important indicator of the wireless transmitter signal. Peak to average ratio, the higher the greater the signal dynamic range, logarithmic A / D converter accuracy is
4、also higher, which will lead to an increase in equipment costs; from the point of view of power conversion, high peak to average ratio of RF nonlinear devices such as power amplifiers, the signal will introduce some distortion. Bi has a sine function mapping construct low PAPR chaotic signal generat
5、ion system, the sine function mapping generated by MATLAB FM signal in time domain and frequency domain analysis to verify the low-PAPR waveform generated. This Complete set of FPGA-based circuit to achieve low PAPR signal systems experimental results and simulation results.Key Words:FPGA、chaotic si
6、gnal、PAPR目 录摘 要 1第一章 绪论41.1 FPGA的概况41.2 混沌现象的概况4 1.2.1混沌现象的定义4 1.2.2 混沌现象的应用背景5 1.2.3 混沌现象的作用 51.2.4混沌现象的特征61.2.5 混沌现象的检测方法6 1.3 峰均功率比的简介7 1.3.1 引言71.3.2 峰均功率比的定义8 2.1 FPGA的工作原理102.2 FPGA的电源10 2.2.1 FPGA的电源类型 102.2.2 FPGA的特殊电源要求 112.3 FPGA的配电结构 11 2.4 FPGA的芯片结构1225 FPGA的配置模式13 第三章 低峰均比混沌系统15 3.1低峰均比
7、混沌系统的提出与分析 153.2线性低峰均比混沌系统16 3.3 T时变的低峰均比混沌系统18 3.3.1时标正弦动力方程 183.3.2 复杂时标193.3.3 动力学行为分布与平衡点稳定性 20第四章 低峰均比混沌系统的硬件实现 21 41 FPGA开发214.2软件平台介绍214.3硬件平台介绍 22 -4.4硬件实现244.4.1系统实现方案 244.4.2T固定的低峰均比混沌系统实现25 第五章 技术展望 29 参考文献30致谢31第一章 绪论1.1 FPGA的概况FPGA-(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门列阵。它是在PAL,GAL,CP
8、LD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前以硬件描述语言(Verilog 或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND,OR,XOR,NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里面也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把
9、FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出 厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需的逻辑功能。FPGA一般来说比ASIC(专用集成芯片)的速度要慢,无法完成复杂的设计,而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA.因为这些芯片有较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的,然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(复杂可编程逻辑器件备)。1.2 混沌现象的概况1.2.1混
10、沌现象的定义混沌现象是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动,一个确定性理论描述的系统,其行为却表现为不确定性一不可重复、不可预测,这就是混沌现象。进一步研究表明,混沌是非线性动力系统的固有特性,是非线性系统普遍存在的现象。牛顿确定性理论能够充分处理的多为线性系统,而线性系统大多是由非线性系统简化来的。因此,在现实生活和实际工程技术问题中,混沌是无处不在的。1.2.2 混沌现象的应用背景1963年,Lorenz在大气科学杂志上发表了“决定性的非周期流”一文,指出在气候不能精确重演与长期天气预报者无能为力之间必然存在着一种联系,这就是非周期与不可预见性之间的联系。他还发现了混沌现象“对初始条
11、件的极端敏感性” 。这可以生动的用“蝴蝶效应”来比喻:在做气象预报时,只要一只蝴蝶扇一下翅膀,这一扰动,就会在很远的另一个地方造成非常大的差异,将使长时间的预测无法进行。 在60年代研究的基础上,混沌学的研究开始进入高潮。1971年,科学家在耗散系统中正式的引入了奇异吸引子的概念。1975年,J.York和T.Y lie提出了混沌的科学概念。整个70年代中期,人们不但在理论上对混沌做更深层次的研究,而且努力在实验室中找寻奇异吸引子。J.York在他的著名论文“周期3意味着混沌”中,指出:在任何一维系统中,只要出现周期3,则该系统也能出现其他长度的周期,也能呈现完全的混沌。 在确定性的系统中发现
12、混沌,改变了人们过去一直认为宇宙是一个可以预测的系统的看法。用决定论的方程,找不到稳定的模式,得到的却是随机的结果,彻底打破了拉普拉斯决定论式的可预测性的幻想。但人们同时发现到过去许多曾被认为是噪声的信号,其实是一些简单的规则生成的。这些包含内在规则的“噪声”不同于真正的噪声,它们的这种规则是完全可以应用的。1.2.3 混沌现象的作用检测到混沌现象的存在,对我们更深刻的认识系统的特征是极为有利的。在大多数情况下,当我们确认系统中存在混沌时,我们可以利用混沌学的原理,将混沌信号从有用的信号中滤除,从而达到改善信噪比的结果,而这用传统的滤波方法有时或许是无效的。“ 混沌”是近代非常引人注目的热点研
13、究,它掀起了继相对论和量子力学以来基础科学的第三次革命。科学中的混沌概念不同于古典哲学和日常语言中的理解,简单地说,混沌是一种确定系统中出现的无规则的运动。混沌理论所研究的是非线性动力学混沌,目的是要揭示貌似随机的现象背后可能隐藏的简单规律,以求发现一大类复杂问题普遍遵循的共同规律。1.2.4混沌现象的特征对于什么是混沌,目前科学上还没有确切的定义,但随着研究的深入,混沌的一系列特点和本质的被揭示,对混沌完整的、具有实质性意义的确切定义将会产生。目前人们把混沌看成是一种无周期的有序。它包括如下特征: 1内在随机性它虽然貌似噪声,但不同于噪声,系统是由完全确定的方程描述的,无需附加任何随机因数,
14、但系统仍会表现出类似随机性的行为; 2标度不变性是一种无周期的有序。在由分岔导致混沌的过程中,还遵从Feigenbaum常数系。 3敏感依赖性只要初始条件稍有偏差或微小的扰动,则会使得系统的最终状态出现巨大的差异。因此混沌系统的长期演化行为是不可预测的。1.2.5 混沌现象的检测方法天然存在的系统(物理系统、化学系统或生物系统)能呈现混沌,这一点目前已得到普遍共识,并引起了许多学者在实验室里或在自然状况下对混沌识别进行尝试。然而在实验系统里,噪声会与决定系统演化的内在方程所支配的动力学特性发生相互作用,故实验系统肯定会有随机输入,从而给混沌的识别带来了许多困难。下面我们简要的介绍现今用来识别混
15、沌的几种不同的方法。 1.功率谱最为人们所熟识且应用最多的一种表征复杂时间序列特性的统计量是功率谱(power spectrum),它把复杂的时间序列分解成不同频率的正弦振荡的叠加。在给定频率处的功率谱值与频率的正弦波系数的平方成正比。典型的功率谱由一个或多个尖峰,它们对应于信号中出现的主要频率。除这些主峰外,其他频率也可能出现,不过幅度较低,而且功率谱通常分布在一个宽频带上。 宽频带功率谱(多半具有叠加尖峰)往往与混沌动态相联系。但不幸的是,“噪声”也与宽带谱密切相关,因而出现宽带谱并不足以确认与噪声相对的混沌。2.相空间重构混沌的产生是系统整体稳定性和局部不稳定性共同作用的结果,局部的不稳
16、定性使它具有对初值的敏感性,而整体的稳定性则使它在相空间(又称状态空间)表现出一定的分形结构,这种结构被称为混沌吸引子。正是这种精密的吸引子结构,使我们可以利用它来达到分辨噪声与混沌的目的,因为真正的噪声在相空间中仍然表现出一团糟的情况。相空间重构技术是一种简单而实用的技术,但它依然有着极大的局限性。这是因为使用相空间技术来观察吸引子的结构,依靠的是人眼的辨别,当吸引子的维数高于三维时,我们将束手无策。另外,并非所有的混沌现象都存在着混沌吸引子(如Logist映射)。 3.李雅谱诺夫指数和维数有关非线性动力学的研究工作已提出了一些定量刻划复杂动力学性态的量度。其中两个最常用的量是李雅谱诺夫指数
17、(Lyapunov Exponent)和维数(Dimension),它们分别量度动力学性态的规则性程度和几何结构。李雅谱诺夫指数描述了系统轨迹收敛或发散的比率,当一个系统中同时存在正的和负的李雅谱诺夫指数时,便意味着混沌的存在。事实上李雅谱诺夫指数的重要作用之一就是判断系统的混沌行为。我们这里的维数是指的混沌吸引子所具有的分数维维数。在相空间中维数反映描述了在相空间中运动所需要的不多不少的变量个数,而在吸引子中维数则说明了刻画该吸引子所必需的信息量。1.3 峰均功率比的简介1.3.1 引言正交频分复用是一种多载波调制技术,具有很高的频谱利用率,能够有效减小无线信道的时间弥散所带来的ISI。广泛
18、应用于现在流行的高速无线通信技术中,如WIMAX和WIFI。OFDM技术有2个关键问题:对频率偏差敏感,峰均功率比值较大。这是因为OFDM信号在时域上表现为N个正交子载波信号的叠加,理论上峰值功率可以达到均值功率的N倍。尽管峰值功率出现的几率很低,但为了不失真地传输这些信号,对发射端的线性度要求很高,并且过大的功率会造成很大浪费,系统的性能也会急剧恶化,他直接影响整个系统的运行成本和效率。因此必须寻找降低峰值平均功率比的方法。目前已经提出很多方法来解决PAPR的问题,包括限幅类技术、编码类技术、概率类技术。其中概率类技术中部分传输序列(PTS)算法是一种解决高PAPR问题的有效方法,他通过对符
19、号作线性划分和线性变换,可以显著减少信号峰值出现的概率。1.3.2 峰均功率比的定义OFDM系统中的峰均功率比是指OFDM信号的最大峰值功率和其平均功率之比,即: (1.1) 式(1.1)中表示经过反傅里叶变换后得到的一个OFDM符号;E代表数学期望。N点M进制的输入序列x0,xn-1,将星座映射后的数据序列分别调制在N个子载波上,在一个OFDM符号周期内,基带OFDM符号可以等效表示为: , (1.2)经过射频端后OFDM符号可以表示为:。其中f为射频的载波频率。在无线通信领域中,射频信号的峰值功率近似于复基带信号的峰值功率。因此,这里只对复带信号:s(t)的峰值功率进行讨论。 对连续时域信
20、号s(t)以TN的速率进行抽样,即令t=kTN(k=0,1,N-1),可以得到离散的时域信号s(k): 即, (1.3)OFDM 符号的功率为: (1.4)式(1.4)中,R(u)为有限长复值序列, 的自相关函数。 对所有的子载波幅度进行归一化,可得: 根据均峰功比的定义式,可得: (1.5)由1.5式可以推得: (1.6)理论上峰均功率比可达到: (1.7)从式(1.5)上可以看出,降低PAPR技术的核心就是降低R(u),也即是降低传输信号序列的相关性。当输入数据序列的一致性较大时,OFDM峰均功率就比较高。假定当输入二进制数据序列为全1序列,那么经过星座映射和IFFT调制后,信号会产生很大
21、的瞬间峰值功率,从而导致PAPR达到理论上的最大值N。第二章 FPGA的详细介绍2.1 FPGA的工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block),输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线(interconnect)三个部分 。现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列(如PAL,GAL,及CPLD器件)相比,FPGA利用小型查找表(16*1RAM)来实现组合逻辑,每个查找表连接到 一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻
22、辑电路或驱动I/O,这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/0模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的,存储在存储单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的连接方式,并最终决定了FPGA所能实现的功能,FPGA允许无限次的编程。2.2 FPGA的电源2.2.1 FPGA的电源类型FPGA电源要求输出电压范围从1.2V到5V,输出电流范围从数十毫安到数安培。可用三种电源:低压差(LDO)线性稳压器,开关式DC-DC稳压器和开关式电源模块。最终选择何种电源取决于系统,系统预算和上市时间要求。如果电路板空间是首要考虑因素,低输出噪声十分重要,或者系统
23、要求对输入电压变化和负载瞬变做出快速响应,则应使用LDO稳压器。LDO功效比较低(因为是线性稳压器),只能提供中低输出电流。输入电容通常可以降低LDO输入端的电感和噪声。LDO输出端也需要电容,用来处理系统瞬变,并保持系统稳定性。也可以使用双输出LDO,同时为VCCINT和VCCO供电。如果在设计中效率至关重要,并且系统要求高输出电流,则开关式稳压器占优势。开关电源的功效比高于LDO,但其开关电路会增加输出噪声。与LDO不同,开关式稳压器需要利用电感来实现DC-DC转换。2.2.2 FPGA的特殊电源要求 为确保正确上电,内核电压VCCINT的缓升时间必须在制造商规定的范围内。对于一些FPGA
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