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采用DSP和FPGA实现数字信号的FSK和QPSK调制,并通过DAC输出
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目 录
1 前言......................................................................................... 1
2 总体方案设计..............................................................................2
2.1 方案比较................................................................................. 2
2.2 方案论证................................................................................. 4
2.3 方案选择................................................................................. 4
3 单元模块设计..............................................................................6
3.1 各单元模块功能介绍及电路设计.......................................................6
3.2 电路参数的计算及元器件的选择.....................................................16
3.3 特殊器件的介绍.......................................................................17
3.4 各单元模块的联接....................................................................19
4 软件设计.................................................................................. 20
4.1 软件设计原理及设计所用工具.......................................................20
4.2 DSP 程序设计及功能说明...........................................................22
4.3 FPGA 程序设计及功能说明.........................................................26
5 系统调试.................................................................................. 32
6 系统功能、指标参数..................................................................... 34
6.1 系统能实现的功能....................................................................34
6.2 系统指标参数测试....................................................................34
6.3 系统功能及指标参数分析.............................................................37
7 结论....................................................................................... 39
8 总结与体会...............................................................................40
9 谢辞(致谢)............................................................................41
10 参考文献................................................................................42
附录一 调制系统电路图...................................................................43
附录二 DSP 程序代码.....................................................................46
附录三 外文翻译...........................................................................52
第 1 页
1 前言
随着世界经济的发展,科技的进步,信息化已经成为社会发展的必要趋势,无线
通信在人们的生活生产中发挥着越来越重要的作用。近几十年无线通信更是得到飞速
发展,主流通信方式也从模拟无线通信转化到了数字无线通信,使得通信质量在很大
程度上得到了提高。而随着微电子技术和数字信号处理技术的飞速发展,使得数字信
号处理器在无线通信中的广泛运用成为可能和必要,这就诞生了软件无线电这一新的
无线通信技术,它以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托,通过软件编程来实
现无线电台的各种功能,从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来,并以功
能的软件化减少功能单一、灵活性差的硬件电路,实现更加强大的功能。软件无线电
这一概念于 1992 年 5 月美国电信系统会议上被 Jeo Mitola 首次提出,之后就得到了全
世界无线电领域的广泛关注,民用研究已经成为软件无线电研究的主要战场尤其是在
移动通信领域具有更广阔的空间,并被比喻为第三代、第四代全球通信的基石,东芝、
诺基亚、摩托罗拉等各大通信公司都宣布要从数字无线电向软件无线电转变。然而、
如今应用非常广泛的移动通信已经发展成为了多制式、多标准化的通信系统。第二代
移动通信中有 GSM 和窄带 CDMA 等标准,如今世界广泛推广的第三代移动通信中就
有美国的 CDMA2000,欧洲的 WCDMA,中国的 TD-SCDMA。这样多种标准并存的局
面就要求了我们的新旧标准要相互兼容,而在数字信号调制方式上也要求更加灵活,
使得软件无线电在该领域的应用越来越紧迫。除了在民用移动通信系统中,软件无线
电技术在军事通信、卫星通信和数字电视等方面都有广泛应用,它在当今和以后的无
线电通信领域必将撑起一片新的天空,研究与掌握软件无线电技术对当今无线通信的
发展日益重要。
[1]
数字调制是软件无线电技术中的基本技术之一,本文将设计一种基于软件无线电
平台的多信号调制器,主要实现 FSK、QPSK 两种调制方式,并在硬件平台上得到实
现。FSK 和 QPSK 都是目前应用非常广泛的两种数字调制方式,其中 FSK 是利用基带
数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数值调制技术,它具有实现
容易、抗噪声与抗衰减的性能较好等特点,在低速数据传输中得到广泛应用。而
QPSK 调制四相移键控是目前常用的一种卫星数字调制方式,它具有较高的频率利用
率、较强的抗干扰性以及实现容易等特点。FSK、QPSK 等常用数字调制方式的软件无
线电的实现,可更好的推广软件无线电技术在生活生产中的引用,对无线通信的发展
有着重要意义。
第 1 页
2 总体方案设计
本次设计要求设计出一种能实现 FSK 和 QPSK 调制的多信号调制器。其中 FSK 调
制的中心频率为 20MHz,调制带宽为 5MHz,即调制输出 17.5MHz 和 22.5MHz 两
种频率的波形。而 QPSK 调制频率为 20MHz,码元转换时调制信号的频率不发生变化,
而只有其相位发生与码元相关跳变。
2.1 方案比较
方案一
该方案采用 DSP 芯片直接驱动高速数模转换芯片的方法,如图 2.1 所示,DSP 首
先根据需求计算出 FSK 调制波形数据和 QPSK 调制波形数据存放到几个不同的数组中。
在进行 FSK 调制时,从基带信号中取一位二进制码元,根据该码元值查询与之对应的
一个频率的波形数据表并通过外部存储器接口输出给数模转换电路,最终经过该电路
把数字信号转化为模拟的 FSK 调制信号。在 QPSK 调制时,取基带信号中的两位二进
制代码,根据码元值查询与之对应的某一个相位的波形数据并输出给数模转换电路,
得到模拟的 QPSK 调制信号。
图 2.1 方案一系统框图
方案二
如图 2.2,该方案采用 FPGA 驱动高速数模转换芯片实现 FSK 和 QPSK 调制。
FSK 调制时,将事先计算好的两种频率的波形数据保存在 FPGA 内设计的两个 ROM
中,在调制器工作时,根据二进制码元值来分别读取两个 ROM 中的波形数据,然后发
送给数模转换芯片,从在而输出端得到含有两种载波频率的 FSK 调制信号。QPSK 调
制实现和 FSK 调制类似,首先在四个 ROM 中保存上四种不同相位频率相同但的波形
数据,工作时根据所取得的不同码元查询不同的 ROM,将该波形数据传送给数模转换
芯片,最终输出不同相位的 QPSK 调制信号。
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图 2.2 方案二系统框图
方案三
方案三采用 DSP+FPGA+DA 的硬件结构如图 2.3 所示,DSP 首先根据调制的要
求和指标计算出 FSK 调制两种频率的波形数据和 QPSK 调制四种相位的波形数据,再
根据码元取值把计算出的波形数据送到 FPGA 的 RAM 中。如果是 FSK 调制则将取调
制数字信号中的一位数并据根据其值“1”和“0”两种状态,将相应的频率波形数据送到
FPGA 内部 RAM 中。如果是 QPSK 调制,则取数字调制信号中的两位二进制码,根据
其值“00”、“ 01”、“ 10”和“11”四种状态查询四种相位波形数据,并将相应的相位波
形数据送到 FPGA 内部的 RAM 中。由 FPGA 控制 DA 反复输出 RAM 中的波形数据,
从而得到调制信号。FPGA 内部设计有两个 RAM 交替读写数据,当 DA 反复输出一个
RAM 中数据时,DSP 向另一个 RAM 中写数据,从而缓解 DSP 和 DA 速度的不匹配。
图 2.3 方案三系统框图
第 3 页
2.2 方案论证
题目要求的调制信号中心频率为 20MHz,其中 FSK 调制波形的带宽为 5MHz。即
在 QPSK 调制时输出波形的频率为 20MHz,频率不发生变化而只有相位根据码元取值
发生变化。在 FSK 调制时根据基带信号的码元值输出 17.5MHz 和 22.5MHz 的波形。
当 输 出 信 号 频 率 为 20MHz 时 , 根 据 奈 奎 斯 特 采 样 定 理 , 采 样 率 至 少 要 大 于
40MSPS。然而为了得到更好的波形,则需要将采样率设置得更高,若一个信号周期
内采样 10 次,则采样率应为 200MSPS,这就要求数模转换器的采样率以及其控制芯
片的速率要足够高。
考虑到实际工程的需求,为了保证输出的调制波形效果较好,需要一个周一内的
采样点较多,假设我们输出 20MHz 波形时每个周期 10 个采样点,那么采样率为
200MSPS。但是在进行 FSK 调制时,需要输出 17.5MHz 和 22.5MHz 两种频率的信
号,但是如果通过改变 DA 芯片的采样率来改变输出频率可能会导致输出波形数据发
生错误,比较难以实现。因此只有保持 200MSPS 的采样率不变,通过改变一个信号
周期内的采样点的个数来改变输出信号的频率。但是 17.5MHz 和 22.5MHz 的波形在
200MSPS 的采样率下,每个周期的采样点不为整数,这样会导致每个周期的波形与
前一个周期存在一定的相位差,信号频率不准确,波形质量很差,是不允许出现的情
况。针对上述这种情况,在输出 17.5MHz 和 22.5MHz 的波形时,用几个周期的波形
凑成整数个采样点,避免输出波形出现相位差。通过计算在输出 17.5MHz 信号时,7
个信号周期内采样点恰好为 80 个,而在输出 22.5MHz 信号时,9 个信号周期内采样
点个数也恰好为 80 个。
而对于上述系统要求的分析和论证,只有方案二和方案三能实现,方案一直接用
DSP 驱动 DA,要求 DSP 输出数据速度要达到 200MHz,这几乎是不可能的。方案二和
方案三中都用到了 FPGA,用它来驱动 DA 芯片和传送数据,在采样速率上得到保证,
下面我将通过详细比较选取最佳方案。
2.3 方案选择
方案一以 DSP 芯片直接驱动 DA 芯片,这对 DSP 处理速度有很高的要求,在方案
选择中,我们着重讨论方案二和方案三两种可行的方案。方案二用 FPGA 直接驱动
DA,理论上可以完成任何调制,包括 AM、FM、ASK、FSK、PSK 等多种数字调制,
并且由于 FPGA 输出波形是靠查表实现,理论上可以根据设计者定义好的数据输出任
意波形,输出波形效果好而且可以达到很高的输出频率,这样也能够满足系统对数据
传输速率和波形效果的要求。但采用这种方案设计者必须事先在 FPGA 内部预先设计
好波形数据表,并存储在 ROM 中,在调制时,根据码元取值查询 ROM 中数据并输出
第 4 页
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