开题报告-基于FPGA的PSK信号设计与实现

毕业论文毕业论文 开开题题报报告告 课 题 名 称基于 FPGA 的 PSK 信号设计与实现 院系信息科学与技术系 专业班通信工程 0802 姓名陈志蓓 评分 指 导 教 师吴莉 华中科技大学武昌分校 1 华中科技大学武昌分校学生毕业论文开题报告 学 生 姓 名陈志蓓学号20081181075专业班级通信工程 0802 班 院系 信息科学与技 术系 指导教师吴莉职称讲师 课题名称基于 FPGA 的 PSK 信号设计与实现 1 课题研究的目的和意义 1.1 研究目的 信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。信号发生器又称信号源或振荡 器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均 可以用三角函数方程 式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波） 、正弦波的电路 被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用 途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载 波，把音频（低频） 、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。 在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共 振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。 1.2 研究背景与意义 信号发生器可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发 生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。函数发生器，又称波形发生器。它 能产生某些特定的周期性时间函数波形（主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲 波等）信号。频率范围可从几毫赫甚至几微赫的超低频直到几十兆赫。除供通信、仪表 和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。 目前， 正弦信号是使用最广泛的测试信号。 这是因为产生正弦信号的方法比较简单， 而且用正弦信号测量比较方便。本课题研究的关键技术在于 DDS 技术的运用。 DDS(Direct Digital Synthesis 直接数字频率合成)技术是用于产生精确的频率和基于相 位控制的信号。 这个函数发生器是一类产生测试信号的测量设备。 大多数函数发生器可 以产生一个正弦波、方波和/或三角波，并且高端设备还能支持产生多种频率的任意波 形。由于 DDS 频率转换速度快，频率分辨率高，以及在频率转换时可保持相位的连续， 易于实现多种调制功能，全数字化，可编程，易于微处理器控制，易于单片集成，体积 小，价格低，功耗小，生产一致性好，因此，DDS 技术近年来得到了飞速发展，它的 应用也越来越广泛， 可以说直接数字频率合成的兴起也标志着第三代频率合成技术的形 成。 2 2课题研究的主要内容 2.1 系统设计 系统设计包含分频器，正弦信号发生器，数模转换，滤波器，电平移位及放大电路。 2.1.1 分频器设计 因为载波频率小于 30KHZ，故生成载波信号的正弦信号发生器选择 16 位累加器， 则其需要的时钟在 30KHZ 以上即可。因此，设计中对 20MHZ 的系统时钟进行 512 分 频（39KHZ）和 16384 分频（1.22KHZ） 。512 分频所得时钟作为正弦信号发生器的时 钟，16384 分频所得时钟作为整个系统的基带信号。 2.1.2 正弦信号发生器设计 本系统的正弦信号发生器模块是基于 DDS 技术设计的。直接数字频率合成是近年 来发展非常迅速的一种新型频率合成技术， 其基本思想是基于正弦查找表。 根据正弦函 数的产生原理，直接对输入参考时钟进行抽样，数字化，从相位出发，用不同的相位给 出不同的电压幅度，最后经滤波平滑输出所需的频率信号。DDS 主要由参考频率源、 相位累加器、正弦 ROM 表、D/A 转换器（Digital Analog Converter,简称 DAC）和低通 滤波器（LPF）等组成，其中相位累加器与正弦 ROM 查找表合称数控振荡器（Numeric Controlled Oscillator,简称 NCO） ，它是 DDS 的核心。DDS 的结构原理图如图.1 所示，参考频率源是一个高稳定的晶体振荡器，其输出信号作为 DDS 合成频率的基准 频率，同时保证 DDS 中各部件同步工作，来自单片机系统的频率控制字 K 控制相位累 加器的累加次数，从而改变输出频率 0 f的高低及其相位大小。 输 出 f。 参考频率源 c f NCO K Nbits 相位 累加器 正弦波 查找表 DACLPF 图 1-1 DDS 结构原理图 相位累加器由 N 位加法器与 N 位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲，加法 器将频率控制字 K 与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加 3 寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位 数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制 字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由 此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累 加器输出的数据就是合成信号的相位， 相位累加器的溢出频率就是 DDS 输出的信号频 率。 用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址，这样就可 把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值 转换。波形存储器的输出送到 D/A 转换器，D/A 转换器将数字量形式的波形幅值转换 成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便 输出频谱纯净的正弦波信号。DDS 在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续 性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达 到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。 2.1.3 数模转换器设计 系统数模转换器采用 DAC0832，输出的模拟量与输入的数字量成正比，实现了数 字量到模拟量的转换。输入可也有 256 个不同的二进制组态，输出为 256 个电压之一， 即输出电压不是整个电压范围内任意值，只能是 256 个可能值中的一个。本系统要求 输出量是电压，而 DAC0832 输出的是电流量，所以必须经过 igeren 外接的运算放大器 转换成电压。 2.1.4 滤波器设计 巴特沃思低通滤波器电路，在通频带内外都有平稳 的幅频特性，滤波输出的信号 总会在第一个周期略微有些失真，但往后的幅频特性就很好了。为了减少运放对滤波 电路的负载效益，同时便于调整，我们选择两个二阶巴特沃思低通滤波器串联的方法， 构成一个四阶巴特沃思低通滤波器。 2.1.5 电平移位及放大模块设计 正弦信号发生器通过 D/A，滤波后的输出波形的幅值全部大于零，因此要设计一 波形移位电路将幅值为零的点全部移到 X 坐标轴上。 2.2 仿真验证 利用 Quartur II 软件对每个模块进行编译与功能仿真。 4 3研究方法 用二进制数字信号控制载波的两个相位的调制称为 PSK 调制。方案如图 1-2 所示： 2:1 多 路选择 A 2:1 多 路选择 器反相 P 2：1 多 路 选 择 器 K 00000000 PSK 载波 4实施计划 （1）第八学期第 2 至第 4 周 撰写开题报告、外文翻译、提交开题报告、翻译译文、开题答辩 （2）第八学期第 5 至第 6 周 查阅资料、方案设计、方案选择 （3）第八学期第 7 至第 10 周 中期设计、研究阶段 （4）第八学期第 11 至第 12 周 撰写论文初稿、提交初稿 （5）第八学期第 13 周 修改初稿 （6）第八学期第 14 周 格式审查、定稿 （7）第八学期第 15 周 打印、提交正式论文、资格审查 （8）第八学期第 16 周 答辩 图 1-2 PSK 信号设计框图 5 5主要参考文献（不少于 5 篇，其中外文文献至少 1 篇） 1 潘松,黄继业.EDA 技术与 VHDL. 第三版. 北京:清华大学出版社,2010:42-91. 2 黄葆华,杨晓静等.通信原理. 西安：西安电子科技大学出版社,2008:183-222. 3 顾斌,赵忠明等.数字电路 EDA 设计. 西安：西安电子科技大学出版社,2010 年： 57-101. 4 黄智伟.FPGA 系统设计与实践. 北京：电子工业出版社，2005 年：109-158. 5 International Journal of VLSI and Signal Processing A