（通信与信息系统专业论文）基于fpga的qdpsk调制解调技术的研究及实现.pdf

硕 士 论 文 基于f p 0 a的q o psk调制解调技术的研究及实 现 ab s t i a c t f o rd l s t a n c e ，1 a r g ec o nun uni cati o nc apabi l i ty andhi gh t r a n s m i s s i o nq u a l i ty are r e q u i r e d i nm o d e mc o m m uni c at i o ns y s t em . mo d u l at i o n and d e mo d u l a ti on， w h i c hi s o ne o f th em o s t k ey t e c h n i que si nc o 幻 1 1 l l u n l cati o n ， h as al w a y sb e en an i m p o rt ant as p e ct o f re s earc h in gfi e l d . the m o d em re al iz e d b yf p g ah asm anya d v antage s ， s u c h a s s m al le r v o l ume ， l o w p o werd is s ip at i o n ，inte颤ty hi g h ，update d o fs o ft war e ，c 即 abi lity o f antij amming and s o o n . this i s in ac c o r d an c e withth e d ire ct ion o f the futu reth e c hniq u e s d e vel opm e n t .t l l i s the s i s p r i m 丽l y d i s c uss e s th e m o dul at i o n and d e mo du1 at i o n c o n 刀 刀 uni cat io n s y s t em b asedon f p g afroms o me as p e ot s b e l o w f ir s t ， the th e s i s re s ar che s th ed e v e lo p m e nt an da c tu al ity o f th em o d u l at io nand d e m o d ul at i o n t e c hni q ue andt h e c h aracte ri s t i c s and the d e s i gn p r 0 c e d u r e o f f p g a ， thet h e s isi n tro d u c e dth es p ec i fi c:e a l iz a t ion o fth eq d p s k m o d u lat io n叨 d d e m o d ul at o n m aj o rly.f i r st ly，q d p s km o dulat in n an d d e m o d ul at io n syst e mare s e p ar atiy m a d e ， eve ry mo del o f th esys t e m s i :anal 外 邪d . 为l d thesi m u lations o f thes y s te m s are m a d e b y m a t l a b ， t h e r e s u ltso f th e s i m u lat io n is s atis fy in g . s e c o n d ly，o n th e ri g htb a s is o f th em o dulat io n ， c 一 al g o ri tl切 lo fe v 恻 m o de l i s p r o g r a m m e d . c o rrec tne s s and re al i z abilit y o f th e a lg o ri1h m s are v erifi c at e d . l a st ly，s equ e n t ials im u latio n印 ld s y nt hesi s s imulat io n are m ad e b y 、 殆 ri 1o g h ar d w ar e lang ua g e inq u a rt t1s i l 6 .0 ， ke y w o r d s : f p g aq d p s kmo d u l at i o n and d e m o dulat i o n q u a rt u s l l m八 jlab 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知，在 本学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的 材料。 与我一同工作的同事 对本学位论文做出的贡献均 已 在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 二 率左 1 叮年7 月少日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公 布本学位论文的部分或全部内 容。 对 于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:司年 7 月士日 硕士论文 荃于f p g a的q d p s k调制 解调技术的研究及实现 1 绪论 1 . 1 研究 背景及其意义 现代通信系统要求通信距离远、 通信容量大、 传输质量 好。 作为其关键技术之一 的调 制解调技术一直是 人们研究的一 个重要方向。 从模拟调 制到数 字调制， 从二 进制 调制发 展到多进制调制， 虽然 调制方 式多种多样， 但都是朝着使通信系统 更高速、 更 可靠的 方向发展。 一个系统的 通信质量， 很大程度上依赖于所采用的 调制方式。 因 此， 调制 解调方式的 选取， 将直接决定 着通信系统质量的 好坏。 随着 超大规模集成电 路的 发展， 尤其是微电 子技术和计算机技术的 迅猛发展和广 泛应用， 数字化成为目 前通信技术发 展的趋势， 它具有可靠性高， 灵活性强， 易大规 模集成等 优点， 日 益受到重视。 目 前， 数字化的手段主要有专用集成电 路( a sic)和通 用数字信 号处理器( d sp) 。 专用集成电 路是一种 “ 硬” 的设计方法， 其优点 是处理速 度快，缺点是 灵活性差。 d sp是一种 “ 软”的设计方法，它能完成十分复杂的 算法， 使用灵活，易实 现模块化， 缺点是受处理器速度的限制。 现场可编 程门阵 列(f pga) 提供了实 现数字信号处理的第三种解决方案， 它结合了以 上两种方式的优势， 既具有 很高的处 理速度， 又具有一定的灵活性。 川 本论 文就采用f p g a 实现数字调制解调技术加以论述。 1 . 2数字 化调制解调技 术的 现状发 展及应用 调制和解调是现代通信的重要手 段。 调制就是用基带信号 对载波波形的某些参数 进行 控制， 使这些参量随基带信号的 变化而变化: 解调是调 制的 逆过程， 它是从己 调 制的 信号中恢复出原来调制信号的过 程。 根据被调制的是模拟还是数 字信号， 调制 技 术分为 模拟调制和数字调制两 类。 模拟调制是 对载波信号的参量进行 连续调制， 在接 收端 对载波信号的参量连续地进行估 值; 而数字调制都是用载波信号的某些离散状 态 来表征 所传送的 信息， 在接收端也主要 对载波 信号的离散调制参量 进行检测。 本论 文 主要 是对数字调制 解调 技术的 研究. 川 数字调 制技术 主要有三种方式:振幅键控 ( a s k ) 、移频键控 ( f s k) 和移相键控 ( psk ) 。 二 进制 振幅键控 ( z a s k) 方式是数字调制中出 现最早的， 也是最简单的。 这种方 法 最初用于电 报系统， 但由 于它在抗噪声能力 上较差， 故在数字 通信中 用的 不多， 但 它常常作为研究其他数字调制方式的基础。 二进制移频键 控 ( z f s k) 可 利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得， 常见的解 调方法有非相千检测法和相干 检测法。 z fsk 是 数字通 信中 用得较广的一种方 式. 在话 带内 进行数据传输时，国 际电报电 话咨询委员会 (ccitt) 推荐在话音频带 硕士论文基于f p g a的qd p s k调制解调技术的研究及实现 内 低于1 2 0 0 b i t / 5 数据率使用 f s k 方式。 在衰 落信道中 传输数据时， 它同样也被广 泛应 用。 二进制移相键控 ( p s k) 方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改 变的 一种数字 调 制方式。 psk 根据参考相 位的不同 分为 绝对移相方式和相对 移相方式 ( d psk)。 绝对 移 相是以 载波的 不同 相位直接去表示相应 数字信息， 而z d p sk是利用前后 相邻码元的 相对载波相位值去表示数字信息。 五十年代末就己经出现了二相相移键控， 继而为了提高频谱利用率， 又出现了四 相相移键控(qpsk)，但这两种方式的已调波在码元转换时刻都可能产生1 80“ 的相位突 跳， 这使得频 谱高 频滚降慢， 边带起伏大。 为了 消除这种相位突跳， 六十 年代末， 在 q p s k 的 基础上又出 现了交错正交 移相键控( 阅p s k) ，这种调制方式虽然克服了1 8 00 的 相位突跳， 但仍然存在着 90。 的 相位突跳. 为了彻底解决相位 突跳问题， 在七十年 代提出了 最小频移键 控技术( m s k)， 但这种技术和后来在此基础上出现的几种调制 方 式的相位特性仅局限于一个码元内进行，这大大限制了选择不同相位路径的可能性。 所以 调制技术发展的 过程， 其实也正 是已 调波相位路径不断得到改进和完善的过 程. 随 着信息电 子技术和工艺的突飞 猛进， 新的 调制解调技术突破传统的理论和模 式，从 而在速度上也远远突破了传 统认识。 非对称数字用户环路( ads l)是一种崭新的调制解调技术， 这种技术能够在普通的 铜质电 话线上提供几乎高于传统技 术1 00倍的 速率。它通过现有的普通双绞线不对称 地传 送数据。 这种技术能向 每个用 户传送速率超过6 m bit /s的下行单向 信息服务和 速 率可 达6 4 o k b i t /s的上下行双向 信息 服务。 线缆调制解调器( c able m ode m)就是基于有线电视网的调制解调器，它采用的 上 行调 制技术是qpsk或是1 6 q a m ， 下行采用的是64q 阴或2 56q a 林 的调制方式，这也是 一 种非 对 称的 通 信 模 式 . c 的l e m o d e m 上 传 速 率 为 3 3 . 6 k b p s ， 下 传 速 率 可 达到 3 s m b p s 。 川 数字调制解调方式尽管 种类繁多， 但是随 着数 字技术的快速发展， 将来定会出 现 更多 先进的 调制解调技术， 谁 都无法 准确描述未来 调制解调技术的发展。 总之， 未来 的调 制解调技术都是朝着一 个方向发 展: 将不断地更新改进， 使 通信更高速和更 可靠， 传输速率更快，误码率更低。 1 . 3 f p ga 的发 展以 及设计流程 在2 0 世纪80年代， 在数字 ic和可编程逻辑元 件之间 存在着一 个空档，即s p ld 和 c p ld具有易修改和设计周期 短等特点，但由于结 构和资 源等方 面的限 制， 不能实 现复 杂的功能。 为了 填补这 一空 档，1 9 84年， x i l i n x 公司 开始在市场上 推出一 种现 场可编程门阵列器件，即f p g a 。fpga 结构类似于门阵列 人 sic ，但它是可编程的。 f p ga 器件的结构 虽然非常类似于门阵 列a s ic， 但是f pga 芯片 没有任何定制的掩 硕士论文 基 于fp ga 的 q dps k 调 制 解 调 技 术 的 研 究 及 卖 现 膜层， 设计人员可以 对其进行设计输入 和仿真， 最后 用专用的软件设计转换成一串 二 进制比 特，形 成配置 文件。 这个 配置文件描 述了需 要完成设计的f p ga 芯片的连接关 系。 最后， 通过计算机将配置文 件下载到f pg a 或配置 芯片上对其进行配置。 川 fpga的结构主要由 三个基本块构 成: ( 1) 可编程逻辑块。基本的可 编程逻辑块有两种，一种是基于多路选择器的可 编程逻 辑模块，另 外一种是基于查 找表的可编程逻 辑块。 ( 2) 可配置输入/ 输出 模块。可 配置的 输入/ 输出模 块 i ob 为芯片外部封装管脚 和内 部 逻辑 提供连接接口。 每 个 i ob控制一 个封装 管脚， 可配置成输入、 输出 或双向 口 。 (3)可编程的互连资源。 通过可编程资源可以将 c lb和 clb ， c lb 和 1 /0 相互连 接起来。 在f p g a 中， 一般有三类连 线资源。 第一类为 直线或短线， 通过直线每个c lb 可连接到与它 相邻的c lb 上。 另外一 类连线资源是长线， 这些长线可以 连接物理 位置 上彼此 相距非 常远的c lb。 最后一类资 源由 经纬分段连线组成， 这些连线到达开 馆矩 阵之前经过了多 个c lb。除了 基本结 构之外，f 陀 a 中 还提供各种可用的 嵌入式资 源， 主要有: 嵌入 式r a m ，嵌入式的乘 法器和加法器， 嵌入式处理核等。 f p g a 的主要用途有两个方面: 一是作为a sic 设计的快速原型系统，由于生产a sic 的费用非常昂贵， 而f p g a 的开发费 用要小得多; 二是 验证新算法的 物理实 现。 很多 应 用场合， 设计人员提出 一些新的 算法， 为了 验证算 法硬件的可实现性和算法的正确性， 通常用 f pg a 作为实 现的一种载体. f p g a 由于开 发周期短、 功能强， 可 靠性高 和保密 性好的特点广泛地应用在各 个领 域。 f p ga应用领域的不断扩大和半导 体计工工艺的不断进步， 都促使了 即ga的快 速发 展， 其中 a lte r a 和x i l i nx公司的产品占 到整个f pga / c p ld市 场的 8 既。 a ltera 虽然规 模 较小， 但是它提供了反熔丝f pg a ， 保 密性和可靠性非常好， 因 此， 在航空和军品 领域 占有很大的市场。 f p g a 的设计 流程大体上 分为 系统规范、 模 块设计、 设 计输入、 功能仿真( 前仿真) 、 综合、 布局布 线、时 序验证 ( 后仿真) 。 配置下 载等七个步骤。 ，.l 硕士论文基 于fpg a的q d p s k调制解调技术的研究及实现 系统设计规范 h d l 语言描述ip核 设计输入文件 ( .v，劝d) 时序2 面积/ 功耗约束工艺库 】 2 0指派布局布线约束 反标注文件 ( . sdf) 下载位流文件 图1 . 3 . i f p g a 设计流程 ( 1) 系统规范 系统规范阶段是整个项目最具有创造性的阶段。 它描述项 目 完成的功能， 确定设 计的总体方案，平衡各个方面的因素，对整个项目有一个初步的规划。 在系统设计阶 段， 根据对设计面积、功耗、1 /0和ip 核使用等的估 算， 确定所使 用目 标芯片和设 计 工具。 (2 )模块设计 在制定完系统规范后， 根 据系统功能， 采用自 顶向下的 方法， 逐步细化， 将系统 划 分为 可实现的设计模块。 这 些模块之间 存在着一定的 层次 关系， 每 个模 块完成 相对 独立的功能。 (3 )设计输入 设 计输入是 将模块设计阶段定义好的 模块借助于一定的设计输入手段转换为 e da 工具能 接受的 信息格式。目 前主要的设计 输入手段有:高级硬件描 述语言 h dl ( 包括 v e r i l o g / v h d l ) 和原 理图。 (4 )功能仿真 设 计输入 后，经h dl编译器检查没有语 法错误后，就可以 对设 计进行验证了。 这 里的验证是指通过仿真软件验证其功能是否符合由系统规范制定的规范， 称这一阶段 的验证为功能仿真或行为仿真。 硕士论文基于即c a的o d psk调制解调技术的 研究及实现 ( 5 )综合 综 合实际上是根据设计功能 和实 现该设 计的 约束条件 ( 如面积、 速度、 功耗和成 本等) ， 将设计描述变换成满足要求的电路设计方案，该方案必须同时 满足预期功能 和约束 条件。 对于综合来说， 满 足要求的方案可能有多个， 综合器将产生一 个最优或 最接近最优的结果。 因此，综合的过程也就是设计目标的优化过程，最后获得的结构 与综合器的性能有关。 (6 )布局布线 这一步骤就是要完成实现方案 ( 网表)到实际目 标器件 (fp g a 器件)的变换。根 据设计 者指定的约束条件 ( 如面积、 延时、时钟等) 、目 标器件的结构资 源和工艺特 征， 将电 路方案中的逻辑原件分 解布局， 用作拓扑目 标器件的连线资源， 实 现布局 连 线。 ( 7) 时序验证 在布局布线后， 提取 有关的 器件延迟、连 线延时 等时 序参数 ( 这些信息 在反标 注 文件中) ， 在此基础上进行的仿真称为后仿真，也称时序验证，它是接近真实 器件运 行的仿 真。 时 序验证的目 的是 为了 检查设计中是否有时 序上的违规。 f pga 中同步电 路 的验证 采用静态时序分析实现， 异步电 路的 验证则 需要运行特殊仿真激励确认。 (8 )配置下载 配置 下载是在功能仿真与时 序仿真正确的 前提下， 将布局布线后形成的 位流文 件 通过下载工具下载到具体的f 咫a 芯片中，这个过程也叫f pga 编程 ( 配置) 。将位流文 件下载 到p p g a 器件内 部后， 就可以 将f p g a 和其他芯片构成的系统 进行物理 测试， 当得 到正 确的 测试结构后就证明了设计的 正确性。 1 . 4本 文主要研究内 容与结 构 本 课题主要研究的是基于f pg a 的 q d p sk调制 解调技术的研究及实 现。具体工作 如 下: 在琳t l ab环境里验证所设计的 模块功能的 正确性， 并对所选参数的准确 性进行分 析验证，为后面更高级的仿真做好准备。 用c + + 语言设计算法，并验 证算法的 准确性。 实现主要是采用并行结构 仿真， 这 样有利于将c 十 + 语言转换成硬件描述语言。 . 在quart us h6 . 0 环境里， 采用v eri l og硬件语言实现行为仿真，r tl级 仿真， 综 合后门 级结构仿真及布局布线 仿真。 论文结构如下: 第一章介绍了调制解调系 统的 发展现状及f 闭 a 的特点及设计流程， 最后介绍了 本 论文的主要研究内容及论文组织结构。 硕士论文墓于印c a的q d p sk 调制解调技术的研究 及实 现 第二章介 绍了 几种常见的 相位调制解调方式， 并给出 了其理论算法。 同时还 介绍 了 用于 硬件的实 现的 v eri l og硬件描述语言及开发 环境 quart us h 6 . 0 ， 并 给出了 他们 的设计流程。 第三章详细讲述了q d p sk调制解调系统的实现原理，并在队t l ab环境里进行了仿 真验证。 第四章采用了c+十 语言对搭建好的qdp sk调制解调系统进行算法分析， 并对算法的 准确性进行了验证. 第五 章给出了 q d p sk调制解调系统在 quart us l 工 6 . 0 环 境里用v eri l og h dl语言 实 现的具 体过程。 并进行了 功能仿真和时序仿 真，并 且给出了 仿真结 果。 最后是对论文的工作总结和展望。 硕士论文墓 于即g 人的q d p s k调制解调技术的研究及实 现 2 调制解调方案的选取及实现平台 2 . 1 调制 解调方案的比较及选取 调制在通信系统中 具有 重要的 作用。 通过调制， 不仅可以进行频谱搬移， 把调制 信号的频谱搬移到所希望的位置上， 从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信 道多 路复用的已 调信号， 而且它对系统 得传输有效性和传输可靠 性有着很大的影响。 调制方式往往决定了一个通信系统的性能。 相对于通信系统发射端的调制过程， 在通信系统接收端则需要调制的逆过程 解调， 它是从己 调制的 信号中恢复出 原来调制信号的 过程。 解调方法大致有相千解调 和非 相千解调两类。 一般而言， 相干 解调性能比 非相干解调 好， 但是 在某些 场合由于 非相干解调的电路简单而采用非相干解调。 2 . 1 . 12ps k和 z d p s k 二进制移相键控 (2p s k) 方式是受 键控的 载波相位按基带脉冲而改变的一种数字 调制方式。z psk的信号形式一般表示为: 5 (t ) = 艺气 9 ( 卜 n r ) co s (典 ， ) ( 2 . 1 . 1 ) 式中 ， 气的 取 值 为 一 1 、 +l， 即 发 送 二 进 制 符 号。 时 久 取1 ， 发 送 二 进 制 符号1 时 气取 一1 。 在用 z p sk 调制方式时由 于发 送端以 某个相位作为 基准，因 而在 接收端也必须有 这样一个固定的基准相位作参考. 如果参考相位发生变化， 则接收端恢复的信息就会 出 错。 即 存在 “ 倒万 ” 现象。 为此， 在实际中一般采用差 分相移键控 ( zdpsk)。 z d p sk 是利用前后相邻码元的相对载波相 位去表示数字信息一种方 法。 z d p sk 和 z p sk 只是 对信源数据的 编码不同。 在实 现zd psk 调制时， 只要 把码序列变成zdpsk 码， 其他的 操作和 z psk 完全相同。假设在z psk 调制时，数字信息 0 用相位 0 ，数字信息 1 用相 位二表示， 在 z d psk调制时数字信息 0 用相位变化 0 ， 数字信息 1 用相位变化汀表示， 则z psk 和z d p s k 调制举例如下: 数字信息:0 01 1 10 0 1 01 z p s k 相位:0 0 万 万 厅 0 0才0万 z d psk 相位:0( 参考)0 0 万 0 刀 万 万 0 0万 在实现zdpsk 调制时， 只要先把 原信息序列 ( 绝对码) 变换成相对码， 然后进行 z psk 调制就可以了 . 相对码 就是按相 邻符号 不变表示原信息0 ， 相邻符号改 变表示原 信息 1 的规则变换而成的。上述信息码的相对码为: z d psk 编码: 0( 参考) 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 硕 士 论 文荃于fpg a的q d p s k调制解调 技术的 研究及实 现 解调一 般有两种方法: 一种是相干解调， 另一 种是 非相干解调。 相干解调即 在接 收机中 产生一个与收到的载波信号同频同相的 参考载波信号， 称为 相千载波。 将它与 收到的信号相乘后， 再进行积分 采样判决。 如果 收到的信号与载波信号同相， 则相乘 为 正值， 积分后采样必为一大于0 的值， 即可判为勺” 。 如果收到的信号与参考信号 反相， 则相乘之后必为负值， 积分 采样后判为勺甲 ， 因 此解调完成。 但此时从信号中 提取的参考载波相位有可能不是真正与发方载波同相， 而正好是反相的， 故存在相位 模糊的问 题。而在d p sk 中，它是以前一比 特的 信号相位为参考的，故 只有将收到的 信号延迟一比 特的时间作参考载波来 进行相干解调就可以了， 因 此不 会存在相 位模糊 问 题，故现 在大多 采用d p s k. 一 ， 、 *， ， 二 。 、 ， ， 一，一 ，.一一 ， ，二 ，一 ， _一 。， ，及 一 、 ， 在仅考虑高斯白噪声的条件下，相干解调后，它 们的误码率和信噪比立 有关。 据推导 z p s k : z d p s k : “ = 告 erfc 周 “ = 列一刹 ( 2 . 1 . 2 ) ( 2. 1 . 3) 式中，eh 信号每比 特的能量; 气 白 噪 声的 功 率 谱 密 度; 听 误差函 数的符号， 函数的具体 定义可参考相关资料。 zd psk 的误码性能比b p sk 的略差， 在 p. =1 丁时， zdpsk 约差 l db， 但因 其电 路 简单又无相位模糊问题，更适合实际应用。 2 . 1 . z q d 咫 k ， 因p s k 与二 q p s k 一4 q p s k 是正交移相键控， 又称四 相键控. 它有四 种相位状态， 各对应于四进制是四 种数据，即0 0 ，0 1 ，1 0 ，1 1 。 如图2 . 1 . 1 所示. q ps k 是两个互相正交的b p sk之和。 它的输人 码元经串 一 并电 路之后分为两个支 路 ， 一 路 为 奇 数 码 元， 一 路 为 偶 数 码 元 。 这 时 每 个 支 路的 码 元宽 度 为 原 码 元 宽 度兀 的 两倍. 每个支路再按b p sk 的 方法进行调制.不 过两支路的载波相位不同，它们互为 正交，即 相差9 0 ，一个称为同 相支路，即工 支路; 另一称为正交支路，即q 支路. 这两 支路分别调制后， 再将调制后的 信号合并 相加， 就得到4 相移相键控。 qpsk 的四 相各 相差9 0 ，它们仍是不连续相位调制，它的 频谱形状和二相调制的一 样，仍是 硕 士 论 文 基于即o a 的q d psk调制解调 技术的 研究 及实现 仍 是 丝丫 的 形 式 ， 只 是 四 相 调 制 中 经 串 / 并 变 换 后 ， 每 一 符 号 宽 度 已 变 为 2 : ， 所 工 j 以 它 频 谱 的 第 一 零 点 在 f / 一 0. 5 处 ， 而 不 是 像 二 相 在 了 f / 儿 = 1 处 ( 人 = 会 为 信 码 -一 - ，- - - - -一 ， 一“ 一 “ 几 传 输的 比 特速 率) ， 因 而 四 相的 频 谱占 用宽 度 只 是 二 相 的 一 半( 在几 码 速 相同 的 条 件 下) ， 所以 其谱效率提高一倍，即l b / s/ hz。 q psk 也有相位模糊问题。 因 而实际上大都采用差分编码， 即1 ， q 支路各采 用d p sk 方法编码，再合成输出就是 d qps k 。 一 一 一 x 卜一 . 一 了伽叼 。 。 ( 自 )电 路( . )相 位 图2 . 1 1 q p s k调 制器及相位 q d p s k 是一种多进制调制， 是利用载 波的四 种不同离 散相位来表示四 进制码，或 者是用一 组二 进制码元的 不同 排列来传输信息. qdpsk 没有固定的参考相 位， 它的后 一个四 进制码 元总是以 它相 邻的前 一个四 进制码元的 终止相位为参考相位( 或称为基 准相位 ) 。因 此，同 一组双比 特码元其载波相位值并不是固 定的， 随前一组双比 特码 元不同而异，总共可能有四个数值. 在qdpsk 调制方式下， 不论提取的载波取什么起 始相位， 只要相邻两个四 进制 码元的 起始相位相等， 那么 相邻两个四进制码元的相位 差值肯定与 起始相位无关， 而仅仅决定于后 一码元内的 双比 特信息。 因此， 就不存在 由于起始相位不同而引起的相位模糊度问题。 阅ps k 是o f f se t q p sk 的 缩写， 称为交 错q p sk，即它的1 ， q 两支路在时间 上错开 一 个 码 元 的 时 间 兀 进 行 调 制 ， 这 样 可 避 免 在q p sk中 ， 码 元 转 换 在 两 支 路中 总 是 同 时 的， 因而 在转 换时刻， 载波可能会产生1 8 0 的相位 跳变， 在阅p sk 中， 两支路码元 不可能同时转换，因 而它最多只能有士 9 。 。 相位的跳变。相位跳变要小，所以 它的 频谱特性要比q psk的好， 即旁瓣的幅度要小一些。 其它特性均与q p sk 差不多。 阅psk 和 q psk 的不同见图2 . 1 . 2 。 硕士论文 基于f p g 人的q d p s k调制解调技术的研究及实 现 输入数据流 ( 均 s p k q 通道 1 通道 二 兰 二 _! 1)1 qsp k q 通道 1 通道 皿 丛 _11 !111 图 2 . 12阅 邢k 和q p s k 在时间 关系上的不同 派 /4司psk调制是 在移动通信上获得较多 应用的一种调制。相位只有士 4 50 ，士 135 “ 的四 相调 制。 它在相 位上 虽然只是q psk 的旋 转45 ， 但它并不是简单地把qpsk 的 载波相位移相4 宁 而构成的，因 为旋转45。 仍是qpsk， 见图2 . 1 . 3 ， 主要的 不同在 于 其相移路径不同， 在q p sk 中， 相 位突变l 8 0 ，因 而频谱特性差。 而二 / 4 一 qpsk的 相 移路径如图 2 . 1 . 3 所示，即 使要从士 4 5变到士 l35 的 相位， 其路径也不是 1 80 . 径直改 变的， 而是经过两段的 变化， 这样就缓 和了 相位的突 变， 因而频谱特性就好 得多。 图2 . 1 . 3又 / 4 阅 p s k 的相 位及相移路径 2 . 1 . 3方案确定 综 合2 . 1 . 1 节和2 . 1 . 2 节的 分析， 本系统采用qdp sk 调制解调方式，即 相对正交 移相 键控。 它可以 通过差 分编码的方法来解决 相位模糊问 题， 频带利用率高， 即在相 同的 传输速率下q d p sk 比b p sk频带减少一半， 而且电 路设 计简单， 更适合实际应用， 满足 项目 总体设计 要求。 2 . z qdpsk 调制解调算法 在多 进制相位调制中，qdps k 信号时 最常用的 调制方式。它的一般表示式为: 硕士论文基于fpg a的qo p s k调制解调技术的研究及实现 s( t) = 工9 (t 一 n t) co 城 叫+ 汽 ) ( 2 . 2 . 1) 式中，汽是受 信息控制的相位参数。 同 样考虑 倒绝对移相存在 “ 倒万 ” 现象，因此用相 对移相方 式 (qd p s k) 来代替 qpsk 调制， 也就是利用前后码元的 相对相位变化来表示 信息。 若以前一码元的相位 作为参考，并设。 尹 为本码元与前一 码元初相差，则信息编码与相位变化关系如表 2 。 2 . 1 。 表2 . 2 . 1信息 编码与相位变化关系 2 7 00 goc-01 00一00 假如规定00: 表2 . 2 . 2 。 由表 2 . 2 可知， 0 0 ，0 1 :9 0 0 ，1 0 :1 8 0 0 .1 1 : 1 8 00 1 0 2 7 00，那么 11 11 q psk ， q d p s k 信号距离 如 要实现qdpsk 调制， 只要把绝对码换成相对码，就可以 用q d p sk 的调制方法来完成. 表2 . 2 . zqpsk， qdp sk信号 一览表 输入序列 l 0l loo0 1l l1 00 10 0 绝对编码l 01 10 00 l1 ll 00 10 0 职s k 2 7 0 01 8 00009 0 01 8 0 0 2 7 009 000 o qdpsk(参考为的 2 7 009 0 09 0 01 8 0 0002 7 0 00o0o 相对序列 1 00 10 11 l 0 01 00 00 0 q d p s k 解调:假设信号表达式为 5 (n ) = 艺气 9 (n 一 m ) co 成 叱 n ) + 艺气 9 (n 一 m ) s in ( 典 n ) ( 2 . 1 . 2) 式 中 ， 气， 气为 双 极 性数 据。 对信号进行正交分解: 同 相 分 量 : xi( n) = 艺气 g( ， 一 m ) ( 2 . 2 . 3) 正 交 分 量 : 凡(n) = 艺气 g( ” 一 m) ( 2 . 2 . 4) 由 信号 形式可知， 1 、 q 分量即为 恢复出的并行 数据， 经抽样判决， 恢复出码元数 据 后， 再并串 变换， 就可恢复出串 行 码元数据。 川 硕士论文基 手 fp g的qdp s k 调 制 解 调 技 术 的 研 究 及 实 现 2 . 3系 统开发语言v e r i l o g h d l 简介 veril oghdl 是一种硬件描述语言， 现在 用得比 较多的 硬件描 述语言 (hd l) 包括 州dl 和v eri l o g hdl . 硬件描述语言可以 将我 们的 设计在非常抽象的层次上 加以描 述， 设计 人员 可以 在不考虑具体制造工艺的情况下， 对设计做寄存器传输及 ( r t l) 的描 述。 之后，只要给出相应的 工艺库。 逻辑综合工具 就能够自 动地将r tl级的描述转换 为任何制造工艺下的电路。 如果产生了新的制造工艺， 设计人员也无需改变自己的设 计， 只要将自己 原来的rtl 级描述给综合工具就可了。 综合工具会在新的 工艺下对原 来的设计重新进行优化综合。 v eri l o g hdl 语言已 经成为一种标准的硬件描 述语言。 它有以 下一些特点: 首先， 作为一种多用途的硬件描述语言，它具有很好的易学性和易用性，在语法上与c 语言 非常 相似。其次，v eri l og hdl 语言允许在同一 个模块中 进行不同抽象层次的描述。 这样一来，设计人员就能同时使用开关级、门级、 寄存器传输级或行为描述代码对同 一 个 硬 件 模 块 进 行 描 述. 第 三 ， 大多 数 综 合 工 具 都 支 持 v eri l oghd l ， 使 得 v er i l oghdl 成为设 计人员的一个很好的 选择。 第四，所有的 制造商都提供了 veril og hdl 的工艺 库，用以支持仿真。 硬件描述语言hdl 的发展至今己 有20多年的历 史， 并成功地应用于设计的各个阶 段: 建 模、 仿真、 验证 和综合等。 20世纪80年代后期， v h d l 和v eri l oghdl 语言先后成 为工 e e e 标准。 v eri l o g hdl 语言具有下述描述能力: 设计的 行为特性、 设 计的数 据流特性、 设计 的结构 组成以 及包含响应监控和设计验证方面的时 延和波形产生机制。 所有这些都使 用同 一种建模语言。 此外， v eri l og hdl 语言提供了 编程语言接口 ，通过该接口 可以 在 模拟、 验证期间从设计外部访问 设计，包括模 拟的 具体控制和运行。 veril o g h dl语言不仅定义了 语法，而且对每 个语法结构都定义了 清晰的模拟、 仿 真语义。因此，用这种语言编写的模型能够使 用v eri l og仿真器进行 验正。该 语言 从 c 编程语言中继承了多种操作符和结构. v eri l ogh dl提供了 扩展的 建模能 力， 其中 许多扩展最初很难理解。但是，v eri logh dl语言的核心子集非常易于学习和使用， 这 对大多 数建模应用来说已 经足够。 当 然， 完整的 硬件描述语言足以对 从最复 杂的芯 片到 完整的电子系统进行描述。 而且 v erilogh dl语言 可读性强， 易于 修改 和发 现错 误. 利 用硬件描述语言， 数字电 路系统的设计 可以 从上层到下层( 从抽象到 具体 ) 逐层 描 述自己 的设计思想， 用一系列分层次的模块 来表示极其复杂的数字 系统。 然后， 利 用电 子设计自 动化(e da) 工具，逐层进行仿 真验证，再把其中需要变为实际电 路的 模 块 组合， 经过自 动综合工具转换到门级电 路网 表。 接下去，再用专用 集成电 路a s ic 或 现场可编 程门阵列fpg a 自 动布局布线工具， 把网表转换为要实 现的具 体电 路布线结 构.。 ，l l 2 硕士论文 荃于fpg a的q d p s k调制解调技术的 研究 及实现 ve ril og hdl 语言设计的基本流程是: 用硬件描述语言进行设计 描述: 用模 拟来检查设计的 功能的正确性:用综合将 我们用硬件语言描述的设计 合成逻 辑们; 在综 合之后， 要做的就是自 动布局布线。 图2 . 2 . 1 描述了一个集成电路设计的典型流程: 从详细说明到寄存器传输局的编 码，最后到实现。 tes t b en比 1 r t l 编码 抽 一 日详细说明 布局后时序分 布局后综合 twe a k s 和综合 逻辑验证 核丁大嫩川土黯 标准原件 工艺库 时序分析投片生产 预布局综合 页 布局日 序分析 自动布局布线 图2 . 2 . 1 集成电路设计开发流程 现在，随 着系统级f p g a以 及系统芯片的出 现，软 硬件协调设计和系统设计变 得 越来越重要。 传统意义上的硬件设计 越来越倾向 于与系统设计和软 件设 计结合。 为 适 应新的情况，我 们完全有必要在这方面作一 些研究， 掌握并精通一种硬件描述语言， 为发展我们未来的芯片设计技术打好基础 2 . 4 a l t e r a 公司的伽art u sl l 6 . 0 开 发平台 2 . 4 . 1 咖art u sl l 6 . 0 开发平台简介 alte raquartus h设计软件为可 编程芯片系统 (so pc) 提供最全面的 设计环境。 qu artu sh 软件含有f p g a和 c p ld 设计所有阶段的解决方案。 quartush 软件允许在设计流程的不同阶段使用熟悉的e da工具。可以与 qu artush 图形用户界面或者 quart us ll命令行可执行文件一 起使用 这些工具。 altera quartush设计软件 提供了 一个完全的、多平台的 设计集成环境以 适应 特 殊的 设计需求。 它也是一个适用于 s opc 的 增强型集成开发环境， 包含了 f 戌a 和 cpld 设 计开发各阶段所需的 解决方 案， 支持图形用户 接口 ( g u i ) 、 e da工具接口 和命 令接 口 三种用户接口 方式， 可是使用其中的 任意一种方式完成整个设计， 也可以 在设计 过 l 3 硕士论文基 于 即 欲的q d p s k 调 制 解 调 技 术 的 研 究 及 实 现 程中的各 个阶段分别使用不同 的接口 方式。 在整个设计中， 使用了 quart us h gui 方式. quar tush编译 器是quart us h的 核心， 提供了 功能强大的 设计处理功能， 可 是使设计 更好地用a ltera f pga 实现。 出 错自 动定位功能和出 错鳌告信息窗口 中丰富 繁荣提示 信息可以 使设 计修改 变得 较为轻松。总之， quart us h 使设计者可以 将精 力集中到系统设计上，而不是工具系统的使用上。 2 4 2如 art u sl l 6 . 0 的开发流程 用户 可以 使用quart us h gu工 方式 完成设计流程的各个阶段， 它是一个完全版 的、易用且独立的开发环境。 quart us h 进行 f 凡a 设计的基本步骤如下: ( 1) 设计输入 quar tus h工程包括在可编程器件中 最终 实现设计需要的 所有设计文件， 软件源 文件和其他相关文件。 使用修订， 可以比较工程多个版本的设置和分配， 更快、更有 效地满足 设计要求。 使用quart us h 模 块编 辑器、 文本编辑器、 m egawi z ard 插件管 理器和e da 设计输入工具可以建立包括a ltera 宏功能模块、 参数化模块库( lpm) 功能 和知识产权( i p) 功能在内的设计. 本阶 段主 要完成设计的 输入; 设 计输入可以 有多种形式。 最常见的 有三种输入方 式: 原理图 输入方式; 硬件描述语言hdl 输入方式: 网 表输入 方式。 原理图输入这是最为直接的一种输入方法，用 quart us h 提供的各种原理图库 进行设计输入。采用这种方法输入的时候，为提高效率，应采用 自顶向下逻辑分块， 即 把大规 模的电 路划分成若干小块的 方法。 一 般而言， 如果对系统很了 解， 并且系 统 速率较高， 或对于大系统中 对时间 特性 要求 较高的 部分， 可以 采用这种方 法。 原 理图 输入的缺点是效 率低， 但仿真容易， 便于信号观察以 及电路的调整， 看起来非常直观。 硬件 描述语言h d l 的 输入， quart u s l l 支持vhd l ， v e r i l o gh d l 及a h d l 等各种 语言描述. 描 述语言的 优点 是效率 很高， 结果也较容易仿真， 信号观察 也较方便。 但 语言输入必须依赖综合器， 只有好的综合器才能把语言综合成优化的电路。 对于大量 的规范的，易于用语言描述，易于综合的电路可以采用这种输入方法。 网表 输入对于在其它软件系统上设 计的电 路， 可以采用这种方法， 而不 必重新进 行输入. q u a r t u sl l 可以 接受的网 表有 e d i f 格式， vhd l 格式及v e r i l o g 格式等. 采用 网 表输入时， 必须注意在两个系统中 所采用库的对 应关系， 所有的 库单元必须一一对 应， 才可以 成功的读入网 表。 经常采用的 方法是