基于FPGA单边带调制系统设计毕业论文设计.doc

本科本科毕业论毕业论文 文 设计设计 题题 目 目 基于基于 FPGA 单边带调单边带调制系制系统统的的设计设计 学生姓名 学生姓名 指指导导教教师师 所在分院 所在分院 专专 业业 班班 级级 二二 O 一三年五月一三年五月 基于基于 FPGA 单边带调制系统的设计单边带调制系统的设计 摘要摘要 随着无线电技术的发展和各种通信设备不断地投放市场 通信频道拥挤的问 题日渐突出 因此占用较窄频带或能在同一频段内容纳更多用户的通信技术普遍地 收到人们的重视 例如 单边带通信就是一种目前应用比较广泛并具有占用较窄频 带特电的通信方法 而 FPGA 具有体系结构和逻辑单元灵活 集成度高 适用范围 宽等特点 可以实现超大规模的电路 编程也很灵活 与门阵列等其他 ASIC 相比 它具有开发周期短 设计制造成本低 开发工具先进 标准产品无需测试 质量稳 定以及可实时在线检测等优点 故这里基于 FPGA 对单边带进行调制 首先 设置 调制信号频率为 5KHZ 振幅为 5 载波频率为 100KHZ 振幅为 10 运用 Matlab 编程得到单边带信号的波形与功率谱 与调制信号进行对比 观察调制效果 然后 运用 Simulink 分别对滤波法与相移法两种调制方法进行建模仿真 通过观察仿真波 形 最终相移法的调制效果要优于滤波法 最后 对以上低层设计产生的 VHDL 的 RTL 代码和仿真文件进行综合 编译适配以及仿真 结果表明本文设计方法能够很 好的进行单边带信号调制 关键词关键词 单边带 调制 仿真 FPGA FPGA based on single sideband modulation system Abstract With the development of radio technology and various communications equipment constantly put on the market communication channel congestion problems have become increasingly prominent so take the narrow band or communication technology can satisfy more users in the same frequency band content generally received people s attention For example is a kind of widely used currently and has occupied the narrow band communication method of special electrical communication with unilateral While FPGA has the characteristics of flexible system structure and logic unit high integration wide application scope can realize large scale circuits programming is also very flexible compared to other ASIC gate array it has a short development cycle low manufacturing cost advanced development tool standard product without testing stable quality and real time online detection etc so here is based on the FPGA of SSB modulation First of all the use of MATLAB programming set the frequency modulation signal the carrier frequency amplitude is 1 the simulation to be modulated signal waveform and power spectrum are compared with the modulation signal observe the modulation effect And then Simulink is used to filter and phase shift method of two kinds of modulation methods for modeling and simulation by observing the simulation waveform modulation effect of final phase shift method is superior to the filtering method Finally the RTL code and simulation files to the low layer design of VHDL adapter and comprehensive compiled simulation Keywords single sideband modulation simulation FPGA I 目录目录 1 引言 1 1 1 课题的研究意义 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 课题的主要内容 2 2 SSB 的调制技术原理 3 2 1 概述 3 2 2 SSB 的调制原理 4 2 3 本章小结 4 3 MATLAB SIMULINK 的 SSB 系统的设计 5 3 1 软件简介 5 3 2 滤波法产生单边带信号 5 3 2 1 滤波法产生 SSB 信号进行 Matlab 设计仿真 6 3 2 2 滤波法设计 Simulink 建模仿真 7 3 3 相移法产生单边带信号 11 3 3 1 相移法产生 SSB 信号进行 Matlab 设计仿真 12 3 3 2 相移法设计 Simulink 建模仿真 13 3 4 本章小结 15 4 基于 FPGA 的 SSB 调制系统的设计 16 4 1 FPGA 简介 16 4 1 1 使用 FPGA 进行开发的优点 17 4 1 2 FPGA 设计的开发流程 17 4 2 使用 QUARUS 实现时序仿真 19 4 2 1 Quarus 介绍 19 4 2 2 转换为 VHDL 语言并综合 22 4 2 3 使用 Modelsim 实现时序仿真 24 4 2 4 使用 Quartus 实现时序仿真 26 4 3 本章小结 27 5 结论 28 5 1 设计过程中遇到的问题以及解决方法 28 5 2 体会 28 致谢 29 参考文献 30 附录 A 31 1 1 引言引言 1 1 课题的研究意义课题的研究意义 在通信技术领域 载波调制技术已广泛应用于地面广播通信 卫星通信 信号 传输等通信系统中 而在载波调制技术中 单边带调制的方法有很多优点 比如 占用带宽小和功耗低等 但是在传统的通信技术中 因为滤波器设计实现起来比较 困难 单边带调制技术在现在仍旧没有广泛应用于通信系统中 随着近几年数字信 号处理技术的快速发展 单边带调制技术要在数字信号处理平台上的实现也成为可 能 为解决单边带调制方法因在载波调制技术中难以实现而不被广泛应用的问题 对 单边带调制方法进行了研究 提出了基 Hilbert 正交变换的单边带调制算法 以及该算 法的 FPGA Field Programmable Gate Arrays 实现 建立了 Matlab 的系统分析模 采用 DSP Builder 设计了单边带调制程序 并通过 Modelsim 对该程序进行了仿真 得到了 理想的单边带调制的波形 目前 数字信号处理平台主要包括 DSP Digital Signal Processor 和 FPGA Field Programmable Gate Arrays 两种 数字信号处理平台的实现方案 主 要是基于 FPGA DSP 的结构来实现高速数字信号处理 该方案采用先进的 FPGA 和 DSP 芯片 借鉴了软件无线电的思想 通过 DSP 芯片对 FPGA 芯片的动态配置 来实现具有通用性 可扩充性的硬件平台 相对于 FPGA 芯片 DSP 芯片采用串行 指令 运算速度受系统时钟频率的影响 难以实现高速实时处理 而 FPGA 采用并 行处理技术 很大程度上提高了系统的运行速度 并且 FPGA 芯片的内部逻辑块和 I O 可以自主配置 令设计变得非常灵活 因此 FPGA 被广泛运用在高速实时通信 系统中 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 近年来 人们对单边带调制也进行了更广泛的研究 合肥电子工程学院在 2001 年发表了 基于 System View 的单边带调制解调系统 但只是用了传统模拟方法实 现的 西安电子科技大学在 2003 年提出了 一种单边带调制 解调的新方法 采用 的方式是数字信号处理 这一处理方法突破了传统的模拟调制解调方法 为以后单 边带调制系统的发展奠定了基础 海洋工程大学的尹敬湘等人在 2005 年提出的 数 字式单边带调制的关键与实现方法 提到的方法是单边带调制中的正交调制以及内 插等技术 2009 年 南京某部队的 基于 FPGA 的载波系统调制 提到了本文要 设计的课题 基于 FPGA 的单边带调制 发展的时间仅仅只有 4 年 所以在 FPGA 进行单边带调制方面还是有很大的发展空间的 2002 年 Altera 公司推出的 DSP Builder 很好地解决了在 EDA 技术完成硬件设计 的过程中 因为一些特定的设计项目 典型的设计流程包括设计项目编辑 综合 2 仿真 适配 编程 显得很不方便的问题 1 3 课题的主要内容课题的主要内容 本文对调制系统进行了研究 并针对 SSB 调制系统进行了 FPGA 实现 本文的 内容安排如下 第一章简要地介绍了本文的研究背景和意义 以及国内外研究现状 第二章详细地介绍了 SSB 调制技术的原理 熟悉和学习 FPGA 技术 充分理解 单边带调制系统的工作原理和在通信系统中的应用 第三章从 Matlab 编程仿真到 Simulink 建模仿真 分别采用滤波法和相移法实现 SSB 调制系统 第四章设计基于 FPGA 的调制系统的各系统模块 在通过前面系统仿真的基础 上 提出了具体可行的 FPGA 实现方法 在 FPGA 设计过程中 通过流水线和模块 化的方法构造了正交振幅调制的调制系统 对其中的关键技术如频率合成 数字滤 波 进制转换等模块进行研究并采用硬件描述语言进行了实现和综合仿真 最后进行设计的总结与体会 3 2 SSB 的调制技术原理的调制技术原理 2 1 概述概述 一般根据调制信号参数的不同 它有三种基本形式 振幅调制 频率调制和相 位调制 如果要控制的参数是高频振荡的振幅 说这种调制为幅度调制 简称调幅 如果要控制的参数是频率或高频振荡的相位 说这种调制为频率调制和相位调制 简称频率或相位调制 FM 和 PM 并称为角度调制 幅度调制的特点是载波的频率始终保持不变 它的振幅却是变化的 其幅度变 化曲线与要传递的低频信号是相似的 它的振幅变化曲线称之为包络线 代表了要 传递的信息 幅度调制在中 短波广播和通信中使用甚多 幅度调制的不足是抗干 扰能力差 因为各种工业干扰和天电干扰都会以调幅的形式叠加在载波上 成为干 扰和杂波 调幅 AM 用调制信号控制载波的振幅 使载波的振幅随着调制信号变化 已调波称为调幅波 调幅波的频率仍是载波频率 调幅波包络的形状反映调制信号 的波形 调幅系统实现简单 但抗干扰性差 传输时信号容易失真 调频 FM 用调制信号控制载波的振荡频率 使载波的频率随着调制信号 变化 已调波称为调频波 调频波的振幅保持不变 调频波的瞬时频率偏离载波频 率的量与调制信号的瞬时值成比例 调频系统实现稍复杂 占用的频带远较调幅波 为宽 因此必须工作在超短波波段 抗干扰性能好 传输时信号失真小 设备利用 率也较高 调相 PM 调制信号控制载波的相位 与调制信号的载波相位变化 调制 波称为相位调制波 瞬时值的相位调制波的振幅成比例保持不变 从载波相位角偏 差量调制的相位信号的瞬时相位调制波 在调频相位角也有相应变化 但这一相位 不随调制信号成比例的变化 在相位调制频率也有相应的改变 但这个频率的变化 并不与调制信号成比例 在模拟调制方法中的调制波的频谱中 除在外的载波频率 两侧的载波分量外 在载波频率两旁还各有一个频带 因调制而产生的各频率分量 就落在这两个频带之内 这两个频带统称为边频带或边带 位于高于侧边带的载波 频率 称为上边带 位于低于侧边带的载波频率 称为下边带 单边带通信滤波器 相移法或相移滤波方法一个边带调幅波 这种调制方法称为单边带调制 SSB 单 边带调制常用于有线载波电话和短波无线电多路通信 1 由于 AM 信号的功率利用率最大也只有 不携带任何信息的载波功率部分 占用了大部分利用率 加上抗噪性能差 使用起来造成了很大浪费 限制了 AM 调 制技术的发展 基于 AM 信号中大部分信号功率都消耗在了载波功率上的这个特点 可以将载波功率滤除掉 仅仅传送边带信号 提高功率利用率 这种技术就叫做抑 13 4 制载波的双边带调制 DSB 时域和频域表达式为 从中可以看出 DSB 的频谱不存在载频分量 这样的话功率利用就大大提高了 理论可以达达 100 即传送的信号全是携带有用信息的信号 DSB 信号虽然有效 的提高了功率利用率 但是由于其带宽仍旧是调制信号带宽的 2 倍 在带宽有限的 条件下 其发展受到限制 而 SSB 信号是 DSB 信号中一个边带 比 DSB 信号节省 了一半的带宽 于是 单边带调制系统设计就出现了 2 2 SSB 的调制原理的调制原理 单边带信号 SSB 是调幅信号的一种 它出自于调幅但是又区别于调幅 调制音 频幅度变化了 载波幅度也会跟随着变化 这就是调幅波的调制方式 要说明调幅 波的频谱特征得根据混频的原理来讲解 因为要准确的掌握 SSB 的产生方法 只有 清楚的知道调幅波的特征才可以 由于对于非线性元件 两个不同频率的信号频率 1 和频率 2 通过会出现 4 个频率 两个频率的和 两个频率的差 频率 1 频率 2 通 常我们把两个频率的和 两个频率的差称为上边带信号和下边带信号 而这两个信 号所包含的信息又相同 因此只要传送一个边带信号 所要传送信号的全部信息也就 传送了 抑制载波的双边带调幅虽然节省了载波功率 但已调信号的频带宽度仍未调制 信号的两倍 与常规双边带调幅时相同 而我们从它们的频谱图上可以看出 上 下两个边带是完全对称的 它们所携带的信息相同 完全可以只用一个边带来传输 全部信息 这样不仅可以节省载波功率 还可节省一半的传输频带 这种方式称为 单边带调制 单边带调制是幅度调制中的一种 幅度调制是由调制信号去控制高频 载波的幅度 使之随调制信号作线性变化的过程 在波形上 幅度已调信号的幅度 随基带信号的规律而呈正比地变化 在频谱结构上 它的频谱完全是基带信号频谱 在频域内的简单搬移 常见的调幅 AM 双边带 DSB 残留边带 VSB 等调 制就是幅度调制的几种典型的实例 单边带调制 SSB 信号是将双边带信号中的 一个边带滤掉而形成的 根据滤除方法的不同 产生 SSB 信号的方法有 滤波法和 相移法 2 2 3 本章小结本章小结 通过对单边带调制 SSB 信号课题的研究背景以及调制技术原理的了解与学 习 熟悉信号调制方式与调制方法 对研究流程有初步的了解 同时也学习了单边 带调制系统设计时所用到的仿真方法和软件 为后面的课题设计做好铺垫 cos 2 1 1 22 2 DSBc LSBcc Stm tw t StM wwM ww 5 3 Matlab Simulink 的的 SSB 系统的设计系统的设计 3 1 软件简介软件简介 MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件 用于算法开发 数据 可视化 数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境 主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分 Matlab 译于矩阵实验室 MATrix LABoratory 是用 来提供通往 LINPACK 和 EISPACK 矩阵软件包接口的 后来它渐渐发展成了通用科 技计算图视交互系统和程序语言 Matlab 发展到现在已经成为一个系列产品 Matlab 主包和各种可选的 toolbox 工具包主包中有数百个核心内部函数迄今所有的三十几个 工具包又可分为两类功能性工具包和学科性工具包功能性工具包主要用来扩充 Matlab 的符号计算功能图视建模仿真功能文字处理功能以及硬件实时交互功能这种 功能性工具包用于多种学科而学科性工具包是专业性比较强的如控制工具包 Control Toolbox 信号处理工具包 SignalProcessing Toolbox 通信工具包 Communication Toolbox 等都属此类开放性也许是 Matlab 最重要最受人欢迎的特点 除内部函数外所有 Matlab 主包文件和各工具包文件都是可读可改的源文件用户可通 过对源文件的修改或加入自己编写文件去构成新的专用工具包 利用 M 语言还开发 了相应的 MATLAB 专业工具箱函数供用户直接使用 Matlab 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算 可视化以及交互式 程序设计的高科技计算环境 它将数值分析 矩阵计算 科学数据可视化以及非线 性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中 为科 学研究 工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解 决方案 并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言 如 C Fortran 的编 辑模式 代表了当今国际科学计算软件的先进水平 3 2 滤波法产生单边带信号滤波法产生单边带信号 因为一般的具有丰富的低频成分 因而要求滤波器的截止特性要极为陡峭 m t 才行 这给实际操作带来困难 因此 在实际当中 采用多次射频及多次滤波 3 的 办法来实现是很常用的方法 其结构如图 3 1 所示 滤波器1滤波器2 1 cos c w t 2 cos c w t m S t u t c 图 3 1 滤波法产生 SSB 信号的原理框图 频域表示如图 3 2 6 图 3 2 产生 SSB 信号的频谱特性 工作原理 当频率较低的时候 滤波器具有陡峭的频率 因此滤波器 1 是一个 截止频率点较低的低通或者高通滤波器 滤波器 2 是一个带通滤波器 通常截止频 率点选的较高 调制的频率需满足 12c www 基带信号与载波信号相乘得到双边带信号 双边带信号时域表达式如下 coscos 3 1 DSBcc utUwtUwt 双边带信号经过一个滤波器 可以得到单边带信号 当取上边带时 单边带信 号时域表达式为 cos 32 SSBc utUwt 取下边带时 时域表达式为 cos 33 SSBc utUwt 上下边带的选取决定于滤波器的选取 滤波器为低通滤波器时保留下边带 滤 波器为高通滤波器时保留上边带 理想滤波特性是不可能做到的 实际滤波器从通 带到阻带总有一个过渡带 实现滤波器的难易与过渡带相对于载波的归一化值有关 过渡带的归一化值愈小 分割上 下边带的滤波器就愈难于实现 4 随着载波频率的提高 采用一级调制直接滤波的办法已不可能实现单边带调制 这时可以采用多级调制的办法 在实际应用中 滤波器的参数设置应当符合实际需 求 并根据基带传输信号和载波信号的频率进行设置 以达到最高性能 3 2 1 滤波法产生滤波法产生 SSB 信号进行信号进行 Matlab 设计仿真设计仿真 滤波法产生 SSB 信号进行 Matlab 编程设计仿真如图 3 3 其中调制信号频率 fm 5KHZ 载波频率 fc 100KHZ 调制信号幅度 A1 5 载波幅度 A2 10 7 00 0050 01 5 0 5 信 信 信 信 02000400060008000 0 100 200 300 信 信 信 信 信 信 f Hz Pr f w 00 0050 01 40 20 0 20 40 SSB信 信 02000400060008000 0 500 1000 SSB信 信 信 信 f Hz Pr f w 图 3 3 滤波法 SSB 调制Matlab编程设计仿真 由图 3 3 可以看出 已调信号的包络与调制信号不呈比例 滤波法中的滤波器 特性并不十分接近理想特性 因为混频后低频分量与高频分量之间的过渡带不够窄 在处未达到锐截止特性 c w 3 2 2 滤波法设计滤波法设计 Simulink 建模仿真建模仿真 Matlab 的 Simulink 环境具有强大的图形化仿真验证功能 可以用来对各种动态 系统进行建模 分析和仿真 它的建模范围广泛 可以针对任何能够用数学来描述 的系统进行建模 其中包括连续 离散 条件执行 事件驱动 单速率 多速率和 混杂系统等等 Simulink 可以利用鼠标拖放来建立系统框图模型的图形界面 而且 Simulink 还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合 利用 Simulink 几乎可以 做到不书写一行代码就能够完成整个动态系统的建模工作 5 所以显得非常的便捷 越来越受到大家的广泛使用 本文通过调用 simulink 中的功能模块构成数字滤波器 的仿真框图 在仿真过程中 可以双击各功能模块 随时改变参数 获得不同状态 下的仿真结果 DSPbuilder 是 Altera 推出的一个 DSP 开发工具 它在 Quartus FPGA 设计环境 中集成了 Mathworks 的 Matlab 和 simulinkDSP 开发软件 2 在以前 Matlab 工具往 往作为 DSP 算法的建模和基于纯数学的仿真来使用 其数学模型无法为硬件 DSP 应用系统直接产生实用程序代码 仿真测试的结果也仅仅是基于数学算法结构 而 8 以往 FPGA 所需的传统的基于硬件描述语言 HDL 的设计由于要考虑 FPGA 的硬 件的 延时与 VHDL 的递归算法的衔接 以及补码运算和乘积结果截取等问题 相当繁杂 对 DSP Builder 而言 MatLab Simulink 整个开发流层几乎可以在同一环 境中完成 顶层的开发工具真正实现了自定向下的设计流程 包括 DSP 系统的建模 系统级的仿真 设计模型向 VHDL 硬件描述语言代码的转换 RTL 逻辑综合 RegisterTransferLevel 级功能仿真测试 编译适配和布局布线 时序实时仿真直至 对 DSP 目标器件的编程配置 整个设计流程一气呵成地将系统描述和硬件实现有机 地融合在一起 充分显示了现代电子设计自动化开发的特点与优势 用 DSP Builder 模块设计好一个新的模型后 可以直接在 Simulink 中进行算法 级 系统级仿真验证 对一个模型进行仿真 需要施加合适的激励 一定得仿真步 进和仿真周期 添加合适的观察点和观察方式 这里需要的是 Scope 和 Spectum Scope 模块来观察波形和频谱图 连接好图形 选择 Simulink start 命令 开始仿真 但仿真结束 双击 scope 模块 打开 scope 观察窗口 使用 Matlab 的 Simulink 工具 对理论上的单边带调制系统进行了建模 根据单边带调制的原理框图 对输入信号 进行离散化采样 然后构造解析信号 分别与正交载波相乘 经过巴特沃斯滤波器 最后将得到的单边带调制信号输出 并对其进行频谱分析 滤波法产生单边带调制信号的 Simulink 建模如图 3 4 图 3 4 滤波法设计 Simulink 建模图 其中巴特沃斯带通滤波器 1 与高通滤波器 2 设置如图 3 5 及图 3 6 9 图 3 5 巴特沃斯滤波器 1 参数设置 图 3 6 巴特沃斯滤波器 2 参数设置 10 图 3 7 SSB 信号频谱 图 3 8 调制波形 上 SSB 信号 下 11 由图 3 4 可以看出 本设计采用的两级调制滤波产生 SSB 信号 先在低载频上 经过带通滤波器产生单边带信号 然后通过变频将频谱搬移到更高的载频 通过高 通滤波器得到所需要的单边带信号 3 3 相移法产生单边带信号相移法产生单边带信号 因为理想的数字滤波器占用系统资源巨大 不仅增加了系统的设计成本 且难 于实现 所以本文选用占用资源较少的希尔伯特 Hilbert 正交变换 6 的方法实现 SSB 调制系统 移相法实现单边带调制不需要滤波器来抑制载波和边带频率 节省频率的带宽 加强实现单边带调制的利用率 其原理框图如图 3 9 所示 A cos c wt sin c tw t x 2 c u t sin c xtw t 90 90 SSB St 2 cu t sin c wt 相移 相移 图 3 9 相移法产生 SSB 信号的原理框图 经过相移网络后 将所有的频率成份移相 实际上是一个希尔伯特 c ut Hilbert 变换 也可以用一个宽带相移网络来代替 希尔伯特变换 7 是信号分析与处 理中的重要理论工具 在通信系统中一般用来构造解析信号 希尔伯特变换可以提 供 90 的相位变化而不影响频谱分量的幅度 即对信号进行希尔伯特变换就相当于 对该信号进行正交移相 使它成为自身的正交对 信号经希尔伯特变换后 信号频 谱不发生变化 相位连续 且相互正交 从理论上讲 这种实现单边带调制的方法回避了制作滤波特性陡峭的边带滤波 器之困难 然而 在模拟系统中要实现上述全通相移网络也十分困难 两种方法对 滤对器的苛刻要求都只能在一定条件下近似满足 不可能严格实现 但是在数字信 号处理技术中 要实现宽带相移的希尔伯特滤波器却是比较简单的事情 在传统的 设计中 希尔伯特变换器一般是由一个一个时延模块和 FIR 滤波器来实现的 但是也 可由一组滤波器对来进行实现 而对原型低通滤波器作正弦 余弦变换是实现 FIR 型 希尔伯特变换器的一个简单方法 但是 无论哪种方法都需要通过计算对低通滤波 2 12 器的系数进行转换 其计算繁琐且存在一定的误差 对于 Matlab 来说 作为滤波器 设计的基础软件 不仅能够快速有效地进行希尔伯特变换器的设计 实现分析仿真 和最优化 并且还可以直接计算出希尔伯特变换器的系数 加之 Matlab 还具有强大 的接口功能 为后面的设计也提供了很大方便 信号的希尔伯特变换可以看成是信号通过一个幅度为 1 的全通滤波器 x t x t 输出 信号通过希尔伯特变换器后 其负频率成分作 的相移 而正频率成分作 90 的相移 这类滤波器要求滤波器的零频响应为 0 如果滤波器的阶数为偶数 那90 么增益在频率为 0 Hz 和 处必须降为零 希尔伯特滤波器必须是一个带通滤波器 如果滤波器的阶数为奇数 那么增益在频率为 0HZ 处必须降为零 希尔伯特滤波器 必须是一个高通滤波器 两路相乘结果相减时得到上边带信号 相加时则得到下边带信号 当调制信号 为确知的周期性信号时 由于它可以分解成许多频率分量之和 因而只要相移 I 是 一个宽带的相移网络 对每个频率分量都能相移 2 3 3 1 相移法产生相移法产生 SSB 信号进行信号进行 Matlab 设计仿真设计仿真 Matlab 信号处理工具箱里提供了 firls 函数和 remez 函数 它们的调用格式语法 规则基本一样 只是优化的算法有些许的不同 函数 firls 利用的是最小二乘法 令期 望的频率响应和实际的频率响应间的误差变得最小 函数 remez 实现的是 Park McClel lan 算法 这种算法利用 remez 交换算法和 Chebyshev 近似理论来设计滤波器 使 实际频率响应拟合期望频率响应并且达到最优效果 8 函数的调用格式为 b remez n f m chc 或 b firls n f m chc 其中 n 为滤波器的阶数 f 为滤波器期望频率特性的频率向量标准化频率 取值为 0 1 是 递增向量 允许定义重复频点 m 为滤波器期望频率特性的幅值向量 向量 m 和 f 必 须同长度并且为偶数 b 为函数返回的滤波器系数 长度为 n 1 本文将采用 remez 函数法 7 进行编程 相移法 SSB 调制系统 Matlab 进行编程设计仿真如图 3 10 2 s F 13 00 511 52 5 0 5 信 信 信 信 信 信 20020 0 0 1 0 2 0 3 0 4 信 信 信 信 信 信 信 f KHz Pr f w 00 511 52 20 0 20 SSB信 信 信 信 信 信 100 50050100 0 0 5 1 1 5 2 2 5 SSB信 信 信 信 信 信 信 f KHz Pr f w 图 3 10 相移法 SSB 调制Matlab编程设计仿真 由图 3 10 可以看出 SSB 调制信号的包络与调制信号不呈比例 在频谱图中 SSB 调制信号截止特性非常好 达到了锐截止特性 3 3 2 相移法设计相移法设计 Simulink 建模仿真建模仿真 相移法产生单边带调制信号 Simulink 建模与仿真结果如图 3 11 及图 3 13 图 3 11 相移法设计 Simulink 建模图 其中滤波器设置与滤波法的滤波器 2 参数设置相同 14 图 3 12 SSB 信号频谱 图 3 13 调制波形 上 SSB 信号 下 由图 3 13 可知 相移法产生单边带信号有两个乘法器 第一个乘法器是产生一 15 般的双边带信号 第二个乘法器的输入信号和载波都相移 最后将上下边带合90 并得到单边带信号 再通过滤波器输出所需的单边带信号 3 4 本章小结本章小结 从理论上分析得知 SSB 信号的抗噪声性能比 DSB 信号要好 但由于 SSB 信 号的输入功率仅为 DSB 信号的一半 加上系统设计时滤波器的带宽设计有待提高 因此整体的调制效果较差一些 从滤波法和相移法来看 最终相移法的调制效果要 好于滤波法 16 4 基于基于 FPGA 的的 SSB 调制系统的设计调制系统的设计 4 1 FPGA 简介简介 图 4 1 FPGA 结构图 FPGA Field Programmable Gate Array 即现场可编程门阵列 9 是在 PAL GAL CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展出来的产物 作为专用集成 电路 ASIC 领域中的一种半定制电路而出现 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 所以现在得到越来越多工程师的亲睐 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LOA Logic Cell Arry 这样一个新概念 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 FPGA 的基本特点主要有 1 采用 FPGA 设计 ASIC 电路 用户不需要投片生产就能得到合用的芯片 2 FPGA 可做其他全定制或半定制 ASIC 电路的试样片 3 FPGA 内部有丰富的触发器和 I O 引脚 4 FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短 开发费用最低 风险最小的器件之 一 5 FPGA 采用高速 CHMOS 工艺 功耗低 可以与 CMOS TTL 电平兼容 目前用硬件描述语言 Verilog 或 VHDL 所完成的电路设计 可以经过简单 的综合和布局 快速的烧录至 FPGA 上进行测试 是现代 IC 设计验证最常用的方 法 可以用这些可编辑元件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的解码器或数学方程式 在 17 大部分的 FPGA 里 这些可编辑的元件里也包含了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 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 了 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 可以完成所需要的逻辑功能 FPGA 相比比 ASIC 专用集成芯片 的速度 一般来说要慢 无法完成复杂的 设计 而且消耗更多的电能 但是 FPGA 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以及更便宜的造价 通过成本考虑 厂商也可能会提供 便宜的但是编辑能力差的 FPGA 因为这些芯片有比较差的可编辑能力 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 现在 FPGA 有下面 4 种配置模式 1 并行主模式为一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式 2 主从模式可以支持一片 PROM 编程多片 FPGA 3 串行模式可以采用串行 PROM 编程 FPGA 4 外设模式可以将 FPGA 作为微处理器的外设 由微处理器对其编程 4 1 1 使用使用 FPGA 进行开发的优点进行开发的优点 使用 FPGA 器件设计数字电路 不仅可以简化设计过程 而且可以降低整个系统 的体积和成本 增加系统的可靠性 使用 FPGA 器件设计数字系统电路的主要优点如 下 1 增大功能密集度 功能密集度是指在给定的空间能集成的逻辑功能数量 可编程逻辑芯片内的组 件门数高 一片 FPGA 可代替几十片乃至上百片中小规模的数字集成电路芯片 用 FPGA 实现数字系统时用的芯片数量少 从而减少印刷板面积和数目 最终导致系统 规模的减小 2 缩短设计周期 由于 FPGA 器件集成度高 使用时印刷线路板电路布局布线简单 FPGA 器件的 可编程性和灵活性 决定了用它设计一个系统所需时间比传统方法大为缩短 3 工作速度快 FPGA CPLD 器件的工作速度快 一般可以达到几百兆赫兹 远远大于 DSP 器件 使用 FPGA 器件后实现系统所需要的电路级数少 因而整个系统的工作速度会得到提 高 18 4 1 2 FPGA 设计的开发流程设计的开发流程 在简单的 FPGA 设计中 设计输入就是使用硬件描述语言编写 RTL 的过程 虽然还有一些基于状态图 真值表 流程图 方框图的设计输入方法 现在基本已 经被淘汰 对于设计输入 核心的问题是有三个 1 熟练使用 HDL 语言 2 准确的把握要完成的设计功能及其性能指标 3 充