π/4-DQPSK调制解调关键技术研究及FPGA实现

摘要

近年来,随着数字信号处理技术不断成熟,各种数字处理器件性能不断完善,以现代通信理论为基础,以数字信号处理为核心,以微电子技术为支撑的软件无线电技术或称软件可定义无线电技术应运而生。它的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台,而把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件实现。无线通信系统、新产品的开发将逐步转到软件上来,而无线通信的产品价值将越来越多地体现在软件上。这是无线通信领域继固定到移动、模拟到数字之后的第三次革命,对末来通信事业的发展将产生深远的影响。本课题的任务是用可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现基带到中频的全数字π/4-DQPSK调制解调系统。π/4-DQPSK是一种线性窄带数字相位调制技术,因其频谱利用率高,频谱特性好,抗多径性能强等突出特点,在移动通信、卫星通信中得到广泛应用。本文首先研究π/4-DQPSK调制解调系统中调制部分的基本原理和各个模块的设计方案,重点研究成形滤波器和直接数字频率合成器(Direct Digital FrequencySynthesis,简称DDS),并针对各个关键模块算法进行matlab设计仿真,展示仿真结果。其次,研究调制解调系统解调部分的基本原理和各个模块的设计方案,重点研究差分解调,数字下变频和位同步算法,也针对其各个关键模块进行算法的Matlab设计仿真。然后用Matlab对整个系统进行理论仿真,得出结论。在此基础上,采用超高速集成电路硬件描述语言(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,简称VHDL)在Altera公司QuartusⅡ7.0开发环境下设计并实现各个功能块,通过仿真来证明功能正确性。再次,用Protel99SE进行印制电路板(print circuit board,简称PCB)设计,从原理图到封装,再到布局布线。焊接调试完毕后,将设计好的程序下载至FPGA主芯片。最后观察信号时域波形、星座图、眼图。本系统信源输入符号速率100kbps,调制中频10MHz。测试结果验证系统的正确性,实现了从数字基带到中频的π/4-DQPSK调制解调系统。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 软件无线电技术简介

1.2 π/4-DQPSK调制技术简介

1.3 π/4-DQPSK调制技术的应用发展

1.4 π/4-DQPSK调制解调系统的设计方案

1.5 本文内容安排

2 π/4-DQPSK调制原理及其关键技术研究

2.1 π/4-DQPSK调制原理

2.1.1 π/4-DQPSK调制星座图

2.1.2 π/4-DQPSK的调制实现框图及信号分析

2.2 成形滤波器设计

2.2.1 成形滤波器理论研究及Matlab仿真

2.2.2 成形滤波器的FPGA设计方案

2.3 直接数字频率合成器设计

2.3.1 DDS的工作原理及性能特点

2.3.2 CORDIC算法

2.3.3 基于CORDIC算法的DDS的FPGA实现

3 π/4-DQPSK解调原理及其关键技术研究

3.1 π/4-DQPSK解调原理

3.1.1 π/4-DQPSK的解调实现方案

3.1.2 π/4-DQPSK中频差分解调信号分析

3.2 π/4-DQPSK中频差分方案分析

3.2.1 希尔伯特变换

3.2.2 计算载波周期采样点数

3.3 数字下变频

3.3.1 级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)

3.3.2 半带滤波器(HB滤波器)

3.4 位同步

3.4.1 位同步原理

3.4.2 改进的Gardner算法

4 π/4-DQPSK调制解调系统仿真及FPGA硬件实现

4.1 系统Matlab设计及仿真

4.1.1 调制端仿真

4.1.2 解调端仿真

4.2 系统VHDL设计及模块仿真

4.2.1 调制端功能模块的VHDL设计

4.2.2 解调端功能模块的VHDL设计

4.3 系统FPGA硬件设计

4.3.1 FPGA硬件设计流程

4.3.2 FPGA芯片选型标准

4.3.3 本设计FPGA主芯片的选用

4.3.4 本设计FPGA其他芯片的选用

4.4 系统FPGA硬件实现

4.4.1 FPGA便件调试

4.4.2 调制解调系统FPGA实现波形

5 全文总结及下一步工作建议

5.1 全文总结

5.2 下一步工作建议

致谢

参考文献

附录