数字调制技术论文设计

数字调制技术论文设计内容摘要：

码 信源编码 噪声源 济南大学毕业设计 6 冲载波，使已调信号能通过带限信道传输。 这种用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制。 已调信号通过信道传输到接收端，然后通过解调把频带数字信号还原成基带数字信号，这种数字信号的反变换过程称为数字解调。 通常，我们把数字调制与解调合起来称为数字调制。 目前我们广泛应用的第二代移动通信系统是数字移动通信系统，其中关键技术之一是数字调制技术。 对数字调制技术的主要要求是：已调信号的频谱窄和带外衰减快（即所 占频带窄，或者说频谱利用率高）；易于采用相干或非相干解调；抗噪声和抗干扰的能力强；以及适宜在衰落信道中传输。 数字调制的基本类型分为振幅键控（ ASK）、频移键控（ ASK）和相移键控（ PSK）。 此外，还有许多由基本调制类型改进或综合而获得的新型调制技术。 在实际应用中，有两类用的最多的数字调制方式： (1)线性调制技术，主要包括 PSK、 QPSK、 DQPSK、 OKQPSK 和多电平 PSK 等。 应该注意：此处所谓的“线性”，是指这类调制技术要求通信设备从频率变换到放大和发射的过程中保持充分的线性。 显 然，这种要求在制造移动通信设备中会增大难度和成本，但是这类调制方式可获得较高的频谱利用率。 (2)恒定包络（连续相位）调制技术，主要包括 MSK、 GMSK、 GFSK 和 TFM 等。 这类调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求，不足之处是其频谱利用率通常低于线性调制技术。 提高频谱利用率是提高通信容量的重要措施，是人们规划和设计通信系统的焦点。 在 20 世纪 80 年代初期，当人们选用数字调制技术时，大多把注意力集中于恒定包络数字调制（例如，泛欧的 GSM 蜂窝网络采用 GMSK） ,但在 80 年代中期以后，人们却着重采用 QPSK 之类的线性数字调制（例如，美国的 IS54 和日本的 PDC 蜂窝网络均采用 DQPSK4/ ，美国的 IS95 蜂窝网络采用 QPSK 和 OQPSK）。 另一种获得发展的数字调制技术是振幅和相位联合调制（ QAM）技术。 目前， 4电平、 16 电平、 64 电平以及 256 电平的 QAM 都已在微波通信中获得成功应用。 以往，人们认为多电平 QAM 信号的特征不适合在移动环境中进行传输。 近几年，随着研究工作的深入，人们提出了不少 改进方案。 例如，根据移动信道特性的好坏可自适应的改变 QAM 的电平数，即改变信道传输速率，从而构成变速率 QAM(VRQAM)。 为减少码间干扰和时延扩展的影响，把将要传输的数据流划分成若干个子数据流（每个子数据流具有低得多的传输速率），并且用这些子数据流去调制若干个载波，从而形成多载波 QAM(MCQAM)或 OFDM 等。 可以预期，在移动信道中使用多电平 QAM调制和多载波技术将成为主要的调制技术。 此外，在第三代移动通信系统中，码分多址（ CDMA）是最主要的多址方式。 其主要的研究课题有：为克服码间干扰而 将正交频分复用（ OFDM）技术用于 CDMA调制（ OFDMCDMA）；为提高 CDMA 系统的传输速率和自适应性能，根据业务需济南大学毕业设计 7 求提供不同传输速率，从而提出的多码码分多址 （ MCCDMA）和可变扩频增益的码分多址（ VSGCDMA）等 [3]。 低中频数字调制方法的研究现状及存在的问题 广泛使用的数字调制技术，如幅度键控（ ASK）、移相键控（ PSK）和移频键控（ FSK）等，因传输效率低而无法满足移动通信等高要求的现代通信系统。 相比较而言， 抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高的多进制数字调制技术 得到了广泛的应用。 ASK (Amplitude Shift Keying) 指的是振幅键控方式 ,它 根据信号的不同，调节正弦波的幅度 ，其 载波幅度是随着调制信号而变化的 ,但它只是一种低效的传输方式。 相比较而言， 多电平 MASK 调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。 正交幅度调制（ QAM）是一种矢量调制 ， 与幅度调制（ AM）相比，其频谱利用率提高 1 倍。 QAM 是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息 比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率，目前 QAM最高已达到 1024QAM（ 1 024 个样点）。 样点数目越多，其传输效率越高， QAM 调制方式发展迅速 ，有 16QAM、 32QAM、 64QAM、 128QAM、 256QAM 之分，数字越大，频带利用率越高，但同时抗干扰能力也随之降低。 QAM 传输速率 很 高，通道也 可 以 优化。 与其 它 调制技术相比， QAM 调制技术具有充分利用带宽、抗噪声强等特点。 频移键控 FSK（ Frequencyshift keying）是利用载波的频率变化来传递数字信息的一种数字调制技术 ， 它利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率来 传递信息。 FSK 是信息传输中使用得较早的一种调制方式 ,它的主要优点是 :实现起来较容易 ,抗噪声与抗衰减的性能较好。 所以 在中低速数据传输中得到了广泛的应用 ， 最常见的是用两个频率承载二进制 1 和 0 的双频 FSK 系统 .。 在数字化时代，电脑通信在数据线路（电话线、网络电缆、光纤或者无线媒介）上进行传输，就是用 FSK 调制信号进行的，即把二进制数据转换成 FSK 信号传输，反过来又将接收到的 FSK 信号解调成二进制数据，并将其转换为用高低电平所表示的二进制语言，这是计算机能够直接识别的 语言。 对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为 B=2Fa+2Fb,Fa 是二进制基带信号的 带宽 ， 也是 FSK 信号的最大频偏，由于 数字信号 的带宽即 Fb 值大，所以二进制频移键控的信号带宽 B 较大，频带利用率小。 多进制数字频率调制（ MFSK）简称多频制，是 2FSK 方式的推广 ,用不同的载波频率代表数字信息。 多频制误码率随 M 增大而增加，但与多电平调制相比 ,济南大学毕业设计 8 增加的速度要小的多。 多频制的主要缺点是信号频带宽，频带利用率低。 因此，MFSK 多用于调制速率较低及多径延时比较严重的信道，如无线短波信道。 相移键控 (PSK)技术 是 通过改变载波信号的相位来表示二进制数 0、 1， 在 相位改变的同时，最大振幅和频率则保持不变。 当不同相位的载波数为 16…… 时 ,分别称为 8PSK（八进制 PSK）、 16PSK（十六进制 PSK） ……。 理论上，不同相位差的载波越多，可以表征的数字输入信息越多，频带的压缩能力越强， 更 可以减小由于信道特性引起的码间串扰的影响，从而提高数字通信的有效性。 但在多相调制时，相位取值数增大，信号之间的相位差也就减小，传输的可靠性将随之降低，因而实际中用得较多的是四相制（ 4PSK）和八相制（ 8PSK）。 频分多路复用 （ Frequencydivision multiplexing， FDM），是一种将多路基带信号调制到不同频率载波上再进行叠加形成一个复合信号的 多路复用技术。 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽的情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一种信号。 在现代电话系统所使用的数字传输方式中， TDM(时分多路复用 ,TimeDivision Multiplexing)代替了 FDM 技术。 正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing 简称“ OFDM” )是一种多载波数字调制技术。 其主要思想是将信道分成若干正交子信道 ,将高速数据流转换成并行的低速子数据流 ,让它们调制在每个子信道上进行传输。 正交信号在接收端采用相关技术被分开 ,以减少子信道间的相互干扰。 每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽 ,因此每个子信道可以看成是平坦性衰落 ,这大大消除了符号间干扰。 OFDM 的 正交指各个载波的 信号频谱是正交的 ，它的 全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍。 OFDM 系统比 FDM 系统要求的带宽要小得多。 由于 OFDM 使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高。 另外， OFDM技术可动态分配在子信道中的数据，为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。 目前 OFDM 技术已被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环线(ADSL)、数字视频广播 (DVB)、高清晰度电视 (HDTV)、无线局域网 (WLAN)和第 4代 (4G)移动通信系统等。 但是 OFDM 却存在下面一些缺点： （ 1） OFDM 对频偏和相位噪声比较敏感，容易带来衰耗； （ 2） OFDM 的峰值平均功率比较大，会导致射频放大器的功率效率比较低。 济南大学毕业设计 9 3 中低频数字调制方法仿真所需技术和软件简介 本文将使用 MATLAB 和 FPGA，利用 Verilog HDL 语言在 Quartus 软件开发平台对中低频数字调制方法进行研究。 MATLAB 介绍 MATLAB 简介 MATLAB（ Matrix Laboratory）是 MathWorks 公司开发的，目前国际上最流行、应用最广泛的科学和工程计算软件，他广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、图像信号处理、财务分析、航天工业、汽车工业、生物医学工程、语音处理和雷达工程等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。 由于它具有强大的计算和绘图功能、大量稳定可靠的算法库和简洁高效的编程语言，已成为数学计算工具方面事实上的标准。 MATLAB 的产生是与数学计算分不开的，以前的数值计算软件包大多用 Fortran 或 C 语言编写，一个软件包 只能解决一个局部问题，很难推广应用。 到 20 世纪 70年代中期， Cleve Moler(数学与计算机科学教授 )为了解决线性方程和特征值问题，和他的同事开发了 LINPACK 和 EISPACK 的 Fortran 子程序库，后来又编写了接口程序，取名为 MATLAB。 MATLAB 开始应用于数学界。 工程师 Jack Little 将 MATLAB 用 C语言重写， 1984 年成立 MathWorks 公司， MATLAB 正式推向市场。 MATLAB 语言比较好学，因为它语法规则简单，更适应于专业科技人员的思维方式和书写习惯；与其他计算机语 言相比，它用解释方式工作，无需像 C 和 Fortran语言那样，对源程序进行编译、连接再形成可执行文件，键入程序立即得出结果，因此更加简洁和智能化，人机交互性能好；它可适应多种平台，虽计算机软、硬件的更新而及时升级，使得编程和调试效率大大提高 [4]。 MATLAB 的基本特点 MATLAB 集科学与工程计算、图形可视化、图像处理、多媒体处理于一体，并提供了 Windows 图形界面设计方法。 (1)功能强大。 MATLAB 具有功能丰富的工具箱和强大的运算、文字处理功能。 (2)人机界 面友好，编程效率高。 MATLAB 的语言规则与笔算式相似，其矩阵的行列数无需定义。 由于 MATLAB 的命令表达方式与标准的数学表达式非常相似，因此，易写易读并易于在科技人员之间交流。 MATLAB 是以解释方式工作的，即它对每条语句解释后立即执行，键入算式无需编译立即得出结果，若有错误也立即作出反应，便于编程者立即改正。 这些大大减轻了编程和调试的工作量，提高了编程效率。 济南大学毕业设计 10 (3)强大而智能化的作图功能。 MATLAB 可以方便的将工程计算的结果可视化，使原始数据的关系更加清晰明了，并揭示了数据间的内在联系。 MATLAB 能根据输入数据自动确定最佳坐标；规定多种坐标系（如极坐标系、对数坐标系等）；设置不同颜线型、视角等，并能绘制三维坐标中的区县和曲面。 (4)可扩展性强。 MATLAB 软件包括基本部分和工具箱两大部分，具有良好的可扩展性。 MATLAB 的函数大多为 ASCII 文件，可以直接编程、修改， MATLAB 的工具箱可以任意增减。 (5)Simulink 动态仿真功能。 MATLAB 的 Simulink 提供了动态仿真的功能，用户能够通过绘制框图来模拟一个线性、非线性、连续或离散的系统，通过 Simulink 仿真并分析该系统 [4]。 FPGA 介绍 在现代数字通信系统中， FPGA 的应用相当广泛。 尤其是在对基带信号的处理和整个系统的控制中， F P G A 不但能大大缩减电路的体积，提高电路的稳定性，而且先进的开发工具使整个系统的设计调试周期大大缩短。 因此，我们将在研究中使用FPGA， 利用 Verilog HDL 语言和 Xinlinx ISE、 Synplify Pro 和 Quartus 软件开发平台对各种数字调制方法进行仿真和实现 研究。 FPGA 简介 FP。