基于fpga单边带调制系统设计_毕业论文设计(编辑修改稿)

基于fpga单边带调制系统设计_毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

 c o s c o s ( 3 1 )D S B c cu t U w t U w t       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    c o s ( 3 2 )S S B cu t U w t    取下边带时，时域表达式为    c o s ( 3 3 )S S B cu t U w t    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。 滤波法产生 SSB 信号进行 Matlab 设计仿真 滤波法产生 SSB 信号进行 Matlab 编程设计仿真如图 33，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 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1505调制信号0 2020 4000 6000 80000100200300调制信号频谱f ( H z )Pr(f) (w)0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 4 0 2 002040SSB 信号0 2020 4000 6000 800005001000SSB 信号频谱f ( H z )Pr(f) (w) 图 33 滤波法 SSB 调制 Matlab 编程设计仿真 由图 33 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cw 处未达到锐截止特性。 滤波法设计 Simulink 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 QuartusⅡ 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。 而以往 8 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 δ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 34： 图 34 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 35 及图 36： 9 图 35 巴特沃斯滤波器 1参数设置 图 36 巴特沃斯滤波器 2 参数设置 10 图 37 SSB 信号频谱 图 38 调制波形（上） SSB信号（下） 11 由图 34 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。 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 39 所示。 c o scwt( ) s i n ( )ct w tx( ) 2cut ( ) s i n cx t w t90  90  ()SSBSt( ) 2cut s incwt相 移相 移 图 39 相移法产生 SSB 信号的原理框图 cut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(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90176。 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器的系数进2 12 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 ()xt 的希尔伯特变换可以看成是信号 ()xt 通过一个幅度为 1 的全通滤波器输出，信号通过希尔伯特变换器后，其负频率成分作 +90 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。 相移法产生 SSB 信号进行 Matlab 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 ParkMcClel 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 310： 2sF 13 0 0 . 5 1 1 . 5 2505调制信号波形 2 0 0 2000 . 10 . 20 . 30 . 4调制信号功率谱f ( K H z )Pr(f) (w)0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 0020SSB 调制信号波形 1 0 0 5 0 0 50 10000 . 511 . 522 . 5SSB 调制信号功率谱f ( K H z )Pr(f) (w) 图 310 相移法 SSB 调制 Matlab 编程设计仿真 由图 310 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。 相移法设计 Simulink 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 311 及图 313： 图 311 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 312 SSB 信号频谱 图 313 调制波形（上） SSB信号（下） 由图 313 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 90 ，最后将上下边带合并得到单边带信号，再通过滤波器输出所需的单边带信号。 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 FPGA 的 SSB 调制系统的设计 FPGA 简介 图 41 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（ In。