完整版基于FPGA单边带调制系统设计毕业设计论文.docx
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完整版基于FPGA单边带调制系统设计毕业设计论文
本科毕业论文（设计）
题目：
基于FPGA单边带调制系统的设计
学生姓名：
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专业：
班级：
二O一三年五月
基于FPGA单边带调制系统的设计
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：
单边带；调制；仿真；FPGA
FPGA-basedonsingle-sidebandmodulationsystem
Abstract:
Withthedevelopmentofradiotechnologyandvariouscommunicationsequipmentconstantlyputonthemarket,communicationchannelcongestionproblemshavebecomeincreasinglyprominent,sotakethenarrowbandorcommunicationtechnologycansatisfymoreusersinthesamefrequencybandcontentgenerallyreceivedpeople'sattention.Forexample,isakindofwidelyusedcurrentlyandhasoccupiedthenarrowbandcommunicationmethodofspecialelectricalcommunicationwithunilateral.WhileFPGAhasthecharacteristicsofflexiblesystemstructureandlogicunit,highintegration,wideapplicationscope,canrealizelargescalecircuits,programmingisalsoveryflexible,comparedtootherASICgatearray,ithasashortdevelopmentcycle,lowmanufacturingcost,advanceddevelopmenttool,standardproductwithouttesting,stablequalityandreal-timeonlinedetectionetc.,sohereisbasedontheFPGAofSSBmodulation.Firstofall,theuseofMATLABprogramming,setthefrequencymodulationsignal,thecarrierfrequency,amplitudeis1,thesimulationtobemodulatedsignalwaveformandpowerspectrum,arecomparedwiththemodulationsignal,observethemodulationeffect.AndthenSimulinkisusedtofilterandphaseshiftmethodoftwokindsofmodulationmethodsformodelingandsimulation,byobservingthesimulationwaveform,modulationeffectoffinalphaseshiftmethodissuperiortothefilteringmethod.Finally,theRTLcodeandsimulationfilestothelowlayerdesignofVHDLadapterandcomprehensive,compiledsimulation.
Keywords:
singlesideband;modulation;simulation;FPGA
1引言
1.1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（FieldProgrammableGateArrays）实现.建立了Matlab的系统分析模,采用DSPBuilder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（DigitalSignalProcessor）和FPGA（Field ProgrammableGateArrays）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
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SystemView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DSPBuilder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、仿真、适配、编程，显得很不方便的问题。
1.3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。
2SSB的调制技术原理
2.1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。
⑴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。
⑵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。
⑶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。
2.2SSB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
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。
3Matlab/Simulink的SSB系统的设计
3.1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
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。
图3-1滤波法产生SSB信号的原理框图
频域表示如图3-2：
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：
。
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：
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
取下边带时，时域表达式为
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；
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。
3.2.2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QuartusⅡFPGA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DSPBuilder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DSPBuilder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SpectumScope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：
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
图3-7SSB信号频谱
图3-8调制波形（上）SSB信号（下）
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
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。
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（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-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0Hz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
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