基于FPGA的chirp通信基带处理与时钟同步技术的设计与实现.docx

基于FPGA的chirp通信基带处理与时钟同步技术的设计与实现.docx

《基于FPGA的chirp通信基带处理与时钟同步技术的设计与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于FPGA的chirp通信基带处理与时钟同步技术的设计与实现.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于FPGA的chirp通信基带处理与时钟同步技术的设计与实现

编号：

毕业设计说明书

题目：

基于FPGA的chirp通信基带处理

与时钟同步技术的设计与实现

学院：

信息与通信学院

专业：

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

2014年5月25日

摘要

随着现代通信技术的发展，软件无线电技术的出现打破了有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局，是通信领域一次划时代的革命。

由于软件无线电具有灵活性、开放性等特点，使其不仅在军、民无线通信中获得了应用，而且在其他领域例如电子战、雷达、信息化家电等领域也得到了推广。

因此对软件无线电进行深入的研究是具有重要的现实意义的。

QPSK称为正交相移键控，是现代通信中一种十分重要的调制解调方式，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单等特点，目前已经广泛应用于无线通信中。

软件无线电普遍采用中频数字优化方案，这使数字上、下变频技术成为其关键技术之一。

在本文中，简单介绍了MATLAB/simulink和基于FPGA的ISE工作平台，主要研究了通过simulink平台对QPSK通信系统数字上、下变频的设计实现，详细论述了整个数字上下变频系统中的主要功能模块，在XilinxFPGA开发平台用Verilog语言实现，进行下载验证仿真算法，并比较分析。

关键词：

软件无线电；QPSK；上下变频；simulink；XilinxFPGA

Abstract

Withthedevelopmentofmoderncommunicationstechnology,softwareradiotechnologyappearedtobreakthehistorysincetheimplementationofthecommunicationfunctionoftheequipmentdependonlyonthepatternofhardwaredevelopment,whichisanepoch-makingrevolutionofcommunicationfield. Becausesoftwareradiohastheflexibility,opennessandotherfeatures,makeitnotonlyinthemilitaryandcivilwirelesscommunicationobtainapplications,andinotherareassuchaselectronicwarfare,radar,informationappliancesandsoonalsohavebeenextended. Therefore, furtherresearch hasimportantpracticalsignificance for softwareradio.

QPSK,referredtoasquadraturephaseshiftkeying,isamoderncommunicationinaveryimportantwayofmodulationanddemodulation,ithashighspectrumutilizationrate,stronganti-interference,relativelysimpleinthecircuitimplementofcharacteristics.Atpresent,ithasbeenwidelyusedinwirelesscommunication. Softwareradio iswidelyused indigital optimizationscheme, which makesthedigital up-downconversion, technologyhasbecome oneofthekeytechnologies. Inthispaper,abriefintroductionoftheMATLAB/SimulinkandISEworkingplatformbasedonFPGA,mainlytostudythethroughSimulinkplatformrealizationofQPSKcommunicationsystemdigitalup-downconversion,thedesign,thedigitaldownconversionsystemmainfunctionmoduleisdiscussedindetail,withtheVeriloglanguageimplementationonaXilinxFPGAdevelopmentplatform,downloadthesimulationalgorithm,analyzedandcompared.

Keywords:

softwareradio; QPSK;up-downconversion;Simulink; XilinxFPGA ;

目录

引言

随着移动通信的发展，从20世纪90年代初开始，软件无线电（SoftwareRadio）的概念开始广泛流行起来。

软件无线电技术是用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信，打破了有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。

它是通信领域继固定通信到移动通信，模拟通信到数字通信之后第三次革命。

将来的无线通信系统的主要目标是实现无所不在的、快速、可靠的移动多媒体传输。

QPSK（quadraturephaseshiftkeying）称为正交相移键控，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单等特点，目前已经广泛应用于无线通信中。

在无线通信系统中，由于基带信号普遍采用中频信号，而在无线传输过程中需要各种频段的频率，因此，数字上下变频技术成为了其关键技术之一。

随着现代通信技术的不断发展，数字变频技术也日益普及，在卫星通信、射频通信、扩频通信等方面都得到了很好的应用。

在本文中首先介绍MATLAB/simulink以及基于FPGA的XilinxISE开发平台，并对QPSK通信系统作了详细的阐述，对数字上下变频原理和设计进行了说明，然后通过使用MATLAB/simulink和ISE软件进行仿真和测试，最后对结果分析比较，得出结论。

1MATLAB/simulink软件介绍

1.1Matlab简介

MATLAB是MATrixLABoratory的缩写，是一款由美国MathWorks公司出品的商业数学软件。

MATLAB是一种用于算法开发、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。

除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C++和FORTRAN）编写的程序。

尽管MATLAB主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（Toolbox）,它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。

另外还有一个配套软件包Simulink，提供了一个可视化开发环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。

1.1.1Matlab的主要功能

可用于技术计算的高级语言；

可对代码、文件和数据进行管理的开发环境；

可以按迭代的方式探查、设计及求解问题的交互式工具；

可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等的数学函数；

可用于可视化数据的二维和三维图形函数；

可用于构建自定义的图形用户界面的各种工具；

可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如C、C++、Fortran、Java、COM以及MicrosoftExcel）集成的各种函数。

1.1.2Matlab语言

MATLAB语言是一种交互性的数学脚本语言，其语法与C/C++类似。

它支持包括逻辑（boolen）、数值（numeric）、文本（text）、函数柄（functionhandle）和异质数据容器（heterogeneouscontainer）在内的15种数据类型，每一种类型都定义为矩阵或阵列的形式（0维至任意高维）。

执行MATLAB代码的最简单方式是在MATLAB程序的命令窗口（CommandWindow）的提示符处（>>）输入代码，MATLAB会即时返回操作结果（如果有的话）。

此时,MATLAB可以看作是一个交互式的数学终端，简单来说，一个功能强大的“计算器”。

MATLAB代码同样可以保存在一个以.m为后缀名的文本文件中，然后在命令窗口或其它函数中直接调用。

1.2Simulink简介

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

1.2.1功能

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。

对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。

Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

1.2.2Simulink模型库

Simulink常用库模块主要有以下12类：

（1）连续时间线性系统库（Continuous）

（2）非连续系统库（Discontinuous）

（3）离散系统库（Discrete）

（4）查表操作模块库（LookUpTables）

（5）数学函数库（MathOperations）

（6）模型检查（ModelVerification）和建模辅助工具（Model-wideUtilities）

（7）端口和子系统库（PortsandSubsystems）

（8）信号属性转换库（SignalAttributes）

（9）信号路由库（SignalRouting）

（10）信号源库（Source）

（11）信宿和仿真显示仪器库（Sinks）

（12）用户自定义函数库（UserDefinedFunctions）

2设计语言和环境介绍

FPGA设计需要用到FPGA专用开发工具，如硬件编程的设计输入工具、综合工具、仿真工具等。

本文主要介绍Xilinx公司的ISE集成软件环境，它能支持全球通用的硬件编程语言进行设计，并与其它软件相互集成，实现无缝连接，即通过简单设置即可将第三方的仿真、综合软件集成在ISE软件的统一界面下。

2.1Verilog语言简介

在20世纪80年代，HDL开始流行起来。

HDL这种文本描述的方式逐渐代替了绘制电路原理图的方式，用于描述大型的数字系统。

HDL允许无需逻辑框图便可用精确标识来简单、快速表示结构概念。

VerilogHDL是用来设计数字和计算机系统的新技术。

它可以描述组合逻辑和时序逻辑，可以描述对电平敏感和由边沿触发的存储设备。

Verilog支持两种设计方法，分别是自上而下和自下而上。

在自上而下的设计方法中，首先定义的是顶层模块，接着定义组成顶层模块的各个子模块，接下来按照这种方法进一步划分更详细的子模块，直到完成了最底层模块的设计为止。

如果使用的是自下而上的的设计方法，首先设计最底层的模块，接着在它们的上一级模块中例化这些底层模块并添加新功能，从而组成一个更大的设计。

2.1.1Verilog语言描述

VerilogHDL是一种硬件描述语言，可以用它来建立电路模型，这种模型可以是实际电路不同级别的抽象描述，这些抽象的级别和它们对应的模型类型共有以下5种。

（1）系统级（SystemLevel）：

用高级语言结构设计模块外部性能的模型。

（2）算法级（AlgorithmLevel）：

用高级语言结构设计算法的模型。

（3）寄存器传输级（RegisterTransferLevel，RTL）：

RTL模型是描述数据在寄存器直接的流动和如何处理这些数据的模型。

以上3种属于行为描述，只有RTL级才与逻辑电路有明确的对应关系。

（4）门级（GateLevel）：

描述逻辑门以及逻辑门之间的连接的模型，与逻辑电路有明确的连接关系。

（5）开关级（SwitchLevel）：

描述器件中晶体管和存储节点及它们之间连接的模型。

2.1.2Verilog设计流程

Verilog设计流程如图2-1所示。

图2-1VerilogHDL设计流程图

1）设计规范。

制定设计规划书，在任何设计中都是首先完成的。

主要是抽象描述待设计数字电路的功能、接口和整体结构。

在此，并不需要考虑结构如何有具体的硬件电路来实现。

2）文本编辑。

用任何文本编辑器都可以进行。

编辑完成后文件保存为“.v”文件。

3）功能仿真。

将“.v”源文件调入HDL仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能是否正确。

如果发现错误，则返回第2步，进行除错处理，直到正确为止。

4）逻辑综合。

将“.v”源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把语言综合成最简单的布尔表达式和信号的连接关系。

逻辑综合软件会生成“.edf”（edif）的EDA工业标准文件。

5）布局布线。

将“.edf”文件调入CPLD/FPGA软件进行布线。

6）时序仿真。

需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电路的时序。

如果发现错误则返回第5步或者第2步进行除错处理，直到验证结果正确为止。

7）编程下载。

确认仿真无误后，将文件下载到芯片中。

2.2FPGA开发工具及设计流程

2.2.1ISE开发套件

Xilinx作为世界上最大的FPGA/CPLD生产厂商之一，一直在不断地依靠技术革新推动着FPGA/CPLD技术的发展，其推出的开发软件也不断更新换代，由早期的Fundation系列逐步发展到日趋成熟的集成软件环境（IntegratedSoftwareEnvironment，ISE）系列。

ISE是XilinxFPGA/CPLD的综合性集成设计平台，该平台集成了从设计输入、仿真、逻辑综合、布局布线与实现、时序分析、程序下载与配置、功耗分析等几乎所有设计流程所需的工具，仅利用ISE即可完成整个FPGA/CPLD的开发过程。

本文中所使用的ISE版本为ISE14.6。

2.2.2ModelSim仿真软件

Mentor公司的ModelSim是业界最优秀的HDL语言仿真软件，它能提供友好的仿真环境，是业界唯一的单内核支持VHDL和VerilogHDL混合仿真的仿真器。

它采用直接优化的编译技术、单一内核仿真技术，编译仿真速度快，编译的代码与平台无关，便于保护IP核，个性化的图形界面和用户接口，为用户加快调试进程提供强有力的手段，是FPGA首选仿真软件。

其主要特点有：

1）采用了RTL和门级优化技术，编译仿真速度快，具有跨平台跨版本仿真功能；

2）单内核VHDL和VerilogHDL混合仿真；

3）集成性能分析、波形比较、代码覆盖、数据流ChaseX、信号检测（SignalSpy）、虚拟对象（VirtualObject）、Menory窗口、Assertion窗口、源码窗口显示信号值、信号条件断点等众多调试功能；

4）具有C语言和Tcl/Tk接口，支持C语言调试；

5）对系统级描述语言的最全面支持，支持SystemVerilog、SystemC、PSL等语言。

2.2.3FPGA设计流程

整个FPGA设计过程可以与Protel软件设计PCB的流程类比。

图2-2是FPGA的设计流程图。

图2-2FPGA设计流程图

3QPSK通信系统

通信的目的是传输信息。

通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。

通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。

本文采用的是数字通信系统，因此，在这里重点介绍数字通信系统。

3.1数字通信系统

3.1.1数字通信系统的组成

数字通信系统（DigitalCommunicationSystem，DCS）是利用数字信号来传递信息的通信系统，系统模型如图3-1所示。

图3-1数字通信系统模型

3.1.2数字通信系统的特点

目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。

但是，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代通信技术的主流。

数字通信具有以下特点：

（1）抗干扰能力强，且噪声不积累。

（2）传输差错可控。

在数字通信系统中，可通过信道编码技术进行检错与纠错，降低误码率，提高传输质量。

（3）便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、储存。

这种数字处理的灵活性表现为可以将来自不同信源的信号综合到一起传输。

（4）易于集成，是通信设备微型化，重量轻。

（5）易于加密处理，且保密性好。

数字通信的缺点是，一般需要较大的传输带宽。

另外，由于数字通信对同步要求比较高，因而系统设备相对复杂。

3.1.3通信系统主要性能指标

在设计和评价一个通信系统时，需要建立一套能反映系统各方面性能的指标体系。

性能指标也称质量指标，它们是从整个系统的角度综合提出的。

通信系统的性能指标涉及其有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性、可维护性等。

所谓有效性是指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输“速度”问题；可靠性则是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题，这两个问题互相矛盾而又相对统一，并且可以进行互换。

数字通信系统的有效性可用传输速率和频带利用率来衡量。

（1）码元传输速率RB，又称码元速率、传码率。

它被定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。

根据码元速率的定义，若每个码元的长度为T秒，则有

（3.1-1）

（2）信息传输速率Rb，简称传信率，又称比特率。

它定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为b/s或bps。

在“0”、“1”等概率出现的二级制码元的传输中，每个码元含有1b的信息量，所以二级制数字信号的码元速率和信息速率在数量上是相等的。

而采用多（M）进制码元的传输中，由于每个码元携带

比特的信息量，因此码元速率和信息速率有以下确定的关系，即

（3.1-2）

或

（3.1-3）

（3）频带利用率。

真正衡量数据通信系统的有效性指标是频带利用率，它定义为单位带宽（每赫）内的传输速率，即

（3.1-4）

数字通信系统的可靠性可用差错率来衡量，差错率常用误码率和误码率表示。

（1）误码率Pe，是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切的说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即

（3.1-5）

（2）误码率Pb，又称误比特率，是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例，即

（3.1-6）

显然，在二进制中有

3.2QPSK基本原理

在多进制相移键控中，θ可以取多个值。

所以，一个MPSK信号码元可以表示为

（3.2-1）

式中：

A为常数，

为一组间隔均匀的受调制相位，其值决定于基带码元的值。

所以它可以写为

（3.2-2）

通常M取2的某次幂：

（3.2-3）

对于多进制PSK信号，不能简单地采用一个相干载波进行解调。

只有在2PSK中才能够仅用一个相干载波进行解调，这时需要用两个正交的相干载波解调。

在后面分析中，不失一般性，我们可以令式（3.2-1）中的A=1，然后将MPSK信号码元表示式展开成

（3.2-4）

式中：

（3.2-4）表明，MPSK信号码元

可以看作是由正弦和余弦两个正交分量合成的信号，它们的振幅分别为

和

，并且

。

M=4时，4PSK常称为正交相移键控，即QPSK。

它的每个码元含有2b的信息，现用ab代表这两个比特。

发送码元序列在编码时需要先将每两个比特分成一个双比特组ab。

ab有4种排列，即00、01、10、11。

然后用4种相位之一表去表示每种排列。

其中分别有A和B两种相位排列方式，A为：

，B为

。

每种排列的相位的关系通常都按格雷码安排，其相位图和矢量图分别画在图3-1和3-2中。

图3-1相位图图3-2矢量图

3.3QPSK调制解调

3.3.1QPSK调制

QPSK信号的产生方法有两种方法。

第一种是用相乘电路，如图3-3所示。

图中输入基带信号A（t）是二进制不归零双极性码元，它被“串/并变换”电路变成两路码元a和b。

变成并行码元a和b后，其每个码元的持续时间是输入码元的2倍，如图3-4。

这两路并行码元序列分别用以和两路正交载波相乘。

相乘结果用虚线表示于图3-5中。

图中矢量a

（1）代表a路的信号码元二进制“1”，a（0）代表a路信号码元二进制“0”；类似的，b

（1）代表a路的信号码元二进制“1”，b（0）代表a路信号码元二进制“0”。

这两路信号在相加电路中相加后得到的输出矢量s（t），每个矢量代表2b，如图中实线矢量所示。

应当注意的是，上述二进制信号码元“0”和“1”在相乘电路中与不归零双极性矩形脉冲振幅关系如下：

二进制码元“1”→双极性脉冲“+1”；

二进制码元“0”→双极性脉冲“-1”。

图3-3第一种QPSK信号产生方法

图3-4码元串/并变换图3-5QPSK矢量的产生

第二种产生方法是选择法，其原理方框如图所示于图3-6中。

这时输入基带信号经过串/并变换后用于控制一个相位选择电路，按照当时的输入双比特ab，决定选择哪个相位的载波输出。

候选的4个相位

仍然可以是图1-5中的4个实线矢量，也可以是按A方式规定的4个相位。

图3-6选择法产生QPSK信号

3.3.2QPSK解调

QPSK信号的解调原理方框图示于图3-7中。

由于QPSK信号可以看作是两个正交2PSK信号的叠加，如图3-5所示，所以用两路正交的相干载波去解调，可以