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基于DDS的DPSK调制解调软件无线电实现.pdf
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1、目录摘要.1Abstr a ct.*.2第一章绪论.:.3第二章模数转换器ADC和数模转换器DAC.52.1 引言.52.2 采样.52.2.1 理想采样与采样定理.52.2.2 采样的方法.72.2.2.1 自然采样.72.2.2.2 平顶采样.72.2.3 采样信号的恢复.72.2.4 带限信号理论.82.3 量化.92.4 模数转换器(ADC).102.4.1 模数转换器的原理.102.4.2 模数转换器的特性.102.5 降低量化噪声的方法.112.5.1 过采样.-112.5.2 噪声整形.122.6 数模转换器(DAC).122.6.1 数模转换器的原理.122.6.2 数模转换器
2、的特性.13第三章现场可编程门阵列FPGA及软处理器核Micr o bla z e简介.143.1 引言.:.143.2 FPGA设计方法简介.153.2.1 设计输入阶段.153.2.2 FPGA实现阶段.163.2.3 调试及仿真.163.2.4 设计完成及下载.163.3 Micr o Bla z e处理器结构.163.3.1 Micr o Bla z e处理器的寄存器.173.3.2 Micr o Bla z e处理器流水线结构.183.3.3 Micr o bla z e处理器的总线接口.183.3.4 Micr o Bla z e处理器硬件和软件的设计.1唧删聊1|3.3.5 Mi
3、cr o Bla z e处理器的硬件设计.-Y1970927 53.3.6 Micr o Bla z e处理器的软件设计.233.4 FPGA器件的选用.243.4.1 芯片系列选择.253.4.2 芯片型号选择.253.4.3 V ir tex-5芯片特性简介.25第四章DDS基本原理和FPGA实现.264.1 引言.264.2 DDS基本原理简介.264.2.1 DDS基本原理.264.2.2 DDS原理结构图和主要参数.274.3 DDS的性能.294.3.1 DDS 的优势.294.3.2 DDS的局限性.304.4 DDS具体参数确定.304.4.1 具体参数.304.4.2 参数计
4、算.314.5 DDS 的 FPGA 实现.324.5.1 相位累加器的设计.324.5.2 相位调制器的设计.334.5.3 正弦查找表S INROM的设计.344.5.4 仿真结果.364.6 正弦波DDS的扩展设计-任意波形发生器.37第五章基于DDS的DPS K调制器的软件无线电实现和仿真.395.1 引言.395.2 DPS K调制原理和主要参数.395.2.1 DPS K调制原理.395.2.2 DPS K调制实现方法.415.2.3 DPS K信号的频谱和占用带宽.425.3 基于DDS的DPS K调制的具体实现.445.3.1 差分编码的实现.445.3.2 C PS K调制的
5、实现.455.4 基于DDS技术的MPS K调制器设计.465.4.1 MPS K调制器原理.465.4.2 MPS K调制的实现.485.4.2.1 基于DDS技术的多进制调制方框图.48n5.4.2.2 基于DDS技术的QPS K调制.49第六章基于FPGA和DDS实现DPS K解调及仿真.516.1 引言.516.2 DPS K解调原理和主要指标.516.2.1 DPS K解调基本原理.516.2.2 DPS K信号解调的性能指标.516.3 DPS K解调算法的原理.526.3.1 载波同步方法概述.526.3.2 数字锁相环的基本理论.536.3.2.1 数字鉴相器.556.3.2.
6、2 数字环路滤波器.57632.3数控振荡器(DC O).586.3.3 数字C o sta s环的设计.596.3.3.1 数字混频.596.3.3.2 积分清零滤波器.616.3.13数 字相位误差检测器.616.13.4环路滤波器的设计.626.3.3.5锁定和假锁检测.636.3.3.6位同步信号的提取.646.4 基于Xilin x公司FPGA的Micr o bla z e处理器的DPS K解调实现.656.4.1 滤波器的设计方法.:676.4.2 软件工作流程.:696.4.3 基于Micr o Bla z e处理器的系统构建.716.5 仿真结果.736.5.1 滤波器仿真结果
7、.736.5.2 C o sta s 环仿真.756.5.3 DPS K解调输出仿真.75第七章总结和展望.77参考文献.78致谢.81in摘要软件无线电(S o ftwa r e Defin ed Ra dio,S DR)技术在现代信息传输中占有越 来越重要的地位。无线电通信、电视、雷达、遥控遥测等,都需要利用无线电技 术传输各种不同的信息,而在这些信息的传递过程中,都要用到调制和解调这些 关键技术,从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善,到现在的数字调制技术广泛 运用,以及调制解调器的软件无线电实现,可使得信息的传输更为有效和可靠。论文首先介绍了进行数字通信所必须的模数转换器(ADC)和将数字
8、信号变为 模拟信号的数模转换器(DAC)。然后介绍了现场可编程门阵列(FPGA)的特点和设 计流程及软处理器核系统Micr o bla z e.论文还讨论了直接数字合成器(DDS)的 FPGA实现,及在DDS基础上利用FPGA来实现差分相移键控(DPS K)调制器和解调 器的设计方法。在设计中选用了 Xilin x公司含有大量逻辑资源的现场可编程门 阵列V ir tex-5系列器件,在此集成环境下调用库存功能模块或直接用V HDL语言 编程来实现设计要求。在DPS K解调模块中还采用新推出的Micr o bla z e软处理器 核系统来进行设计。最后对本文进行了总结和展望。关键词:软件无线电(
9、S DR),调制解调,软处理器核系统Micr o bla z e,直接数字 合成器(DDS),差分相移键控(DPS K).中图分类号:TM93,TN9LAbstr a ctS o ftwa r e defin ed r a dio(S DR)techn iq ue o ccupies the mo r e a n d mo r e impo r ta n t po sitio n in cur r en t in fo r ma tio n tr a n smissio n.Ma n y sy stems n eed utiliz e this techn iq ue to tr a n sm
10、it a ll k in ds o f in fo r ma tio n,fo r exa mple,wir eless co mmun ica tio n,TV,r a da r,teleco n tr o l a n d telemetr y,etc.It will use so me k ey techn iq ue o f mo dula tio n a n d demo dula tio n dur in g the in fo r ma tio n tr a n smissio n pr o cess.Fr o m the co n tin o us impr o v emen t
11、 o f pr ev io us a n a lo g AM a n d FM techn iq ue to expa n ded a pplica tio n o f cur r en t dig ita l mo dula tio n,a ll o f tho se techn iq ues will ma k e in fo r ma tio n tr a n smissio n mo r e effectiv e a n d r elia ble.Fir stly this pa per in tr o duced the a n a lo g to dig ita l co n v
12、er ter(ADC)a n d dig ita l to a n a lo g co n v er ter(DAC)which wer e n ecessa r y fo r the dig ita l co mmun ica tio n.Then it sta ted the fea tur es a n d desig n o f field pr o g r a mme g a te a r r a y(FPGA)a n d sy stem o f so ft pr o cesso r co r e-Micr o bla z e.An d the pa per a lso in v e
13、stig a ted the FPGA implemen t o f dir ect dig ita l sy n thesiz er(DDS)a n d the desig n metho d o f the differ en ce pha se shift k ey in g(DPS K)mo dula tio n a n d demo dula tio n ba sed o n the FPGA.The Xilin x FPGA co mpo n en t-V ir tex 5 with a bun da n t lo g ic so ur ces wa s selected.Un d
14、er this in teg r a ted sur r o un din g,the in v en to r y fun ctio n mo dules o r pr o g r a m with V HDL la n g ua g e wa s used to fulfill the desig n dema n d.Fur ther mo r e,the DPS K demo dula tio n ha s been desig n ed with the n ew sy stem o f so ft pr o cesso r co r e-Micr o bla z e.The sum
15、ma r y a n d dev elo pmen t fo r this pa per wer e sho wn a t la st.K ey wo r ds:S o ftwa r e defin ed r a dio(S DR),Mo dula tio n a n d demo dula tio n,S y stem o f so ft pr o cesso r co r e-Micr o bla z e,Dir ect dig ita l sy n thesiz er(DDS),Differ en ce pha se shift k ey in g(DPS K).C la ssifica
16、 tio n co de:TM93,TN91.第一章绪论软件无线电(S o ftwa r e Defin ed Ra dio,即 S DR)是由 Jeo.Mito la 于 1992 年 首次提出.其中心思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平 台,将各种功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议 等用软件完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度 灵活性、开放性的新一代无线通信系统。其基本结构如图11所示。图软件无线电的基本结构软件无线电的出现解决了传统思路开发和生产的局限性。即当新技术出现或 版本升级或提供新业务时,只能开发新的专用芯
17、片,制造新一代的设备。其结果 不是限制了新技术和新业务的使用,就是给制造商、运营商带来更大的投资风险,给用户带来诸多不便。所以软件无线电为未来无线通信设备设计的核心所在。本文是从软件无线电角度进行直接数字频率合成器(DDS)的研究,以此在DDS 基础上的差分相移键控(DPS K)调制和解调的设计。因为Xilin x公司对芯片提供 的参考设计较Alter a公司提供的涉及的领域更宽,品种更多。免费使用的IP核 也更多一些。所以本文采用Xilin x公司的FPGA作为软件无线电的平台。直接数字频率合成(DDS)技术在合成信号时,具有超宽的相对带宽、超高的 捷变速度、超细的分辨率、连续的相位特性、可
18、以输出宽带的正交信号等诸多优 越性能 DDS全数字结构的相位控制功能,使它具备多种数字调制能力,如相 位调制、频率调制、幅度调制以及I/Q正交调制等随着这种频率合成技术的 发展,现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪 器仪表工业等领域。数字调制中的DPS K调制方式有较高的抗噪声抗干扰性能,能有效地利用所 给定的信道频带,因此在移动通信系统、卫星通信系统和卫星广播等系统中都有 应用.而由于数字通信中的差分相移键控信号不含有载频分量,用普通的锁相环 路无法提取,需设计特殊的锁相环路,即所谓的抑制载波的跟踪环,才能完成载 波同步的功能。抑制载波跟踪环包括平方环、同相正交环
19、(即科斯塔斯环,C o sta s 环)和反调制环(或称判决反馈环)其中平方环要对本振进行复杂的平方运算,而且容易产生高次谐波干扰。反调制环对解调门限有限制。同相-正交环不仅能 提取载波,而且能解调信息。综合以上考虑,所以本文采用了 C o sta s环。采用软件无线电技术,用现场可编程门阵列(FPGA)实现DDS系统设计,一方 3面可得到较高的工作频率,另一方面由于FPGA具有良好的系统结构可重配置特 性,且有功能强大的开发软件和许多软、硬IP核,使得设计更灵活,修改更方 便,升级更快捷,因此基于FPGA的系统设计将得到了更广泛的应用。本文对DPS K 解调设计部分还采用了 Xilin x公
20、司新推出的Micr o bla z e软处理器核系统,使设 计更简单,数据流比特可以更高,数据处理得更快。从实际应用来说,带有差分相移键控DPS K调制解调功能的通用测试仪器可 以非常有助于设计师进行新产品的研制。但在目前,无论国内或国外的任意函数 信号发生器都还没有这项功能。比如美国泰克公司的任意函数信号发生器AFG3K 系列,目前型号中仅有AM、FM、PM、FS K、PWM的调制方式。因此,本文的设计 方法可以对现有任意函数信号发生器进行技术改进,使其具有PS K调制解调功能,它将会带来更广泛的市场前景.4第二章模数转换器ADC和数模转换器DAC2.1 引言现实生活中大部分的信号都是连续模
21、拟信号,进行传输时存在保密性差和抗 干扰能力弱的缺点,为了解决这些数据传输上的问题,将模拟信号转化为数字信 号进行传输是一个很好的办法。对模拟信号进行采样量化,变为数字序列进行处 理,是实现数字化电路的前提。同时数字信号也存在一定的缺陷,比如说频带利用率低、技术有时较复杂等,所以在实际科学研究和工程设计中,有时也需要将数字信号转化为模拟信号。模拟信号和数字信号之间可以相互转换。模拟信号一般通过脉码调制PC M(Pulse C o de Mo dula tio n)方法量化为数字信号,即让模拟信号的不同幅度分别对应 不同的二进制值,例如采用8位编码可将模拟信号量化为28=256个量级;数字信 号
22、一般通过对载波进行移相(Pha se S hift)的方法转换为模拟信号。2.2 采样2.2.1 理想采样与采样定理I采样是把连续时间模拟信号转换成离散时间模拟信号。设连续时间信号为 式。,其频谱为X。);表示理想冲激取样信号,频谱为理想采样 序列是周期为了的周期性冲激脉冲序列P6)=则:M)=X(t)Ps(t)=x(0 即-(2-1)上式中只有在f=时非零.因此有:At)x(nT)力”(2-2)对式(2-2)进行傅立叶变换可得:(网=匚;Wdf=X力(日出=4 匚 力*4双痴一鸣)】(2-3)其中吗=1/T为采样角频率,由上式可见,一个连续信号经理想取样后频谱 发生了两个变化:一是乘以1/T
23、因子;另一个是出现了以七;2吗为中心的 5和/x)形状完全一样的频谱,即频谱产生了周期延拓,当为带限信号,其 频谱限制在叼,则可得采样频谱如图21所示:X。研/VWtWWI G(d)G)叫一心(d)图21时域采样的频谱(a)原始信号频谱:(b)采样函数的频谱;(c)采样频率%2叼时采样信号的频谱;(d)采样频率?2七时采样信号的频谱;从图中可以看出,当采样频率42%时,理想取样信号的频谱,基带频谱 以及各次谐波调制频谱彼此是不重叠的,这时用一个带宽为吗/2的理想低通漉 波器,就可以取出原信号x(f)的频谱,从而恢复原信号;当叼2%时,采样信 号频谱发生了混叠,无法恢复原信号。因此,要想从采样信
24、号中恢复原信号,则 采样频率必须满足吗N2久,这就是著名的奈奎斯特采样定理。62.2.2 采样的方法2.2.2.1 自然采样自然采样序列不是理想冲激脉冲序列,而是具有一定形状和宽度的脉冲 p(f),即c=Zp(f-4),将c(。展开为付氏级数:c(t)=Z(24)C邦。*3则x,(0=tx(t)c,e(2-5)Z(0)=2 GX-叱)(2-6)同理想采样相比,自然采样的每一频谱分量的强度按。“变化,但形状没有变 化(无失真)。2.2.2.2 平顶采样平顶采样与自然采样一样,抽样脉冲具有一定的持续时间,但在脉宽期间抽 9 r)HUM=X0。),因此可以从输 出端恢复原模拟信号)2.2.4 带限信
25、号理论前面论述了当信号是带限信号时,由奈奎斯特采样定理可以恢复原始信号。带限信号的定义是信号没有高出给定频率的频率分量,然而当考虑实际信号时,如无线接收机输入端的信号,它的所有频率通常都存在,关键是要考虑有用信号 和带外信号的相对幅度。当在接收机中以奈奎斯特采样率对射频或中频信号采样 时,带外信号的较大幅度通过采样可以产生频谱的混叠,影响有用信号。如图2 一3所示。X(网X(网(b)采样后频谱发生混叠图23带外信号对带内信号的影响从上图可以看出,由于采样信号频谱的周期性重复,使得带外信号混叠到有 用信号频段内,这将导致恢复信号的失真。因此为了降低采样信号频谱混叠造成 的信号失真,在采样之前要将
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