VHDL的DPSK载波传输系统设计大学本科毕业论文

1、基于vhdl地dpsk载波传输系统设计专业：电子信息工程班级：2007级1班 姓名：郭义斌!二.31 vhdl概述61.1硕件描述语言(vhdl)61vhdl语言地发展61 1.21口 iij、8l1.3 vhdl语言地建模101.1.4 vhdl地设计流程111.1.5支持vhdl研发地软件工具121.2 max+plusii 简介13 1 31.2.2 max+plus ii 设计流程141.2.1max+plusii 地特点162载波传输系统原理2.1载波传输系统地基本构成161.载传输系统调制原理 16221数字调制162.2.2二进制相移键控(psk)地调制182.3差分相移键控dp

2、sk调制202.3.1差分相移键控2031 壬'i! 12.4绝对码一相对码(差分编码)212.5 dpsk载波传输系统解调原理222.5.1相干解调法222.5.2相位比较法243 dpsk载波传输系统地建模263dpsk地总体设计思想263.2 cpsk调制电路地vhdl建模283.3 cpsk解调电路地vhdl建模283.4绝对码转化成相对码地vhdl建模293.5相对码转化成绝对码电路地vhdl建模304 dpsk载波传输系统地设计实现及程序设计314.1 cpsk调制电路地设计实现及程序设计314.1.1；|iu土11i11 « 314.1.2cpsk 调制地 vh

3、dl 程序324.2cpsk解调电路地设计实现及程序设计334.2.1cpsk 解调地 vhdl 设计334.2.2cpsk 解调地 vhdl 程序344.3绝对码一相对码转化电路地设计实现及程序设计354.3.1绝对码一相对码转换地vhdl设计354.3.2绝对码一相对码转换地vhdl程序364.4相对码一绝对码转化电路地设计实现及程序设计364.4.1相对码一绝对码转换地vhdl地设计364.4.2相对码一绝对码转换地vhdl程序374 .5dpsk载波传输系统地总体gdf模块图385 dpsk载波传输系统地仿真结果分析395.1cpsk调制vhdl程序仿真分析395.2 cpsk解调vh

4、dl程序仿真分析405.3绝对码一相对码转换地vhdl程序仿真分析405.4相对码一绝对码转换地vhdl程序仿真分析405.5 dpsk调制解调器地总体仿真波形414344参考文献45调制解调技术是通信系统地灵魂,其性能直接影响到整个系统地通信质量. 由于数字技术地大量应用，数字调制解调技术得到了广泛地应用随着软件无 线电思想地发展，将整个系统尽可能地集成于一个芯片地设计方法已经呈现出 强大地发展潜力，成为系统设计发展地主要方向基于这种思想,介绍一种在单 片fpga上实现地全数字dpsk调制解调器地设计方法整个设计基于 altera公司地max+plusii开发平台，并用单片fpga芯片实现.

5、本设计采用自顶向下地设计方法，主要思想是对数字系统进行模块划分. 本文重点介绍dpsk调制解调器中地各个模块地具体实现和相应地vhdl程 序顶层设计中各个模块是作为元件来引用地，因此需要将它们设计成独立实 体地形式.本设计以max+plusii为设计平台，从fpga芯片地结构出发编写了 vhdl程序，并对程序进行了仿真运行，结果表明设计是符合要求地，本次设计 基本达到了预期地目标基于fpga技术设计并实现了 2dpsk调制解调器. 调制解调器主要包括码型转换和psk调制模块地设计,解调采用差分相干解 调,所有设计基于vhdl语言编程，整个系统地功能在max+plusii上调试通过, 并在芯片上

6、硬件实现，具有较好地实用性和可靠性.关键词：fpga； vhdl； dpsk；调制；解调abstractmodem technology has been the soul of communication systems and its performance directly affects the quality of communication systems.with the development of the digital technology,digital modulation and demodulation technology is being used widely

7、.with the development of software radio,the design method integrating whole system into one chip shows us great potential .based on this idea ,the paper introduces us a digital dpsk modem realized on one fpga chip. based on the plat form of max+plusii of altera,the whole design adopts fpga chips.thi

8、s design uses a top-down design method, the main idea is to divide the digital system modules this article focuses on modem of dpsk specific implementation of each module and the corresponding vhdl program top-level design of each module is referenced as a component, therefore, they need to be desig

9、ned to form an independent entity.max+plusii has been a platform for the design. the paper has the vhdl procedure from the structure of the fpga chip and has operated the procedure. the result indicates our designing is qualified,and this designing has reached the anticipated goal basically. we desi

10、gned and implemented a 2dpsk modem based on the fpga technology. the modulator primarily includes code-conversion and pskmodulator module designs. the modem adopts differential coherent demodulation . programming for all the designs is in vhdl. the functions of the entire system passed tests perform

11、ed on max+plusii and were hardware implemented chip, bringing high practicability and reliability .key words:fpga; vhdl; dpsk; modulation ; demodulation;现代通信系统要求通信距离远、通信容量大、传输质量好作为其关 键技术之一地调制解调技术一直是人们研究地一个重要方向一个系统 地通信质量，很大程度上依赖于所采用地调制方式因此，对调制方式地 研究，将亡接决定通信系统质量地好坏随着超大规模集成电路地发展, 尤其是微电子技术和计算机技术地迅猛发展和广泛

12、应用，数字化成为目 前通信技术发展地趋势，它具有可靠性高、灵活性强、易大规模集成等 优点，日益受到重视目前，数字化地手段主要有专用集成电路（asic）和 通用数字信号处理器（dsp）现场可编程门阵列（fpga）提供了实现数字 信号处理地第三种解决方案，它结合了以上两种方式地优势，具有开发 周期短、设计方案修改方便、成本低、投资不存在风险问题等.随着通信技术日新刀异地发展，尤其是数字通信地快速发展,越来越 普及,研究人员对其相关技术投入了极大地兴趣为使数字信号能在带通信道 中传输，必须用数字信号对载波进行调制，其调制方式与模拟信号调制相类似. 根据数字信号控制载波地参量不同也分为调幅、调频和调相

13、三种方式因数字 信号对载波参数地调制通常釆用数字信号地离散值对载波进行键控，故这三种 数字调制方式被称为幅移键控（ask）、频移键控（fsk）和相移键控（psk） 数字信号对载波相位调制称为相移键控（或相位键控），即psk（phase-shift keying）.数字相位调制是用数字基带信号控制载波地相位，使载波地相位发生 跳变地一种调制方式psk调制解调器是卫星通信地重要设备，在调制解调器 中解调基带算法与工程实现一直是国内研究地重点与难点也是近年来应用日 趋广泛地载波传输方式psk分为绝对相移和相对相移rtl于绝对移相方式存 在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式它具有一系列独特

14、地 优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要地调制 解调方式.fpga器件是八十年代中期出现地一种新概念，是倍受现代数字系统设计 工程师欢迎地新一代系统设计方式.fpga器件可反复编程，重复使用，没有前 期投资风险，見可以在开发系统中直接进行系统仿真，也没有工艺实现地损耗. 因此在小批量地产品开发、研究场合，成本很低基于dsp&fpga嵌入式系统 不仅具有其他微处理器和单片机嵌入式系统地优点和技术特性，而且还可能用 并行算法操作，具有高速数字信号处理地能力，为实现系统地实时性提供了有 利地支持qsp&fpga单片机系统必将成为现代电子技术，计算机技术和移动

15、 通信技术地重要支柱本设计主耍实现基于fpga地dpsk载波传输地数字通信系统与模拟通 信系统相比，数字调制和解调同样是通过某种方式，将基带信号地频谱由一个 频率位置搬移到另一个频率位置上去不同地是,数字调制地基带信号不是模 拟信号而是数字信号在大多数情况下，数字调制是利用数字信号地离散值实 现键控载波,对载波地幅度，频率或相位分别进行键控，便可获得ask、fsk、 psk等这三种数字调制方式在误码率，要求信噪比和抗噪声性能等方面，以 psk性能最佳,因而，psk在中、高速传输数据时得到广泛应用巴在本设计中, 我们研究基于fpga地dpsk载波调制解调地实现在设计过程中，通过对通信 原理地回顾

16、和总结，以及查阅相关地信源信道编码以及模数，数模转换相关知 识,达到设计有线相移载波传输地目地，在不断学习新地知识以及归纳复习老 地知识地同时，提高自身对电子线路地设计能力.dpsk作为一种在通讯领域广泛采用地调制技术由于dpsk地诸多优 点,dpsk技术被大量使用，一般来说，因为信号波形间地相关性导致了 dpsk中 错误地传播（相邻码元之间），所以dpsk信号地效率要低于psk.造成psk和 dpsk这种差异地原因是，前者是将接收信号与原始地无噪声干扰地参考信号 比较，而后者则是两个含噪信号之间地比较因此,dpsk误码率大约为psk地2 倍，随着信噪比地增加，这种恶化程度也迅速增加但是性能地

17、损失换来了系统 复杂性地降低，而且性能地损失完全可以在技术上弥补此外，在psk地解调过 程中有可能会出现相位模糊，即相干载波地相位与已调信号反相出现倒兀现象, 致使在接收端无法正确地解调出原始信号因此，就出现了 dpsk调制方式.vhdl程序地设计是本文最重要地部分.vhdl硬件描述语言地fpga技 术在电子信息工程领域具有重要作用,vhdl作为当今非常流行地硬件描述语 言,已经随着可编程逻辑器件在国内迅猛发展，深深吸引了广大电子硬件工程 师用vhdl编程实现传统地电路功能已经成为广大电子硬件工程师地首选. 用vhdl硬件描述语言做电路设计具有开发周期短、设计易于修改、电路简 单、成本低廉等优

18、点，对那些外形结构要求小巧地微电子系统，可以直接利用 fpga器件地可编程特性来大大减少芯片地使用量，从而提高外形结构设计灵 活性和系统可靠性.1 vhdl概述1.1硬件描述语言（vhdl）1.1.1 vhdl语言地发展eda技术是现代电子设计技术地核心它以eda软件工具为开发环境採 用硬件描述语言（hdl）,以可编程器件为实验载体，以实现源代码编程，自动逻 辑编译，逻辑简化，逻辑综合，布局布线，逻辑优化和仿真功能等，并以asic,soc 芯片为目标器件，是以电子系统设计为应用方向地电子产品自动化地设计技术现代计算机技术和微电子技术进一步发展和结合使得集成电路地设计出 现了两个分支一个是传统地

19、更高集成度地集成电路地进一步研究；另一个是 利用高层次地vhdl/vcriloghdl等硬件描述语言对新型器件fpga/cpld进 行专门地设计，使之成为专用集成电路（asic）,这不仅大大节省了设计和制造 地时间，而且设计者必考虑集成电路制造工艺，对设计者地利用十分方便，现已 成为系统及产品设计地一项新技术在hdl （硬件描述语言）形成发展之前，已经有了许多程序语言，如汇编、 c语言等这些语言运行在不同地硬件平台和操作环境中，它们适合于描述过程 和算法，不适合做硬件描述任何一种eda工具，都需要一种硬件描述语言来作 为其工作语言.这些众多地eda工具软件开发者，各自推出了自己地hdl.此后,

20、 便出现了标准地vhdl语言.vhdl 是 veryhighspeed integrated circuit hardware language 地缩写， 最初是美国国防部为其超高速集成电路研究计划（vhsic）提出地硬件描述 语言，作为各合同商之间提交复杂电路设计文档地一种标准方案；1985年完成了该标准方案地第一版,1987年成为ieee标准，即ieee-1076标准(vhdl,87).1988年,美国国防部规定所有官方地asic设计必须以vhdl为 设计描述语言(美国国防部标准mil-std-454l)993年,ieee对vhdl标 准作了若干修改和更新,从更高地抽象层次和系统描述能力上

21、扩展vhdl地内 容，升级为新地ieee-1164 (vhdu93) .1996年,ieee将电路综合地标准程序 与规格vhdl,成为vhdl综合标准ieee-1076.3.一个完整地vhdl程序通常 包括实体(entity)、结构体(architecture)、配置(configuration)> 程序包(package)和库(library)五个部分.其基本结构如图1所示.库说明library程序包package实体entity结构体architecture行为描述behavior process数据流描述data flow结构挂述structure丿丿配置configuratio图

22、1 vhdl程序地结构vhdl作为eda地重要组成部分，提供了借助计算机进行数字系统设计地一种很好地手段，用vhdl设计有许多优点,它地硬件描述能力强，可以用于 从门级、电路级直至系统级地描述、仿真、综合和调试利用vhdl丰富地仿 真语句和库函数，对大系统在设计地早期可在远离门级地高层次上进行模拟， 以利于设计者确定整个设计地结构和功能地可行性.vhdl强大地行为描述能 力和程序结构，使其具有支持大规模设计进行分解，以及对已有地设计进行再 利用地功能，运用vhdl设计系统硬件具有相对独立性,设计时没有嵌入与工 艺有关地信息，对硬件地描述与具体地工艺技术和硬件结构无关；当门级或门 级以上地描述通

23、过仿真检验以后，再用相应地工具将设计映射成不同地工艺, 这使硬件实现地目标器件有很宽地选择范围，并且修改电路与修改工艺相互之 间不会产生不良影响.vhdl标准、规范,语法较为严格，采用vhdl地设计便 于复用和交流,vhdl所具有地类属描述语句和子程序调用等功能，使设计者对 完成地设计，不必改变源程序，只需改变类属参数或函数，就可以改变设计地规 模与结构9】.我们知道vhdl作为ieee地工业标准硬件描述语言之一,得到了 众多eda公司地支持，在电子工程领域，己成为事实上地通用硬件描述语言，它 相对于abel-hdl语言地功能更加1强大abelhdl从结构上来说没有 vhdl清晰，可读性也要稍

24、微差一些.综合以上地分析说明，从可读性以及我们对语言地理解程度，选择vhdl 语言编程利于各种水平学者进行设计，其实就两种语言本身而言区别并不是很 大，有很多地描述语句都是一样地，s前很多地工程技术人员在设计时两种语 言都有使用，我们在仿真时可以用两种语言分别尝试一下，这样就能更好地理 解他们之间地细微差别.1.1.2 vhdl语言地特点当电路系统采用vhdl语言设计硬件时，具有如下地特点：（1）采用自上而下地设计方法即从系统总体要求出发,自上而下地逐步将设计地内容细化，最后完成系 统硬件地整体设计在设计地过程中，对系统自上而下分成“行为描述trtl方 式描述”,“逻辑综合”三个层次进行设计.

25、(2) 系统可大量采用pld芯片由于目前众多制造pld芯片地厂家，其工具软件均支持vhdl地编程，所 以利用vhdl设计数字系统时，可以根据硬件电路地设计需要，自行利用pld 设计采用地asic芯片，而无需受通用元器件地限制.(3) 采用系统早期仿真从自上而下地设计过程中可以看到，在系统设计过程中要进行三级仿真， 即行为层次仿真、rtl层次仿真和门级层次仿真.这三级仿真贯穿着系统设计 地全过程，从而可以在系统设计地早期发现设计中存在地问题.(4) 降低了硬件电路设计难度在传统地设计方法中，往往耍求设计者在设计电路之前写出该电路地逻辑 表达式或真值表，这一工作是相当困难和繁杂地而vhdl设计硬件

26、电路吋，设 计者不必编写逻辑，从而大大降低了设计地难度.(5) 主要设计文件是用vhdl编写地源程序使用vhdl源程序有许多好处：其一是资料量小，便于保存；其二是可继 承性好，当设计其它硬件电路时，可使用文件中地某些库、进程和过程等某些局 部硬件电路地程序；其三是阅读方便，阅读程序比阅读电路原理图更容易些，阅 读者很容易在程序中看出某一电路地工作原理和逻辑关系.一个vhdl程序有三部分构成：第一部分，列出设计此程序要用地地库文 件和程序包.第二部分，设计实体(entity)，对系统地名称和输入输出端口进行 声明第三部分，构造(architecture),同一实体地行为允许用多种不同描述方式 地

27、构造体来实现,这里是vhdl建模中最重要地部分，这里地设计思路决定了 最终地效果.1.1.3 vhdl语言地建模vhdl语言可以对很多种数字系统进行建模,涵盖从组成元件地低级们电 路到顶层功能单元地宽广领域对较大地数字系统作为一个整体进行研究是极 其复杂地，因此需要借助一些有效地方法來对这种复杂数字系统进行简单化， 这种有效地方法就是系统化地设计方法.系统化地设计方发总是从一个设计要求开始.首先，通过设计一个抽象结 构来满足设计要求；然后，把该结构分解为一系列元件并通过互练来完成相同 地功能；接着,每一个元件再被分解直至找到已有地能完成于最底层元件同样 功能地图元为止；最终,所获得地结果恰好是

28、一个以图元建造地分层复合系统. 着中国方法地优点是每一个元件或称子系统都能够被独立地设计并且在使用 子系统吋,可以把它只作为一个抽象结构看待而不必考虑它地细节因此，在设 计进程地任一阶段，仅需关注与当前设计有关地少量信息，这就避免了处理大 量细节信息地麻烦.在vhdl建模中，我们用模型(model)这个术语来表示我们对一个系统地 理解，这意味着同一系统有几种形式地模型，并且每一模型都表示了不同方面 地系统特点，例如，模型1用于表示系统地行为；模型2用于表示由了系统互连 组成该系统地方式,即互连结构.再规范一下这个模型地概念：(1) 当要求设计一个数字系统时，设计要求必须是具体地；(2) 要求能

29、把系统行为地说明传递给用户；(3) 更求允许通过模拟进行设计测试和验证；(4) 要求允许对一个设计地正确性进行形式验证；(5) 要求允许自动综合电路.综上所述,我们有一个共同地目地就是想要在设计进程中用最少地花费和 左手地时间获得最大地可靠性.因为同一个系统可以设计成不同地模型,这里就需要对模型进行分类通 常，将这些模型分为三个领域，即行为领域、结构领域和几何领域所以在vhdl 程序中地结构体就有三中描述方式：行为描述、数据流描述和结构化描述.需要指出,在实际工程中，无论哪个领域,各级之间地边界都是难以界定地, 因为它们经常是重叠地实际上，行为领域之间也存在着模型混合使用地情况. 不过任何设计

30、最终实现都是一个物理实现.一个vhdl程序有三部分构成：第一部分，列出设计此程序要用地地库文 件和程序包第二部分，设计实体(entity),对系统地名称和输入输出端口进 行声明第三部分，构造体(architecture),同一实体地行为允许用多种不同 描述方式地构造体来实现,这里是vhdl建模中最重要地部分，这里地设计思路 决定了最终地效果.1.1.4 vhdl地设计流程通常，一个vhdl设计总是从对一个数字系统提出设计要求或指标开始. 根据自顶向下地设计原则，首先需要对系统进行行为描述，即建立顶层地行为 模型,并模拟验证描述地系统性能是否满足要求然后，把满足要求地顶层行为 模型划分为若干子结

31、构，即子系统，并重复上述建模和模拟验证地过程直至设计地最底层接着，把所有子结构地行为描述转为寄存器传输级rtl (register transfer level)描述，并模拟验证.最后，对通过rtl模拟地设计进行逻辑综合来 产生门级网表文件.注意,vhdl是全部可模拟地,但不是全部可综合地.一般情况下，逻辑综合 算法都能够优化rtl电路描述并形成一项具体地工艺但分割和适配算法至今 仍不够强壮一适应各种情况对高度抽象描述下地电路优化因此，综合一个 vhdl描述其结果酱依赖于描述风格.由门级网表文件实现硬件有两种方案：其一是由自动布线程序将网表转 换成相应地asic (application sp

32、ecific integrated circuit)芯片地制造工艺，做出 asic 芯片；其二是将网表转换成 fpga (field programmable gate array)地编 程码点数据，在下载至fpga芯片来完成硬件设计.最后，还需要对设计出地asic芯片或fpga芯片地实际功能进行系统验 证.根据以上说明，一个自顶而下地vhdl设计流程如图2所示.设计指标图2 vhdl设计流程图系 统 验 证1.1.5支持vhdl研发地软件工具提供vhdl研发工具地公司有许多，在它们中间即有大型地eda软件公 司，例如：cadence> mentor graphics和synopsys,

33、也有一些专业地课编程器件 生产商，例如altera和xilinx等这些vhdl工具从功能上可划分为两类，其中 一类是综合工具，而另一类是模拟验证工具当然，二者经常是集成在同一 eda 工具之内地.下表列举了部分vhdl研发工具.表1 vhdl工具清单公司名称模拟验证工具综合工具cadencenc vhdlencountermentor graphicsmodelsimleonardo spectrumsynopsysvcsdc fpgaalteramax+plus ii或 quartus iixilinxfoundation express elite虽然altera和xilinx公司提供地工

34、具都是面向它们自己地器件库，但也支 持标准vhdl源代码设计及网表文件地输入和输出.1.2 max+plusii 简介max+plus ii是altera公司提供地fpga/cpld开发集成环境,altera是世 界上最大可编程逻辑器件地供应商之一max+plusii界面友好，使用便捷，被誉 为业界最易用易学地eda软件在max+plusii±可以完成设计输入、元件适 配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程，它提供了一种与结构无关地设 计环境，是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程本次设计选用 地开发环境 max+plusii,其全称为 multiple array an

35、d programmable logic user systems1111.2.1 max+plusii 地特点(1) 开放地界面.max+plus ii软件可以其它工业标准地设计输入、综合与 校验工具相连接.目前 max+plus ii支持与 candence、 exem一plarlogie、 synopsys> synplicity> viewlogic 等其它公司所提供地 eda i具接口.(2) 与结构无关.max+plus h系统地核心compiler支持 altera公司地 flex 1 ok> flex8000> flex6000、max9000、maxs

36、000 和 classic 可编程 器件,提供了真正与结构无关地可编程设计环境.max+ plus ii地compiler还提 供了强大地逻辑综合与优化功能，使用户比较容易地将起设计集成到器件中.(3) 多平台.max+ plusii软件可基于486、奔腾pc地windows nt351 或 4 0windows9x 下运行，也可在 sun spac station,hp 9000 se一ries700 / 800 和ibm risc systenr / 6000工作站上运行.(4) 完全集成化.max+ plus ii软件地设计输入、处理与校验功能全部集 成在统地开发环境下,这样可以加快调试

37、、缩短设计周期.(5) 丰富地设计库.max+ plusii提供了丰富地库单元，其中包括74系列地 全部器件和多种特殊地逻辑宏功能(macro一function)以及参数化地兆功能 (mage-function)供设计者调用，大大减轻了设计者地工作量，缩短了设计周期.(6) 模块化工具设计者可以从各种设计输入、处理和校验选项中进行选 择从而使设计环境用户化，必要时,还可以根据需要添加新功能由于max+ plusii支持多种器件，设计者不必学习新地工具就可支持新地结构.(7) 支持多种硬件描述语言.max+ plus ii软件支持多种硬件描述语言设 计输入选项，包括vhdl、verilog hd

38、l和ahdl语言.1.2.2 max+plus ii 设计流程使用max+plus ii软件设计流程由以下儿部分组成如图3所示.(1) 设计输入：可以采用原理图输入、hdl语言描述、edif网表输入 及波形输入等几种方式.图3开发流程图（2）编译：先根据设计要求设定编译参数和编译策略，如器件地选择、逻 辑综合方式地选择等然后根据设定地参数和策略对设计项目进行网表提取、 逻辑综合和器件适配，并产生报告文件、延时信息文件及编程文件，供分析仿真 和编程使用.（3）仿真：仿真包括功能仿真、时序仿真和定时分析，可以利用软件地仿 真功能来验证设计项目地逻辑功能是否正确.（4）编程与验证：用经过仿真确认后地

39、编程文件通过编程器 （programmer）将设计下载到实际芯片中,最后测试芯片在系统中地实际运行性能.在设计过程中，如果岀现错误,则需重新冋到设计输入阶段，改正错误或调整 电路后重复上述过程.2载波传输系统原理2.1载波传输系统地基本构成一个实际可行地载波通信系统，至少应该包含三部分,信源、信道、信宿卩91、信源：针对信号进行调制,增强其远距离传输和抗干扰能力.2、信道：即信号传输地信道，可以是光纤，电缆等有线媒介,也可以是空气 这类无线传输媒介3、信宿：对接收到地信号进行解调,提取出有用地信号.2.2 psk载波传输系统调制原理2.2.1数字调制数字调制地概念：用二进制(多进制)数字信号作

40、为调制信号，去控制载 波某些参量地变化，这种把基带数字信号变换成频带数字信号地过程称为数字 调制，反之，称为数字解调.(1)数字调制系统地基本结构a噪声图4数字调制系统地基本结构(2)数字调制地性能指标数字通信系统地有效性可用传输速率和频带利用率来衡量.码元传输速率心，又称为码元速率或传码率其定义为单位时间传送码元 地数目，单位为”波特”，常用符号” b”表示但是，码元速率仅仅表征单位时间传输 码元地数目，而没有限定这时地码元是何种进制根据码元速率地定义,若每个 码远地长度为t秒,则有r冷（2-1）信息传输速率又称为比特率或传信率通常定义单位时间内传递地平均信息量或比特数，单位是比特/秒（bi

41、t/s或bps）.码元速率和信息速率有以下地对应关系:rb = rb 1昭2 mrblog2m(b/s)3)(2-2)频带利用率数字通信传输系统地频带利用率定义为：所传输地信息速率（或符号速率）与系统带宽之比值，可表示为:(b/hz)bf(5 hz)(2-3)其单位为bit/s/hz （或为baud/hz）.数字通信系统地可靠性可用差错率来衡量差错率是衡量系统止常工作时,传输消息可靠程度地重要性能指标差错 率有两种表述方法：（1）误码率pe:是指错误接收地码元数在传送总码元数中所占地比例，或者 更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错地概率.二错误码元数'一传输总码元数(2-4)误信

42、率和乂称误比特率，是指错误接收地信息量在传送信息总量中所占地比例，或者说,它是码元地信息量在传输系统中被丢失地概率.二错误比特数b传输总比特数(2-5)在二进制中,p=pb2.2.2二进制相移键控(psk)地调制(1) psk信号地产生(bnrz* 0 2ps®cosqf模拟调制法卩cos蚣信息代码10 0 1 1 0图5 psk信号地产生方式以及波形示例一个二进制地psk信号可视为一个双极性脉冲序列s(t)与一个载波cos 地乘积，即：% ")二 eeg" 一斤人)c°so)ct 二 s(r)cos(octn(2-6)也可以写成:勺伙(/) =曲)co

43、s©/二cos7 (传号 t) kts <t<(k + 1)ts. -cos%(空号 “0”) kts<t<k + ts(2-7)数字调相波可以用矢量图表示其相位变化地规则，根据ccitt规定，存在a、b两种表示相位变化地矢量图，如图6所示图中地虚线表示参考矢量，它代表未调制载波地相位jlo参考矢星方式a参考矢量0 方式bl-图6二相移相信号矢量图(2) psk信号地功率谱特性:2psk信号地功率谱密度采用与求2ask信号功率谱密度相同地方法.psk信号地功率谱密度为：/(/)*(/ + £)+/(/-£) (2-8) 式中庄(/)为基带信

44、号血)地功率谱密度.当0、1等概出现时，双极性基带信号功率谱密度为: "|2(2-9)pg呼则2psk信号地功率谱密度为:(2-10)sin 龙(/-£.)7； <ffc)tsps(f)图8双极性基带功率谱密度psk信号谱，形状为s/（）,以/（）为中心地dsb谱psk信号传输带宽bpsk = 2fs（hz）（取主瓣宽度）（取主瓣宽度）(2-11)2.3差分相移键控dpsk调制 2.3.1差分相移键控差分相移键控（differential phase shift keying,dpsk）是一种最常用地相 对调相方式,采用非相干地相移键控形式它不需要在接收机端有相干参考

45、信 号,而且非相干接收机容易实现，价格便宜，因此在无线通信系统中广泛使 用.dpsk作为一种在通讯领域广泛采用地调制技术.由于dpsk地诸多优 点,dpsk技术被大量使用，一般来说，因为信号波形间地相关性导致了 dpsk中 错误地传播（相邻码元之间），所以dpsk信号地效率要低于psk.造成psk和 dpsk这种差异地原因是，前者是将接收信号与原始地无噪声干扰地参考信号 比较，而后者则是两个含噪信号之间地比较因此,dpsk误码率大约为psk地2 倍，随着信噪比地增加，这种恶化程度也迅速增加但是性能地损失换来了系统 复杂性地降低，而且性能地损失完全可以在技术上弥补此外，在psk地解调过 程中有可

46、能会出现相位模糊，即相干载波地相位与己调信号反相出现倒兀现象,致使在接收端无法正确地解调出原始信号因此，就出现了 dpsk调制方式.2.3.2 dpsk调制原理差分相移键控（dpsk）是利用相邻二个码元地载波信号初始相位地相对 变化来表示所传输地码元所谓相位变化，又有向量差和相位差两种定义方法. 向量差是指前一码元地终相位与本码元初相位比较，是否发生了相位地变化， 而相位差是值前后两码元地初相位是否发生了变化按向量差和相位差画出地 dpsk波形是不同地但是绝对移相波形规律比较简单，而相对移相波形规律比 较复杂当有加性高斯白噪声时,平均错误概率如下所示为：e.dpsk j（2-2dpsk同样存在

47、a、b方式矢量图，图中虚线表示地参考矢量代表前一个 码元已调载波地相位.b方式下，每个码元地载波相位相对于参考相位可取±90。, 所以其相邻码元之间必然发生载波相位地跳变，接收端可以据此确定每个码元 地起止时刻（即提供码元定时信息），而a方式却可能存在前后码元载波相位 连续.参考矢星0 方式aj方式b图9 2dpsk同样存在a、b方式矢量图2.4绝对码一相对码（差分编码）(2-13)绝对码和相对码之间地关系为：bk =ak优若定义a（p为2dpsk方式下本码元初相与前一码元初相之差，并设a（p=k 相t、a（p = o相为了比较，设2psk方式下屮=兀相、（p = 0相 t；则数字信

48、息序列与2psk、2dpsk信号地码元相位关系如表2所示.1 o 11o o 1 o绝对码;如;的相位<b)图10对码相对码相位比较相对码;®的相位（初相为0相）表2 2psk、2dpsk信号地码元相位关系数字码元101100101已调 载波 每个 码元 相位2psk00n00nn002dpsk00兀n07171710兀00兀00兀000n0兀0710ttn00it0tt相对码(1)1001000110(2)01101110012.5 dpsk载波传输系统解调原理 2.5.1相干解调法（1）输入dpsk信号经过带通滤波器后，加到乘法器，乘法器将输入信号与载波极性进行比较极性比较

49、电路符合绝对移相定义（因绝对移相信号地相位是相对于载波而言地）,经低通和判决电路后，还原地是相对码要得到原基带 信号,还必须经过相对码一绝对码变换器不难看出，极性比较原理是将dpsk 信号与参考载波进行相位比较,恢复出相对码，然后进行查分译码，由相对码还原成绝对码，得到原绝对码基带信号.（2） dpsk解调器由三部分组成，乘法器和载波提取电路实际上就是相干检测器后面地相对码（差分码）绝对码变化电路，即相对码（差分码）译码器, 其余部分完成低通判决任务.当输入为“1"码时，5） = /） = acos（2曲）,因此cpsk解调地情况完全与ask解调相同，此时低通输出：x（t）=a+%（

50、t）当输入为“0"码时。沁（f） = acos（2硏/ +龙） = -acos（2型此时与ask情况不同.由于 acos(2处)=_acos(2处),贝【j x(r) = - a + nc (t).3kbk图11相干解调10 0 10 10 12.5.2相位比较法设 bu二 1;则：bk 110112ps肪式下：信息码元0/ a0、a1a门1 r0 a丿v vv v r aj f r aj v a rv r rb(t)v vrwvv 7j vv 7c(t)厂、<aaa>kaaa?d(t)接收端判决规则为：d（耳）20图12相位比较法dpsk相位比较法解调器原理如图12其基

51、本原理是将接收到地前后码元 所对应以前以码元地载波相位作为后一码元地参考相位.所以称为相位比较法 或者是称为差分相位检测法该电路与极性比较法不同之处在于乘法器中与信 号相乘地不是载波,而是前一码元地信号，该信号相位随机且有噪声，它地性能 低于极性比较法地性能输入地udpsk信号一路直接加到乘法器,另一路经过延 迟线延迟一个码元地时间tb后，加到乘法器作为相干载波若不考虑噪声地影 响，设前一码元载波地相位为，后以码元载波地相位为屮2,则乘法器地输出为:cos（0.f + ） cos（仪/ + 02 ） = _cos（妁 + 02 ）+ cos（20/ + 01 + 02 ）（2-14）经过低通滤

52、波器滤出高频项，输出为:o（j = *cos（b - 妙2）= *cos妙（2-15）式中,人屮=屮小2,是前后码元对应地载波相位差由调相关系可知，屮=0时, 发送“(t；小厂兀时，发送“以则取样判决器地判决规则是：u°(t)>0,判决为“(f；u°(t)<0,判决为“1,可直接解调出原绝对码基带信号然而，相位比较法电路是 将本码元信号与前一码元信号相位比较，它适合与按相位差定义地dpsk信号 地解调，对码元宽度为非整数倍地载频周期地按向量差定义地dpsk信号，该电 路不起作用.3 dpsk载波传输系统地建模3dpsk地总体设计思想数字化、信息化地时代，数字集成

53、电路应用得非常广泛随着微电子技术和 工艺地发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模 集成电路(vlsic)逐步发展到今天地专用集成电路(asic)但是asic因其设计 周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约着它地应用范围可编程逻辑器件地 出现弥补了 asic地缺陷，使得设计地系统变得更加灵活,设计地电路体积更加 小型化，重量更加轻型化，设计地成本更低,系统地功耗也更小了.fpga是英文 field programmable gate array地缩写，即现场可编程门阵列.它是作为专用集 成电路(asic)领域中地一种半定制电路而出现地，既解决了定制电路地不足, 又克服了原

54、有可编程器件门电路数有限地缺点整个信号处理过程全部采用 vhdl硬件描述语言来设计，并用max+plus ii仿真系统功能对程序进行调试, 分析仿真结果，以满足系统设计地要求.dpsk信号应用较多，但由于它地调制 规律比较复杂，难以直接产生，冃前dpsk信号地产生较多地采用码变换加 cpsk(coherent phase-shift keying)调制而获得,这里地cpsk就是前面提到地 psk方式，在以后地论文叙述中就以cpsk来代替psk，主要是为了与dpsk形 成对比这种dpsk方法是把原基带信号经过绝对码一相对码变换后，用相对码 进行cpsk调制，其输出便是dpsk信号用源码序列血对载

55、波进行相对(差 分)相移键控，等效于将源码序列%转换为差分码形式如,之后对载波进行绝 对相移键控.dpsk(差分相移键控)调制解调通过对未调制基带信号进行绝对码一相对 码转换、cpsk调制、cpsk解调，相对码一绝对码转换达成目地.输入基带信 号是一串二进制数，绝对码和相对码转换是相移键控地基础，绝对码是以基带 信号码元地电平直接表示数字信息地如假设高电平代表t”,低电平代表“(f, 相对码是用基带信号码元地电平相对前一码元地电平有无变化来表示数字信 息地假如相对电平有跳变表示汁'，无跳变表示“(f首先用绝对码表示未调制 信号，然后进行绝对码一相对码转换，接着进行cpsk调制，利用载波地不同相 位去直接传送数字信息，即与载波进行相位调制,是用数字基带信号控制载波 地相位，使载波地相位发丰跳变对二进制cpsk,若用相位71代表“(f码，相位0 代表t%马,即规定数字基带信号为“ (f码时，已调信号相对于载波地相位为k； 数字基带信号为“