分类号密级U D C基于FPGA的全数字调制解调技术的研究艾砾导师姓名(职称)卜祥元（高工）答辩委员会主席 李鸿屺（教授） 申请学科门类工学论文答辩日期 2005年2月28日 申请学位专业通信与信息系统摘要软件无线电是上世纪末新兴的一门学科，它突破了传统的无线电台以硬件为核心的功能单一、可扩展性差的设计局限性，强调以可编程的硬件作为通用平台，尽量地用可升级、可重配置的软件来实现各种无线电功能的设计新思路。
软件无线电的设计思想是将宽带A/D和D/A的变换尽可能地靠近天线，通过对数字化后的信号采用数字信号处理(DSP)技术，在可编程控制的硬件平台上，利用软件来实现无线电台的各部分功能。
由于软件无线电对硬件的依赖程度很小，具有高度的开放性、灵活性和可编程性，使得通信系统的开发将重点放在软件的研究上，因此可以很好的解决通信系统间的通信标准不同的问题，极大缩短通信系统开发的时间和成本。
本文研究了一种基于软件无线电技术的数字发送和接收系统，根据实际需要在FPGA和通用DSP相结合的软件无线电平台上实现AM,FM,PSK等调制解调方式。
在具体实现方面，结合FPGA的特点进行设计。
主要对调制解调算法，成型滤波，锁相环实现载波同步、位同步等各部分进行了详细介绍，整个部分可通过配置参数解调不同的调制信号，具有很强的通用性。
关键词：软件无线电、解调、数字锁相环、FPGAABSTRACTSoftware radio is a new technology which promising in the end of last center. It is very different from those old transmitter-receivers, which tie to hardware and their function was limited. The software radio is based on programmable hardware, all functions realized by software, when you want to update you software, you will find the programmable hardware can be easy reconfigured. The thought way of software radio is to let the A/D and D/A change as near as possible, then realize al kinds of functions by using digital signal processing technology, thus, we can pay more attention to the function of the radio. The problem of different communication protocol between different communication systems will be resolved easy. The research period and cost will be reduced greatly.The thesis is based on the research of digitalized sender and receiver system of software radio. The main responsibility of this thesis is to realize AM、FM、PSK modulation and demodulation on the software radio platform based on DSP and FPGA. According to the characteristics of FPGA, it provides detailed explanations on the carrier synchronization, bit synchronization and other related parts of DPLL, the arithmetic of modulation and demodulation, and match filter. This method may realize demodulation different modulated signals by means of configuring parameters, which has universal application for engineering design.Keyword: Software Radio、demodulation、DPLL、FPGA目录摘要 (1)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.1.1 软件无线电简介 (1)1.1.2 软件无线电实现关键技术 (2)1.2课题背景与研究现状 (3)1.2.1 FPGA背景知识 (3)1.2.2 数字调制解调背景知识 (4)1.2.3历史及现状 (4)1.3本文研究的主要内容 (5)1.4 本课题的研究意义及主要工作 (6)1.5本论文的结构 (6)第二章调制解调算法原理 (8)2.1 模拟调制解调的数字实现 (9)2.1.1 AM调制解调 (9)2.1.2 FM调制解调 (10)2.2 MPSK调制解调算法 (12)2.2.1 MPSK调制算法[1] (12)2.2.2 MPSK解调算法 (14)2.2.3 MPSK调制解调结构 (17)2.3 成型滤波实现 (18)2.3.1 成型滤波器原理 (18)2.3.2 码间串扰量的分析 (19)2.3.3 成型滤波器实现 (20)2.4 锁相环理论实现[4] (21)2.4.1 锁相环结构 (22)2.4.2 锁相环参数分析 (22)第三章数字调制解调的算法实现 (26)3.1 调制解调的整体设计 (26)3.1.1 整体结构优化 (26)3.1.2 控制寄存器与接口定义 (30)3.2 载波同步环路实现 (31)3.2.1 载波相位差错检测（鉴相） (31)3.2.2 载波环路滤波 (33)3.3 符号同步环路实现 (34)3.3.1 定时偏差检测器 (34)3.3.2 环路滤波与重采样 (35)3.4 自动增益控制（AGC）环路实现 (36)3.5 锁定检测控制实现 (38)第四章基于FPGA实现的优化设计 (40)4.1 利用CORDIC计算特殊函数 (41)4.1.1 CORDIC算法原理 (42)4.1.2 CORDIC实现混频 (43)4.1.3 CORDIC实现直角坐标到极坐标转换 (45)4.2 滤波器的设计实现 (46)4.2.1 FIR滤波器的基本设计 (46)4.2.2 分布算术式FIR滤波器 (49)第五章系统的调试及性能指标分析 (54)5.1 系统硬件结构 (54)5.2 系统调试 (56)5.3 调制解调性能测试 (59)第六章结束语 (63)致谢 (64)附录一调制解调电路板实物图 (65)附录二程序模块清单 (66)参考文献 (67)第一章绪论1.1引言为了使信号便于在带通信道中传输，必须对信号进行调制解调。
传统的数字调制解调技术已经相当成熟，但是传统的数字调制解调中上变频、滤波器、下变频、锁相环等高速器件大多用模拟器件实现。
这给后继的数字信号处理带来了很大的制约性，严重影响了数字通信的精确性，像并行多通道处理就更加困难了。
随着软件无线电技术快速发展的条件下，数字信号处理芯片的处理能力的不断提高，全数字的调制解调才逐渐浮出水面。
全数字调制解调与传统的解调相比，具有频率分辨率高、相位噪声小、稳定度高、易于调整及控制灵活等特点，随着软件无线电技术的发展，全数字调制解调实现了多种调制方式和多通道解调，本文正是采用软件无线电技术，研究基于FPGA的多种调制方式全数字调制解调技术的实现。
1.1.1 软件无线电简介软件无线电(Software Radio)是二十世纪末提出的一种新的设计思想，其完整的概念和结构体系是由美国MITRE公司的科学家Joseph Mitola 于1992年5月在国家远程系统会议（National Telesystems Conference）上明确提出[3]。
以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的软件无线电又称为软件可定义的无线电（Soft-Defined Radio），它突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性，强调以可编程的硬件作为通用平台，尽量地用可升级、可重配置的软件来实现各种无线电功能的设计新思路。
软件无线电的设计思想是将宽带A/D和D/A的变换尽可能地靠近天线，对数字化后的信号采用数字信号处理(DSP)技术，在可编程控制的硬件平台上，利用软件来实现无线电台的各部分功能，即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全由软件编程来实现。
由于软件无线电对硬件的依赖程度很小，具有高度的开放性、灵活性和可编程性，使得通信系统的开发将重点放在软件的研究上，因此可以很好的解决通信系统的标准问题，极大缩短通信系统开发的时间和成本，这也正是软件无线电与各种通信系统越来越紧密结合的重要原因。
它已经成为继固定通信到移动通信之后的无线通信领域的又一突破。
理想的软件无线电结构如下图所示，应该在天线之后就进行数字化，并使所有的过程软件化和可编程化，如图1.1。
声音图象数据传真图 1.1 理想软件无线电电台基本结构框图显然，理想的软件无线电台是对天线接收的模拟信号经过放大后直接采样，实现完全的可编程性，其后所有的信号处理包括下变频、带通滤波、载波提取、I/Q解调、低通滤波、位同步提取、信道编解码、信源编解码、加密解密等全部由ADC变换器之后的可编程芯片处理，可见理想的软件无线电台可以实现完全的可编程性，因此可以实现通信中的各种调制方式。
1.1.2 软件无线电实现关键技术实现软件无线电的关键技术主要有：射频天线、宽带ADC转换、高速数字信号处理和高性能的总线结构等方面。
z软件无线电的射频段应具备接入多个波段甚至覆盖全波段的功能，它具有频率高、带宽宽的两大特点。
我们可以采用多频段组合式天线和智能天线来实现。
多频段组合式天线是在全频段甚至每个频段使用几付天线组合起来以形成宽带天线。
智能天线的思想是：天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个用户，窄波束对准期望用户，波瓣零点对准期望信号以外的干扰信号，以达到信干比最大。