1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 DSP Builder 的单边带调制解调系统设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 目前通信频道拥挤的问题日益突出，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极大地受到 了人们的重视。本文研究的单边带调制解调技术就是目前应用比较广泛并具有占用较窄频带特点的一种通信方法。 单边带调制解调技术 （ Single-sideband modulation and demodulation）是一种调幅技术 ，该技术 可以更加有效的利用电能和带宽。 普通 调幅技术输出的调制信号带宽为源信
2、号的两倍 ，而 单边带调制技术 只利用其中一个边带进行通信，不仅适应了信道传输还改善了通信系统的性能，而且避免了不必要的发射功率。SSB 调制解调既可以用模拟方法实现，也可以转换成数字方法实现，主要方法有 3 种：经典滤波器 (Filter)方法、 Weaver 算法和 Hartley 算法。 综合比较三种方法 ， Filter 方法 是最简单、最经典的 方 法 。在许多场合中，该方法利用频分复用 （ FDM） 原理，可以应用于多级系统设计，降低了带通滤波器的要求和载波信号的复杂性。 而 Weaver 和 Hartley 方 法比较复杂， 需要操作的 步骤多 ， 且某些 步骤对信号波形 要求较
3、高 。总的来说单级系统设计采用Filter 方法最合适，多级系统设计采用 Weaver 方法 或 Hartley 方法较为合适。 本设计根据 Filter 方法 的调制解调原理，提出了基于 Altera 公司 的 DSP Builder 开发平台的单边带调制解调技术。结合 MATLAB 和 QuartusII 软件， 设计、实现并验证了调制解调功能。首先，利用 MATLAB/SIMULINK 设计了符合要求的低通和带通滤波器。然后在 DSP Builder 中进行 Filter 法的建模，并 对调制解调功能进行验证。最后，对正确的模型进行编译、综合和适配，转换成Quartus II 下 的目标
4、文件，对该目标文件进行最终的行为级仿真，以再次验证设计的正确性。该目标文件亦可直接下载至目标板，实现其功能。 论文以语音信号为例， 选择了 20KHz的调制信号以及 160KHz的载波信号。相应地设计了 20KHz 的 FIR 低通滤波器和 140 160KHz 的 FIR 带通滤波器。论文还记录和整理了在设计与调试中出现的问题，并给出笔者的分析。 关键词： 调制解调 ;滤波器 ;SSB; Filter; Weaver; Hartley - 2 - Abstract In recent years,radio technology rapid development and various c
5、ommunication equipment constantly on the market . The problem of communication channel crowded has become more and mpre serious. So the communication technology that occupied relatively narrow band or in the same frequency can accommodate more users greatly affected by the peoples attention. This pa
6、per told by single side band modulation and demodulation technology is a communication method that widely used in these days and advantage in occupied a narrow band. Single-sideband modulation and demodulation is an amplitude modulated technology. The technology can be more efficient use of electric
7、ity and bandwidth. The modulated signal bandwidth by the output of Ordinary amplitude modulated technology is twice of source signals, but the single modulation and demodulation technology just using only one sideband for communication. not only adapt to the channel transmission but also improved co
8、mmunication system performance, avoiding unnecessary transmission power. SSB modulation and demodulation either by simulation method , also can be converted to digital method for realization, It has three methods: Filter algorithm, Weaver algorithm, Hartley algorithm. Three methods compared, the Fil
9、ter algorithm is the simplest and most classic algorithm, On many occasions, the method using frequency division multiplexing (FDM) principle also can be used in multi-stage system design, reduced the demands of band-pass filter and the complexity of the carrier signal. While Weaver and Hartley algo
10、rithms are relatively complicated, need more operation steps and some steps for signal waveform has higher requirements. Overall the Filter algorithm is the most appropriate for single grade system design, Weaver and Hartley algorithms are more appropriate for Multi-level system design. This design
11、according to the modulation and demodulation principle of Filter algorithms. using DSP Builder development platform of Altera company and combined with MATLAB and QuartusII software, design, realization and verified - 3 - the function of modulation and demodulation. First, used MATLAB/SIMULINK desig
12、ned slow pass and bandpass filter which meet the requirement. Second, modeling by the Filter method in DSP Builder.Finally, the correct model is compiled, comprehensived and adapted, convert to targets files under Quartus II, On the target file for final behavior level simulation, to verify correctn
13、ess of the design again. The target file may also directly download to hardware to realize its function. In speech signal for example. we chose 20KHZ modulated signal and 160KHZ carrier signal, correspondingly designed 20KHZ of FIR low-pass filter and 140-160KHZ of FIR band-pass filters. This paper
14、also record and sort the problems in designing and debugging, and give out the authors analysis. Key word: modulation and demodulation ; filter;SSB; Filter; Weaver; Hartley - 4 - 目 录 1引言 . - 2 - 1.1 课题背景和意义 . - 2 - 1.2 论文的内容与组织结构 . - 3 - 2 DSP Builder 概述 . - 4 - 2.1 DSP Builder 平台综述 . - 4 - 2.2 DSP
15、Builder 设计流程 . - 4 - 3 SSB 调制解调技术概述 . - 7 - 3.1 SSB 调制解调技术 . - 7 - 3.2 SSB 调制解调实现方案 . - 7 - 3.2.1 SSB 调制解调的种类 . - 7 - 3.2.2 各种 SSB 调制解调系统的原理 . - 8 - 3.2.3 各种设计方案特点 . - 11 - 4基于 DSP Builder 的单边带调制解调系统设计 . - 13 - 4.1 基于 FPGA 的设计流程 . - 13 - 4.2 基于 DSP Builder 的 SSB 调制解调设计 . - 14 - 4.2.1 Filter 方法模块设计 .
16、 - 14 - 4.2.2 FIR 低通滤波器的设计 . - 16 - 4.2.3 FIR 带通滤波器的设计 . - 19 - 4.2.4 SSB 系统的 QUATRUS II 实现 . - 21 - 5 系统仿真与调试 . - 22 - 5.1 Filter 算法模块的 Simulink 模型仿真 . - 22 - 5.2 转化成 VHDL 语言并综合 . - 27 - 5.3 相关问题及误差分析 . - 30 - 6设计总结 . - 31 - 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . - 32 - - - 2 - - 1 引言 1.1 课题背景和意义 调制和解调是现代通信系统中必不可
17、少的内容和手段 。通常在通信系统的发送端需要有一个载波来运载基带信号，把载波变换成一个载有信息的已调信号这一过程称为载波调制。反之在通信系统接收端从已调信号中将基带信 号取出来，这一过程称作解调。调制解调技术 在 军用和民用方面 都 得到了 广泛的应用。 因此，从理论设计到工程应用对信号的调制解调进行深入研究，都有着积极的意义。 单边带调制技术是指 将消息的频谱从基带 搬 移到一个较高的频率上，而且在平移后的信号 频谱内原有频率分量的相对关系保持不变 的调制技术 1。单边带 (SSB)调制也可看作是调幅 (AM)的一种特殊形式。调幅信号频谱由载频 fc 和上、下边带组成，被传输的消息包含在两个
18、边带中，而且每一边带包含有完整的被传输的消息。因此，只要发送单边带信号，就能不失真地传输消息。显然，把调幅信 号频谱中的载频和其中一个边带抑制掉后，余下的就是单边带信号的频谱。 所以单边带 调制解调技 术 不仅节省了功率，而且大大减小了 频带 间的干扰 ，目前在 载波电话、微波多路传输和地空的 电话通信中 都有着广泛应用， 并且已使用在卫星至地面的信道和移动通信系统中 。 单边带 调 制的另 个 意义 是便于多路复用。通常的调幅制通信中只能传送一路话， 而 单边带通信 在上下边带载有相同的两路完整信息，这样就可以 在 个边带话路上传送两路或多路无线电报。 自 19世纪发展无线电通信以来，通信技
19、术迅猛发展，特别是在 20世纪 50 年代以后发展更为迅速。信息技术已 成为当今社会发展最迅速、影响最广泛的科学技术之一。计算机和互联网的发展与应用正在改变着人类工作和生活的方式，调制解调技术在无线电以及通信理论中都居于核心地位，本课题基于 DSP Builder 平台结合 MATLAB 和 QuartusII 软件 2，对单边带调制解调技术进行研究，具有较高的实际应用价值。 - - 3 - - 1.2 论文的内容与组织结构 围绕课题，论文主要做了以下工作： 1.了解 MATLAB 的基本操作，熟悉 DSP Builder 平台，熟悉基于 DSP Builder的一般设计流程； 2. 熟悉 Q
20、uartus II 软件的环 境 ，掌握如何使用 QuartusII软件进行综合、仿真、适配、编程； 3.查阅关于滤波器设计的书籍和文献资料，熟悉滤波器的工作原理及各种滤波器的特点与性能。熟悉数字滤波器的一般实现方法。综合比较各种方法，为避免繁琐的代码编写 , 选择基于 MATLAB/SIMULINK 的设计方法。根据实际指标 ,设计 FIR 低通和 FIR 带通滤波器，观察仿真波形，分析验证其正确性； 4.查阅有关调制解调技术的文献资料，熟悉掌握调制解调工作原理以及各种调制解调技术的特点及性能。熟悉 经典滤波器 (Filter)方法、 Weaver 算法和 Hartley算法三种典型的实现技
21、术。结合笔者的专业知识，选择经典滤波器 (Filter)方法进行本课题的设计。 5.在 DSP Builder 中进行 SSB 调制解调系统的设计与建模，并进行仿真，验证设计的正确性。对正确的模型进行编译、综合和适配，生成 Quartus II 下的目标文件，进行最终的行为级仿真。该目标文件亦可下载至目标板，直接实现 SSB 功能。 6.论文还对设计与仿真调试过程中出现的问题进行整理分析。 本文一共有六章，第一章为引言，简述了本课题的相关背景和论文的组织结构；第二章介绍了 DSP Builder 平台 和基本设计流程；第三章就低通、带通两种滤波器的设计做了具体介绍，以及 SSB 调制解调的原理
22、、种类、实现方式和各自特点做了相关介绍；第四章对基于 DSP Builder 的 SSB 调制解调系统设计做了详细阐述，为论文的重点；第五章为本设计的仿真、调试及其验证，对误差及相关问题做了总结；第六章简述了设计过程中遇到的困难和解决过程。 - - 4 - - 2 DSP Builder 概述 2.1 DSP Builder 平台综述 Altera 公司的 DSP Builder 将 MATLAB 和 Simulink 与 Altera 的开发工具组合在一 起，为用户提供了一个完整的 DSP 开发平台。 DSP Builder 具备一个友好的开发环境，它可以通过帮助设计师创建一个 DSP 设计
23、的硬件来缩短 DSP的开发周期。 DSP Builder 是 Altera 公司推出的一个面向 DSP 开发的系统级工具，允许系统、算法和硬件设计共享一个通用的开发平台。它是作为 MATLAB 的一个Simulink 工具箱中出现。 MATLAB 是功能强大的数学分析工具，广泛用于科学计算和工程计算中，可以进行复杂的数字信号处理系统的建模、参数估计和性能分析。 Simulink 是 MATLAB 中的一个组成部分 ，用于图形化建模仿真。 DSP Builder 作为 Simulink 中的一个工具箱，使得设计 DSP 系统完全可以通过Simulink 的图形化界面进行，只需要简单的进行 DSP
24、 Builder 中 Simulink 的模块调用。而且 DSP Builder 中的 DSP 基本模块是以算法级的描述出现的，易于用户从系统或是算法级进行理解，甚至不需要特别了解硬件描述语言等 3。 2.2 DSP Builder 设计流程 DSP Builder 是一个系统级设计工具，它架构在多个软件工具之上，具备了算法开发、仿真和验证能力，并把系统级 （算法级仿真建模）和 RTL 级（硬件实现）两个设计领域的设计工具连接起来，都放在了 MATLAB/Simulink 模块中，以及 Simulink 的 Blockset 中。用户可以直接在 Simulink 中进行图形化设计和仿真，同时又
25、通过 SignalCompiler 把 MATLAB/Simulink 的模型设计文件转换成相应的硬件描述语言 VHDL 设计文件，以及用于控制综合与编译的 TCL 脚本。对于综合以及此后的处理都由 QuartusII 软件来完成。 设计人员可以使用 DSP Builder 中的功能块来为 Simulink 中的系统模 型创建一个硬件。 DSP Builder 包含了按位和按周期设计的 Simulink 功能块，这些功能块覆盖了最基本的操作，例如运算和存贮功能。在 DSP Builder 模型中，通过- - 5 - - 使用 MageCore 功能块，复杂的功能可以很容易的实现。 DSP Bu
26、ilder 的 SignalCompiler 块读入 Simulink 模型文件（ .mdl） ,该模型文件是用 DSP Builder 和 MageCore 块生成的，然后生成 VHDL 文件和 TCL 脚本文件，用于综合和硬件的实现和仿真。 DSP Builder 可以帮助设计人员完成基于FPGA 的 DSP 或其他电子系统设计，还可以自动完成大部分的设计过程和仿真，直到把设计文件下载至硬件板上。利用 MATLAB 和 DSP Builder 进行 DSP 模块设计是 SOPC 技术的一个重要组成部分。图 2-1所示为 DSP Builder的设计流程。 图 2-1 DSP Builder
27、、 Matlab 结合设计及步骤 由于在 FPGA 上设计一个算法模型的复杂性、设计的性能（包括面积、速度、可靠性、设计周期）对于不用的应用目标有不同的要求，涉及的软件工具也不仅是 Simulink 和 QuartusII， DSP Builder 针对不 用的情况提供了两套设计流程，即手动流程和自动流程。具体设计步骤如下： 第一步是在 MATLAB/Simulink 中进行设计输入，即在 MATLAB 的 Simulink环境中建立一个 .mdl模型文件，用图形方调用 DSP Builder 和其它 Simulink 的图形模块，构成系统级或算法级设计框图，或称 Simulink 设计模型；
28、 第二步利用 Simulink 的图形化仿真、分析功能，分析此设计模型的正确性，完成模型仿真。在这两步中，与一般的 MATLAB/Simulink 建模几乎没有什么区别，唯一不同的是设计模型库采用 DSP Builder 的 Simulink 库而已，同样也涉及到其他的 EDA 软件； - - 6 - - 第三步是 DSP Builder 设计实现的关键一步。由于 EDA 工具软件（诸如QuartusII、 Modelsim）不能直接处理 MATLAB 的 .mdl 文件，这就需要一个转换过程。通过 SignalCompiler 把 Simulink 的模型文件转化成通用的硬件描述语言VHDL 文件。转换获得的 VHDL 文件是基于 RTL 级的，即可综合的 VHDL 描述语言 4。 关于 DSP Builder 的内容，由于篇幅关系，在此不再赘述，读者可参看相关文献。
