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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于Hilbert变换的单边带调制的实现 姓名：蒋春峰 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：王宏远 20090526 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着通信技术的发展，提高频带的利用率变得越来越重要了。现代数字通信 中， 双边带调制方式占用了两倍带宽， 单边带调制方式只占用一倍带宽，因而 单边带调制具有更高的带宽利用率。可是传统的单边带调制对滤波器的要求比较 高，它要求滤波器的传输函数具有非常快的衰落， 这在模拟域上很难实现。而数 字技术的发展为实现SSB 调制方案提供了另外一种可行性方案数字域相 移法。 本文详细讲述了
2、一种基于希尔伯特变换的单边带调制在FPGA上实现的方法。 首先介绍了传统单边带调制的方法，分析了频域法的优缺点，提出了采用数字移 相的方法实现单边带调制。接着介绍了频率合成、希尔伯特变换和QAM正交调制 的原理及应用。 再就是文章讲述了数字单边带调制在FPGA中实现的过程。文章讲述了DDS 的实现方法，设计了满足90度相移的希尔伯特滤波器，根据单边带实现的结构框 图把各部分结合起来进行编译、调试得到了满足要求的单边带信号。达到了用 FPGA实现基于希尔伯特变换的单边带调制的目的。 关键词关键词：频域法、数字移相、希尔伯特变换、单边带调制、正交调制 II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位
3、论 文 Abstract Along with the development of communication technology,it is more important to Raise the utilization rate of bandwidth. Two bandwidth are occupied in double sideband modulation and only one bandwidth is occupied in single sideband modulation。so there is high utilization rate of bandwidt
4、h with the single sideband modulation. In Traditional single sideband modulation， the transmission function of the filter should be fade quickly， but the filter is difficult to be designed. With the development of the digital communication technology, the other design way of single sideband modulati
5、on is found .that is remove phase in frequency domain. This paper describe detailed the method of single sideband modulation in a FPGA base on Hilbert transformation. At first the paper introduced the method of Traditional single sideband modulation and analyzed the merit and the shortage of this me
6、thod。also it gave a way that remove phase in frequency domain .then the paper described the theories and the use of Direct Digital Synthesizer、Hilbert transformation and Quadrature Amplitude Modulation Next the paper describe detailed the design of Digital single sideband modulation in a FPGA .it de
7、signed a DDS and a Hilbert filter that remove 90 degree。At last ,content them 、 compile and debug the design ,a signal of single sideband modulation is got thereby ,the design of single sideband modulation based on Hilbert transformation is successful. Keywords: frequency domain method ,Digital Phas
8、e Shifte,Hilbert transformation,single side band modulation, Quadrature Amplitude Modulation III 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 术语表 Complementary Metal Oxide Semiconductor（CMOS）互补金属氧化物半导体 Complex Programmable Logic Device (CPLD)复杂可编程逻辑器件 Digital-to-Analog Converter （DAC）数字-模拟转换器 Direct Digital Synthesizer（
9、DDS）直接数字频率合成器 Double Side Band (DSB)双边带 Emitter Coupled Logic(ECL)发射极耦合逻辑电路 FieldProgrammable Gate Array（FPGA）现场可编程门阵列 M-ary Quadrature Amplitude Modulation(MQAM)多进制正交幅度调制 Phase Locked Loop（PLL）锁相环频率合成 Quadrature Amplitude Modulation(QAM)正交幅度调制 Quadrature Digital Up Converter(QDUC)正交数字上变频器 Single Si
10、de Band (SSB)单边带 Spurious Free Dynamic Range(SFDR)无杂散动态范围 Transistor-Transistor Logic（TTL）逻辑门电路 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校
11、有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_ _年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 引言 在通信中，信道的带宽是有限的，提高信道利用率和节省发射功率就变得很重 要。 与普通调幅波和双边带调制
12、相比,单边带调制的频谱宽度只有前者的一半，但包 含了所有信息，使频带的有效性得到提高；不发送载频，只发送一个边带，节约了 很大的发送功率，因此在通信中得到广泛的应用。 单边带信号( SSB)，从本质上来说也是一种调幅信号，它出自于调幅又区别于调 幅。调幅是最简单最容易实现的模拟调制方式, 它有双边带调幅和单边带调幅两种 方式, 但是单边带调制具有更高的频率效率和功率效率。调幅波是一个载波幅度跟 随调制音频幅度变化而变化的调制方式。由于元件的非线性特点，两个不同频率的 信号通过非线性元件就会出现4个频率1：两个频率的和、两个频率的差和原来两个 信号的频率。通常我们把两个频率的和称为上边带信号、两
13、个频率的差称为下边带 信号，每个边带都包含了调制信号的所有信息。因此，在传输系统中为了更有效地 利用信道的带宽， 只传送上边带或下边带信号就足够了。 但是对于话音通信来说, 单 边带调制解调系统的输出信号的音质没有双边带调制解调系统输出的信号音质好, 并且单边带信号解调也比较复杂, 因而在广播电台中还是采用双边带调幅。 1.2 传统产生单边带信号的方法 产生单边带调制信号的传统方法主要有频域法和时域法。 (1) 频域法。信号经过调幅后会有上边带、下边带。其中每个边带都包含有调制 信号的信息。从频谱利用率的角度来说只传输一个边带就可以传输所有的信息。为 了得到一个边带即单边带信号，从频域的角度出
14、发可以让双边带信号通过一个边带 滤波器, 让上边带或是下边带通过，同时抑制另一个的无用边带。采用滤波法对所用 的滤波器要求较高，它要求所用的边带滤波器是理想矩形。这在物理上很难实现， 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 特别是在载波频率较高而调制频率较低时，滤波器就更不容易实现了。这是采用频 域法实现单边带SSB 信号的一个突出的难题。对于语音信号，由于信号频率不是很 高，对性能的要求也不是特别严格，通常的解决方法是采用多级频率搬移，通过多 次调制，先把信号调制到中频信号上，再用中频信号调制到高频上2,3,4。 (2)时域法。 由单边带信号的频谱可推得单边带SSB 信号的时域表
15、达式为： SSBcc S(t)=f(t) costf(t) sint gg (1-1) 其中： ( )f t 是f( ) t 的Hilbert 变换式. 可画出时域法实现单边带调制的框图。 X X t c cos t c sin 2/ )( tf f(t) )(tSSSB 图 1.1 时域法实现单边带调制框图 时域法产生的解析信号的实部和虚部分别是实数信号及其希尔伯特变换。正弦 函数的希尔伯特变换就是负的余弦函数，结果是将输入信号移相了- j；同理，输入信 号是余弦函数，则其希尔伯特变换为正弦函数，结果也移相了- j。因此，希尔伯特变 换可以提供90的相位变化而不影响频谱分量的幅度大小5。 传
16、统的单边带信号的产生方法主要是利用频域法。也叫做滤波器方法。它用一 个带通滤波器把其中的一个边带虑除掉，只传送一个边带，这样就减少了频带的浪 费，功率的浪费，同时也提高了提高频谱利用率。对于数字信号也可以用数字滤波 器进行处理。滤波器方法是最简单、最经典的算法，在模拟单边带系统中也是使用 最多的一种。但在模拟电路中实现起来比较困难，这种做法对滤波器的要求很高， 要求模拟滤波器的传输函数具有非常快的衰落, 在载频比较高时, 滤波器的带宽和 中心频率之比将很小, 以致于滤波器很难达到良好特性, 甚至无法实现。 随着通信技术的发展，信号的数字化处理成为通信技术的主要处理方式。模拟 信号经过采样变成数字信号后再对其进行调制、滤波、放大等处理。相对于模拟信 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 号而言，数字信号处理容易实现，性能也比模拟信号好，一些模拟域不能处理的问 题在数字域
