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1、通信系统课程设计报告1通信系统课程设计报告课题名称 pi/2 系统 QPSK 设计 学生姓名 班 级 07 通信 2w 学 号 指导教师 设计地点 60#507 2010 年 10 月 14 日通信系统课程设计报告2目 录序言3第一章 设计任务要求31.1 设计要求31.2 /2 体系 QPSK 调制系统设计3第二章 VHDL 语言与 Quartus II 软件简介41.1 Quartus 软件介绍41.2 Quartus 的 VHDL 语言的软件操作流程41.3 Quartus 的 VHDL 语言的软件操作流程5第三章QPSK 工作原理及信号产生62. 1QPSK 工作原理62. 2QPSK
2、 信号产生72.2.1 调相法72.2.2 相位选择法92.2.3.QPSK 调制原理图.9第四章基于 Quartus II 软件的 QPSK 码编码器的设计 104.1 QPSK 编码器的 VHDL 建模与程序设计104.1.1 程序设计思想104.1.2 调制电路 VHDL 程序114.2 调试与分析124.2.1 基带信号的设置124.2.2 仿真的波形设置124.2.3 仿真图134.2.4 分析13参考文献13.心得与体会13通信系统课程设计报告3序言四相相移键控信号(Quardrature Phase - Shift Keying ,QPSK) 。它具有一系列独特的优点,比如抗干扰
3、能力强,在恒参信道下,QPSK 调制技术与 FSK、2PSK、ASK 调制技术相比较,不但抗干扰能力强,而且能更经济有效地利用频带,适合回传通道的技术要求,因此被广泛应用于无线通信中,成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式QPSK 技术的性能分析。QPSK 技术具有抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点。19 世纪 80 年代中期以后,四相绝对移相键控(QPSK)技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点,广泛应用于数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入、移动通信及有线电视系统之中。例如:在卫星数字电视传输中,普遍采用的QPSK 调谐器是当今卫星数字电视传输中对卫星功率
4、、传输效率和抗干扰性以及天线尺寸等多种因素综合考虑的最佳选择。第一章设计任务要求1.1 设计要求1.1.1、按题目要求的逻辑功能进行设计，各个部分须有设计说明；1.1.2、采用原理图或 VHDL 语言输入法，在微机上进行编译和软件仿真；1.1.3、软件仿真完成后，必须经教师允许方可进行下载。1.2 /2 体系 QPSK 调制系统设计1.2.1 采用 VHDL 语言输入法1.2.2 根据 QPSK 调制原理，确定调制系统具体设计方案1.2.3 画出 /2 体系 QPSK 调制系统的程序设计流程图1.2.4 编写 VHDL 源程序，调试及仿真时序波形通信系统课程设计报告4第 二 章 VHDL 语言
5、与 Quartus II 软件简介1.1 Quartus 软件介绍Quartus II 是 Altera 公司在 21 世纪初推出的 CPLD/FPGA 集成开发环境，它是该公司前一代 CPLD/FPGA 集成开发环境 MAX+PUS II 的更新换代产品。Quartus II 提供了一种与结构无关的设计环境，其界面使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。Quartus II 还包含许多十分有用的参数化的模块库，它们是复杂或高级系统构建的重要组成部分。Quartus II 加强了网络功能，它具有最新的 Internet 技术，设计人员可以直接通过 Internet 获得 Altera
6、 的技术支持。Quartus 提供了完全集成且与电路结构无关的开发环境，具有数字逻辑设计的全部特性。 Quartus 设计软件提供完整的多平台设计环境，可以很轻松地满足特定设计的需要。它是可编程片上系统(SOPC 设计的综合性环境，拥有 FPGA 和 CPLD 设计的所有阶段的解决方案。与其它 EDA 软件相比较 Quartus 软件的特点主要包括: 可利用原理图、结构框图、Verilog HDL、AHDL 和 VHDL 完成电路描述,并将其保存为设计实体文件。 芯片(电路) 平面布局连线编辑。 LogicLock 增量设计方法,用户可建立并优化系统,然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的
7、后续模块。 （1）功能强大的逻辑综合工具。 （2）完备的电路功能仿真与时序逻辑分析。 （3）定时/时序分析与关键路径延时分析。 （4）可使用 SignalTap 逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析。 （5）支持软件源文件的添加和创建,并将它们链接起来生成编程文件。 （6）使用组合编译方式可一次完成整体设计流程。 （7）自动定位编译错误。 （8）高效的期间编程与验证工具。 1.2 Quartus 的 VHDL 语言的软件操作流程VHDL 语言是一种标准化的硬件描述语言，它自身必然有很多其他硬件描述语言所不具备的优点：（1）VHDL 语言功能强大，设计方式多样。 （2）VHDL 语言具有强大的硬件描
8、述能力。 （3）VHDL 语言具有很强的移植能力。 （4）VHDL 语言的设计描述与期间无关。 （5）VHDL 语言程序易于共享和复用。通信系统课程设计报告5虽然 VHDL 语言具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点，但是它也并不是一种完全理想的硬件描述语言。同样，它也具有一些自身的缺点，或者说 VHDL 语言还有一些需要不断完善的地方：（1）VHDL 语言有时不能准确地描述硬件电路。 （2）VHDL 语言的系统级抽象描述能力较差。 （3）VHDL 语言不能描述模拟电路。作为一种标准化的硬件描述语言，VHDL 语言描述硬件电路时具有一定的流程可以遵循。对于设计人员来说，掌握 VHDL 语言的开
9、发流程图和开发步骤具有重要的指导作用。1.3 Quartus 的 VHDL 语言的软件操作流程操作流程分为四个较大的过程：输入、编译、仿真和下载。输入：本次课程设计采用 VHDL 语言输入方式。编译：在输入完毕并保存文件后，建立合适的工程项目文件，执行 Compilation 编译命令，即可由 Quartus 软件自动产生输出波形。仿真：在建立时序波形文件，给定输入信号波形并保存后，方可执行 Simulation 仿真命令，即可由 Quartus 自动产生输出波形。下载：先建立输入/输出端子与实际芯片的对应关系，即引脚锁定，并重新编译，产生“.scf”文件，然后执行 Programmer 命令
10、，方可将设计的原理图程序下载到实际的芯片上。在执行 Programmer 命令前还要将实验箱硬件电路连接好，这是下载的先决条件。附: 通信系统课程设计报告6第三章QPSK 工作原理及信号产生2.1QPSK 工作原理四相绝对移相调制是利用载波的 4 种不同相位来表征数字信息。每一种载波相位代表两个比特的信息。例如,若输入二进制数字信息,序列为 1 0 0 1 1 1 0 0, ,则应该先将其进行分组,每两个比特编为一组。可将它们分成 10, 01, 11, 00,等,然后分别用 4 种不同的相位来表示。故每个四进制码元又被称为双比特码元。把组成双比特码元的前一个信息比特用 a 代表,后一个信息比
11、特用 b 代表。双比特码元中的两个信息比特 ab 通常是按格雷码排列的。载波相位若用 k 表示,则 k 在 0 到 2 内等间隔的取值仅有 4 种可能。表 1 给出码元与载波相位的关系。又由于正弦函数和余弦函数的互补特性,对应于 k 的 4 种取值,例如 45、135、225、315,其幅度 ak ( ak = cosk ) 和 bk ( bk = sink ) 。只有两种取值,即1 / 2。所以,四相绝对移相调制可以看作两个正交的二相绝对移相调制的合成。载波相位 k 的 4 种取值矢量关系,如图 1 所示。QPSK 中每次调制可传输 2 个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传通信系
12、统课程设计报告7递的。QPSK 是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数调制方式, 它被广泛应用于各种通信系统中. 适合卫星广播。例如，数字卫星电视 DVB2S 标准中，信道噪声门限低至 4. 5 dB，传输码率达到 45M boumls，采用 QPSK 调制方式，同时保证了信号传输的效率和误码性能。图 1 ( a)中表示采用方式 1 的 QPSK 信号的矢量图,属于 /2 体系。图 1 ( b)中表示采用方式 2 的 QPSK 信号的矢量图,均属于 /4 体系。由于四相绝对移相调制可以看作两个正交的二相绝对移相调制的合成,因此,两者的功率谱密度分布规律相同2.2.QPSK 信号产生通信系统课程设计
13、报告8因为四相绝对移相调制可以看作两个正交的二相绝对移相调制的合成,所以同相通道 I 和正交通道 Q 的调制过程应与二相绝对移相调制相同。因此,在本质上 QPSK 调制器是两个 2PSK 调制器的并行组合。QPSK 信号产生的方法和 2PSK 信号一样,也可以分为调相法和相位选择法两种,下面将分别论述其原理和实现方法。2.2.1 调相法用调相法产生 /4 体系的 QPSK 信号的系统方框图如图 2 所示。图 2 中,串并变换器将输入的二进制序列依次分为两个速率减半的并行的单极性序列，变成 m=log2M 个并行数据流。假设两个序列中的二进制数字分别为 a 和 b,每一对 ab 称为一个双比特码
14、元。单极性的 a 和 b 脉冲通过极性变换,即 0 - 1 和 1 + 1,变成双极性二电平信号 I ( t) 和 Q ( t) ,然后进入两个平衡调制器 ,分别对同相载波和正交载波进行二相调制,得到图 3 中的虚线矢量。将两路输出叠加,即得如图 3 中的实线所示的四相移相信号。其相位编码逻辑关系如表 2 所示。如果将载波移相-/4,使用此方框图系统也可以产生 /2 体系的 QPSK 信号。通信系统课程设计报告92.2.2 相位选择法利用相位选择法产生 QPSK 信号的系统方框图如图 4 所示。它实际上是对调相法的一种简化,把几个电路合并后封装在一起。图 4 中,四相载波发生器分别送出调相所需的 4 种不同相位的载波。按照串并变换器输出的双比特码元的不同,逻辑选相电路输出相应相位的载波。例如,双比特码
