《通信原理》課程項(xiàng)目報(bào)告

?

?

?

題 ???目：??? ??????基于開發(fā)板的通信系統(tǒng) ?????????

組??? 號：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

任課教師： ???????????? ? ? ? ? ? ? ??

組??? 長： ??? ????????????

組??? 員： ? ???????????

組??? 員： ??? ???????????

組??? 員： ????????????

組??? 員： ?? ???????????

聯(lián)系方式：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?

?

二零一九年? 2 月 23 日

一、實(shí)施方案

設(shè)計(jì)要求：

在給定的開發(fā)板DE10-Lite上，完成以下任務(wù)：

?

第一級：完成數(shù)模轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制調(diào)制解調(diào)（不含2ASK）（60分）

?

第二級：完成多進(jìn)制調(diào)制解調(diào)、或載波同步（80分）

?

第三級：同時(shí)完成多進(jìn)制調(diào)制解調(diào)和載波同步（90分）

?

單項(xiàng)加分：載波是正弦波，或頻率硬件可調(diào)，或系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)其他功能（每個(gè)10分）

實(shí)現(xiàn)思想：

使用偽隨機(jī)序列模擬基帶信號進(jìn)行FSK調(diào)制，通過DA輸出調(diào)制波形；再接入AD口模擬信號接收端，對AD采樣的信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原始基帶信號，并與原始信號進(jìn)行比較。

在應(yīng)用熟練軟件之后，根據(jù)相同的思路做了多進(jìn)制FSK，對多進(jìn)制的效率有了更深的體會(huì)。

二、實(shí)施過程及結(jié)果分析

拿到板子之后，我們組內(nèi)討論得出：做FSK調(diào)制解調(diào)；一是便于觀察、演示，二是解調(diào)手段多樣，便于板子上實(shí)現(xiàn)。

不過初期組內(nèi)熟悉quartus和verilog編程的并不多，而且對項(xiàng)目要求并不是很了解，所以前幾周更多的是學(xué)習(xí)verilog以及熟悉軟件。在做過通信原理實(shí)驗(yàn)的同學(xué)幫助下，算是知道了FSK是怎么一回事，緊接著便著手初步的調(diào)制。

在中期的時(shí)候我們總算明白了該怎么起手去做：利用FPGA板子做出數(shù)字的正弦波，再用基帶信號去進(jìn)行鍵控調(diào)制。

不過由于當(dāng)時(shí)沒有DA模塊再加上對quartus的不熟悉，一切都只是簡單的嘗試，而且只能花費(fèi)時(shí)間先去學(xué)仿真軟件modelsim，以期望能仿真出一個(gè)正弦波。

網(wǎng)上也各自找了怎么實(shí)現(xiàn)數(shù)字正弦波，一般的做法是要寫ROM模塊，通過累加地址依次輸出一個(gè)一個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的來源則是通過matlab實(shí)現(xiàn)。

最初感覺很復(fù)雜，各種各樣的軟件要聯(lián)合起來，大家都不大愿意去做，時(shí)間也越來越少，只有沉下心去一點(diǎn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

中途modelsim軟件又出現(xiàn)各種問題，庫文件不全，無法仿真，在網(wǎng)上找了很久找到一個(gè)笨辦法，每次仿真時(shí)都要手動(dòng)重新選擇自己生成的庫文件：

https://wenku.baidu.com/view/67f7dbcb05a1b0717fd5360cba1aa81144318f00.html

在枯燥的重復(fù)操作中算是熟悉了基本的編程以及仿真方法，百度了很多資料，采用讀取ROM的方法總算是生成了初步的正弦載波，踏出了第一步，仿真圖如下：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

其中使用到來自matlab生成的mif文件作為數(shù)據(jù)源，matlab代碼如下：

clear;

?

%生成數(shù)據(jù)

depth = 64;

width = 8;

index = 0:2 * depth - 1;

value = 0.5*sin(2*pi*index/depth) + 0.5;

value = im2uint8(value);

%===============================開始寫mif文件===============================

addr=0:2 * depth-1;

str_width=strcat('WIDTH=',num2str(width));

str_depth=strcat('DEPTH=',num2str(depth));

?

fid=fopen('data2.mif','w');? %打開或者新建mif，存放位置和文件名任意

???????????????????????? ?????%如果只寫文件名，則在當(dāng)前目錄下建立此文件

fprintf(fid,str_width);

fprintf(fid,';\n');

fprintf(fid,str_depth);

fprintf(fid,';\n\n');

fprintf(fid,'ADDRESS_RADIX=HEX;\n');? %因?yàn)橄旅娴臄?shù)據(jù)輸入我選的是16進(jìn)制，

?

fprintf(fid,'DATA_RADIX=HEX;\n\n');

fprintf(fid,'CONTENT BEGIN\n');

fprintf(fid,'\t%X : %X;\n',[addr;value]);? %開始寫數(shù)據(jù)了

fprintf(fid,'END;\n');

fclose(fid);

?

就是用128個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)去擬合一個(gè)周期的正弦波，同時(shí)這里用了數(shù)字圖像處理的一個(gè)函數(shù)im2uint8，將0~1的值直接轉(zhuǎn)化為0~255的8位二進(jìn)制值。

仿真結(jié)束后，實(shí)際電路我們打算用FPGA的鎖相環(huán)PLL將時(shí)鐘擴(kuò)展到128M，再去驅(qū)動(dòng)這個(gè)ROM模塊，這樣就能生成1MHz的正弦載波了。

調(diào)用的過程中，我們也了解到FPGA一大方便之處：調(diào)用IP核。很多常用模塊都可以直接通過調(diào)核來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，像之前實(shí)現(xiàn)的正弦載波其實(shí)可以直接調(diào)用NCO生成。

依靠著強(qiáng)大的百度，我們學(xué)會(huì)了調(diào)用PLL，成功生成128M時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)ROM實(shí)現(xiàn)了1MHz正弦波，并初次使用到了FPGA強(qiáng)大的“內(nèi)置示波器signal tap”：

然后簡單實(shí)現(xiàn)了一個(gè)偽隨機(jī)序列，并編寫了選通輸出模塊，兩路載波分別為1M、2M，成功完成了2FSK的調(diào)制。

放假前夕，我們組拿到了ADDA子卡，可以通過DA輸出、信道傳輸后進(jìn)行AD采樣來模擬接收了。

假期討論中我們遇到了一個(gè)很嚴(yán)重的問題，DA發(fā)送沒問題，AD接收有問題，我們按照ADDA子卡文檔上進(jìn)行操作但觀察到的實(shí)際波形卻是：

第三行是調(diào)制輸出給DA口的，第二行是AD接收的，我們一度懷疑自己設(shè)置錯(cuò)誤了，或者時(shí)鐘沒給正確。經(jīng)過一系列排查，我們發(fā)現(xiàn)是頻率的問題。這個(gè)“信道”就像是一個(gè)低通濾波器，頻率越高衰減越嚴(yán)重。

因此我們不得不改變原來制定的1M、2M，將頻率降低到能夠演示的范圍。最后直接用10M時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)ROM模塊得到78k、156k的兩路載波，而隨機(jī)序列則是10k，也能滿足要求。

其調(diào)制實(shí)際波形通過示波器查看：

可以看到測量頻率為78k，與設(shè)計(jì)相符，不過這個(gè)正弦波很明顯可以看出一些不連續(xù)(臺(tái)階)，放大后觀察：

這是因?yàn)橐粋€(gè)周期實(shí)際上只用了128個(gè)點(diǎn)去近似模擬，這也是我們精度不高的原因。之后做MFSK的時(shí)候，已經(jīng)熟悉了各種操作，通過調(diào)用NCO數(shù)控振蕩器生成的載波就很平滑，如下：

解調(diào)部分我們使用的是非相干解調(diào)，將AD接收的信號分兩路，分別通過對應(yīng)的帶通濾波器，經(jīng)過全波整流，再低通濾波即可提取出兩路信號的包絡(luò)，對兩路信號進(jìn)行抽樣判決即可解調(diào)出原始基帶信號，就是按照書中原理實(shí)現(xiàn)的。

這里又牽扯到一個(gè)問題，濾波器的實(shí)現(xiàn)，查了很多網(wǎng)上的資料，它們一般都是調(diào)用的FIR Compiler這個(gè)一代IP核，而quartus16給的已經(jīng)是FIR II這個(gè)IP核，有一些不同。

我們借助一代的資料再加上自己的摸索最終實(shí)現(xiàn)了FIR濾波器，它的實(shí)現(xiàn)同樣也要借助于matlab的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，好在matlab集成了一個(gè)fdatool可以方便地給出我們需要的濾波器參數(shù)。

一般工程上實(shí)現(xiàn)濾波器不是我們學(xué)過的窗函數(shù)等方法，用的最多的是等紋波法，這些都可以直接借助fdatool，十分方便。

利用matlab得到的濾波器系數(shù)，設(shè)置好對應(yīng)的采樣頻率、輸出位數(shù)就成功地實(shí)現(xiàn)了FIR濾波器的調(diào)用：

最后得到的兩路波形，由于2FSK的特性，判決門限就設(shè)置為0，兩路信號比較就可以得到輸出的二進(jìn)制波形。

不過這里還有最后一個(gè)問題：實(shí)際應(yīng)用往往需要得到二進(jìn)制比特流，這就需要一個(gè)定時(shí)脈沖去抽樣輸出最終的二進(jìn)制比特流信息。

我們組參考了《數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)AlteraVerilog版》一書，利用我們判決輸出的二進(jìn)制波形，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的“位同步定時(shí)”，能夠比較好地抽樣輸出，完成2FSK的解調(diào)，最終效果如下：

第一行是模擬的基帶信號，第三行是DA輸出的調(diào)制波形，第二行是AD采樣進(jìn)來的信號(模擬接收端)，第四、第五行分別是通過對應(yīng)帶通濾波器的信號，第六、第七行是上面兩行提取包絡(luò)(全波整流、低通)波形，第八行是六、七行相減，判決前的波形；以0為門限判決得到第九行的二進(jìn)制波形，但這并不是數(shù)據(jù)流。

調(diào)用位定時(shí)模塊，利用第九行的二進(jìn)制波形得到了位定時(shí)脈沖(第十行)，可以發(fā)現(xiàn)它的相位并不是固定的，在超前和滯后之間來回跳變，不過下降沿是比較穩(wěn)定的，取下降沿抽樣輸出得到了最終的解調(diào)信號(最下面一行)！

做完這些后，整體流程就比較熟悉了，我們又做了一個(gè)簡單的4進(jìn)制FSK，原理基本相同，不再贅述，直接上signal tap波形：

唯一不同點(diǎn)就是用了四種頻率的載波：第一行基帶數(shù)據(jù)(四進(jìn)制)，第二行DA輸出調(diào)制波形，第三行AD采樣波形(可以明顯發(fā)現(xiàn)頻率越大衰減越大)，下面的還是帶通、提取包絡(luò)的波形，原理完全一樣。

最后解調(diào)出來的4進(jìn)制信號與原始基帶信號比較：

比較好地恢復(fù)了基帶數(shù)據(jù)，完成了多進(jìn)制調(diào)制解調(diào)。

三、項(xiàng)目總結(jié)

這次項(xiàng)目算是大學(xué)以來最大的挑戰(zhàn)之一了。最開始目標(biāo)不明、軟件不會(huì)，一點(diǎn)點(diǎn)自學(xué)軟件以及verilog語言，之后能熟練地使用軟件完全都是時(shí)間堆起來的，quartus、modelsim、matlab等軟件聯(lián)合使用，最終完成了這次的項(xiàng)目。

做這次項(xiàng)目還理解到了FPGA開發(fā)的流程和它“模塊化”設(shè)計(jì)的理念，可以進(jìn)行很好的分工、分模塊設(shè)計(jì)，最后在頂層文件里調(diào)用小模塊搭建起整個(gè)系統(tǒng)，這是不同于以往項(xiàng)目的。

在使用ADDA子卡之前我們?nèi)鞘褂玫?/span>modelsim來進(jìn)行仿真驗(yàn)證，而使用ADDA模塊后由于仿真無法實(shí)現(xiàn)，我們換成了signal tap直接在板子上驗(yàn)證結(jié)果，也使得我們對這個(gè)“內(nèi)嵌示波器”有了充足的了解。

項(xiàng)目中也體會(huì)到一點(diǎn)：書本上通俗易懂的原理在實(shí)際工程中往往不是那么好實(shí)現(xiàn)的。我們使用的是非相干解調(diào)，也有“不會(huì)載波同步”的原因在里面，書中直接給出的同步載波卻是整個(gè)項(xiàng)目的最大難題，比較遺憾的是這個(gè)沒有實(shí)現(xiàn)，只參考書后完成了“位同步定時(shí)脈沖模塊”。

最后做的4進(jìn)制調(diào)制解調(diào)也讓我們更深刻地理解了通信系統(tǒng)的“取舍難題”，我們做的MFSK，傳輸效率確實(shí)高了不少，但其耗費(fèi)的資源(濾波器、尤其是帶寬資源)增加的不是一點(diǎn)半點(diǎn)。尤其是高速通信的當(dāng)今，帶寬資源更是稀缺，也難怪MFSK實(shí)際中基本沒有應(yīng)用，而基于PSK發(fā)展起來的QDPSK、QAM等技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，確實(shí)有著其優(yōu)勢所在。

四、小組分工

?

參考文獻(xiàn)：

?

[1] ?? 杜勇. 《數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)AlteraVerilog版》. 電子工業(yè)出版社，2015.3

[2] ?? 李穎潔等. 《現(xiàn)代通信原理——信息傳輸?shù)幕驹怼?/span>.清華大學(xué)出版社，2007.5