畢業(yè)論文數(shù)字對講機(jī)中的濾波器系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)說明

1、 . PAGE30 / NUMPAGES36摘 要隨著通信技術(shù)、航空航天技術(shù)、電子科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展速度呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。如何提高數(shù)字通信技術(shù)中更好地過濾噪聲成為數(shù)字對講機(jī)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，而基于DCR標(biāo)準(zhǔn)的4FSK基帶信號處理技術(shù)則應(yīng)運(yùn)而生，成為了一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。本文以數(shù)字對講機(jī)為基礎(chǔ)，研究并設(shè)計(jì)數(shù)字對講機(jī)中的濾波器系統(tǒng)，即基帶信號處理系統(tǒng)的。通過針對日本的數(shù)字對講機(jī)標(biāo)準(zhǔn)DCR，研究了4FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中基帶信號處理的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計(jì)主要包括均方根余弦滾降濾波器、Isinc濾波器和幀同步檢測器的設(shè)計(jì)方法，給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果，分析了整個(gè)系統(tǒng)的誤碼率，仿真結(jié)果表明

2、系統(tǒng)誤碼率接近理論值，可以滿足DCR標(biāo)準(zhǔn)的要求。關(guān)鍵詞：DCR；4FSK；成形濾波器；匹配濾波器；Isinc濾波器；幀同步檢測器AbstractWith fast development of communication technology, aeronautical and space technologies,electronic science and technology ,the digital communication technology has explosive growth of development speed.How to improve filter out t

3、he noise better in digital communication technology become an important part of the digital interphone development, and based on DCR standard of 4FSK baseband signal processing technology arises at the historic moment, has become a hot area of research.In this paper, based on the digital interphone,

4、 research and design digital filter of intercom system, namely the baseband signal processing system.through the several key technologies of baseband signal processing are studied in 4FSK modulation and demodulation module based on the Japanese DCR standardThe work includes the design methods of squ

5、are-root raised cosine FIR filter,inversed sinc(Isinc)filter and frame sync detector.The corresponding simulation results are given and the bit error rate(BER)of the entire system modules is analyzed.The simulation results show that the bit error rate of the system is close to the theoretical value,

6、and able to meet the demand of DCR standardsKey words:DCR;4FSK;square-root raised cosine filters;isinc filters;frame sync detector前 言隨著人類科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，人類對生活品質(zhì)的需求不斷提高，而作為即時(shí)通信技術(shù)，對講機(jī)成為各個(gè)行業(yè)里不可缺少的一部分，也促使著擁有抗干擾能力強(qiáng)、通話質(zhì)量好、可使用距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字對講機(jī)成為當(dāng)下的熱門研究領(lǐng)域。因此如何提高對講機(jī)的通信距離與通信質(zhì)量成為一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的對講機(jī)模式上，以模擬對講機(jī)為主流技術(shù)，模擬通信技

7、術(shù)的原理是通過檢測正弦波的頻率、幅度、相位的變化，以與脈沖的寬度、幅度、位置變化來模擬原始信號，以此來達(dá)到通信目的。在模擬通信過程中，信號必須完成由低頻段向高頻段的轉(zhuǎn)移，即實(shí)現(xiàn)調(diào)制過程。在接收端還需要將信號進(jìn)行混頻、諧振放大、解調(diào)、低頻放大等相關(guān)處理，最終完成通信系統(tǒng)的基本過程。因此隨著科學(xué)的快速發(fā)展與各方面對通信質(zhì)量的要求越來越高，模擬通信技術(shù)逐漸出現(xiàn)了諸多缺點(diǎn)：1.性差，很容易被竊聽。因?yàn)槟M信號本身的波形已經(jīng)反映了話音信號的變化, 只要得到模擬信號就可以獲取其中的信息。2.抗干擾能力弱，電信號在沿線路的傳輸過程中會受到外界的和通信系統(tǒng)部的各種噪聲干擾，噪聲和信號混合后難以分開，從而使得通

8、信質(zhì)量下降。線路越長，噪聲的積累也就越多。3.設(shè)備不易大規(guī)模集成化，在模擬通信中, 為了調(diào)制解調(diào)要用到較多的電感器件和濾波器, 這些器件都是不能集成的。4.不適于飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)通信要求。不能適應(yīng)數(shù)字通信網(wǎng)的需要，如不能直接和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，只能采用數(shù)模兼容的方式。然而，數(shù)字通信技術(shù)的出現(xiàn)這些缺點(diǎn)都能得以更好的解決，數(shù)字對講機(jī)的基本原理是先把模擬語音轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以特定的數(shù)字編碼方式和特定的基帶調(diào)制形式，然后調(diào)制到射頻上去，并采用數(shù)字信號處理器進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)據(jù)化通訊模式。本文從改善通信質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，采用4FSK調(diào)制解調(diào)的方式，設(shè)計(jì)濾波器實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)字傳輸與噪聲處理功能。在設(shè)計(jì)過程中，采用日本無線電

9、標(biāo)準(zhǔn)DCR標(biāo)準(zhǔn)，利用Parks-McCellan算法設(shè)計(jì)的成型濾波器和匹配濾波器的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，對利用窗函數(shù)設(shè)計(jì)的FIR濾波器進(jìn)行討論并分析。目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc23717 摘 要 PAGEREF _Toc23717 I HYPERLINK l _Toc30275 第一章 緒論 PAGEREF _Toc30275 1 HYPERLINK l _Toc22388 1.1研究背景 PAGEREF _Toc22388 1 HYPERLINK l _Toc30994 1.2研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc30994 3 HYPERLINK l _Toc29

10、271 1.3研究意義 PAGEREF _Toc29271 4 HYPERLINK l _Toc8982 1.4本文主要容 PAGEREF _Toc8982 5 HYPERLINK l _Toc22115 第二章 方案設(shè)計(jì)算法與論證 PAGEREF _Toc22115 5 HYPERLINK l _Toc23122 2.1 dPMR數(shù)字對講機(jī)制式 PAGEREF _Toc23122 5 HYPERLINK l _Toc27060 2.2 窗函數(shù) PAGEREF _Toc27060 6 HYPERLINK l _Toc19438 2.2.1基本概念 PAGEREF _Toc19438 6 HYP

11、ERLINK l _Toc3661 2.2.2窗函數(shù)設(shè)計(jì)原理 PAGEREF _Toc3661 6 HYPERLINK l _Toc32120 2.3 窗函數(shù) PAGEREF _Toc32120 7 HYPERLINK l _Toc30929 2.4 Parks-McCellan算法 PAGEREF _Toc30929 10 HYPERLINK l _Toc10534 2.5 奈奎斯特三大準(zhǔn)則 PAGEREF _Toc10534 11 HYPERLINK l _Toc31285 2.6實(shí)驗(yàn)平臺介紹 PAGEREF _Toc31285 12 HYPERLINK l _Toc17741 2.7 F

12、PGA開發(fā)工具簡介與使用 PAGEREF _Toc17741 12 HYPERLINK l _Toc15335 2.7.1 ISE簡介 PAGEREF _Toc15335 12 HYPERLINK l _Toc22629 2.7.2 使用ISE進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)的流程框圖 PAGEREF _Toc22629 13 HYPERLINK l _Toc10807 2.7.3 Modelsim仿真工具簡介與安裝 PAGEREF _Toc10807 14 HYPERLINK l _Toc1616 第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc1616 15 HYPERLINK l _Toc26377 3

13、.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc26377 15 HYPERLINK l _Toc26819 3.2 VHDL語言概述 PAGEREF _Toc26819 16 HYPERLINK l _Toc12057 3.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理分析 PAGEREF _Toc12057 17 HYPERLINK l _Toc5115 3.3.1 有限狀態(tài)機(jī)原理 PAGEREF _Toc5115 17 HYPERLINK l _Toc11862 3.3.2 狀態(tài)機(jī)的基本描述方式 PAGEREF _Toc11862 18 HYPERLINK l _Toc29229 3.3.3 狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的HDL描述方法

14、 PAGEREF _Toc29229 19 HYPERLINK l _Toc25634 3.3.4濾波器的實(shí)現(xiàn)原理 PAGEREF _Toc25634 19 HYPERLINK l _Toc13128 3.4 FIR算法的具體實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc13128 19 HYPERLINK l _Toc32371 第四章 系統(tǒng)功能驗(yàn)證 PAGEREF _Toc32371 23 HYPERLINK l _Toc15370 4.1 仿真驗(yàn)證方法 PAGEREF _Toc15370 23 HYPERLINK l _Toc2863 4.2 仿真驗(yàn)證流程 PAGEREF _Toc2863 24 HYP

15、ERLINK l _Toc5748 4.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc5748 25 HYPERLINK l _Toc6457 4.3.1 軟件仿真 PAGEREF _Toc6457 25 HYPERLINK l _Toc14110 4.3.2 硬件仿真 PAGEREF _Toc14110 25 HYPERLINK l _Toc28419 第五章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc28419 27 HYPERLINK l _Toc17923 5.1論文總結(jié) PAGEREF _Toc17923 27 HYPERLINK l _Toc27306 致 PAGEREF _Toc273

16、06 29 HYPERLINK l _Toc20143 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc20143 30第一章 緒論1.1研究背景無線通信早使用的無線對講機(jī)早在二十世紀(jì)三十年代就被人們使用，是被最早使用的移動通信設(shè)備。而美國摩托羅拉公司發(fā)明了第一臺移動無線電通信設(shè)備。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展移動通信技術(shù)已變得越來越普與，并逐漸從專業(yè)領(lǐng)域者的設(shè)計(jì)使用走向普通消費(fèi)群眾的生活，從軍事擴(kuò)展到民用。在移動通信領(lǐng)域，移動通信網(wǎng)絡(luò)可分為公眾移動和專業(yè)無線通信。從1970年到1990年期間，我國主要的專業(yè)無線電通信的方式是對講機(jī)，隨著移動通信的快速發(fā)展，專業(yè)通信市場份額逐漸被對講機(jī)占據(jù)。對講機(jī)在應(yīng)急即時(shí)、集群調(diào)度等

17、通信方面其他通信技術(shù)所不具備的優(yōu)勢，因此對講機(jī)逐漸適用在如公安、消防、石油化工、物業(yè)管理、酒店餐廳、學(xué)校等各方面領(lǐng)域。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對講機(jī)市場變得越來越大，對其需求也越來越多，對講機(jī)通信已經(jīng)滲透到各個(gè)行業(yè)里。顯然，在我國越來越多的行業(yè)離不開對講機(jī)通信。對講機(jī)通信在國民生活和經(jīng)濟(jì)中占據(jù)了重要地位。即使目前世界經(jīng)濟(jì)處于低迷，各大經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)展減緩時(shí)，專業(yè)無線通信和公眾低功率民用對講機(jī)通信，仍保持較強(qiáng)的增長勢頭。中國擁有最大的移動通信對講機(jī)市場，也是世界上在對講機(jī)通信領(lǐng)域最被看好的市場之一。經(jīng)過考察，對講機(jī)的家庭擁有量是反應(yīng)一個(gè)國家公眾無線通信水平高低的綜合指標(biāo)之一，同時(shí)也是一個(gè)國家國名

18、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平標(biāo)志之一。在發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等國家消費(fèi)者格外青睞對講機(jī)。在上世紀(jì)90年帶美國打開民用對講機(jī)市場大門之后，對講機(jī)逐漸成為主流通信設(shè)備，從1998年的2000年銷量變成1000萬臺。同樣，在德國、日本、法國等發(fā)達(dá)國家，有25%30%的家庭在使用或擁有對講機(jī)。對講機(jī)通信系統(tǒng)就是傳遞信息所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和，包括信息源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備和信宿(受信者) ，它的一般模型如圖1-1所示。受信者信道發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備信息源噪聲源圖1-1通信系統(tǒng)一般模型 對講機(jī)通信系統(tǒng)可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其

19、模型如圖1-3所示。受信者解調(diào)器信道調(diào)制器信息源噪聲源圖1-2 模擬通信系統(tǒng)模型 數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞消息的通信系統(tǒng)，其模型如圖1-2所示。受信者信源譯碼器信道譯碼器數(shù)字調(diào)制器數(shù)字解調(diào)器信息源信源編碼器信道編碼器信道噪聲源圖1-3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型目前模擬對講機(jī)正在迎來一場重大變革，即數(shù)字時(shí)代的來臨。傳統(tǒng)的模擬對講機(jī)是采用模擬信號的傳輸來實(shí)現(xiàn)信號傳遞，因此存在著頻譜利用率低的缺點(diǎn)。而數(shù)字對講機(jī)重新定義了信號的傳輸模式，它采用數(shù)字化模擬信號的方式，利用數(shù)字編碼和數(shù)字調(diào)制的方式來實(shí)現(xiàn)通信，具有的優(yōu)點(diǎn)如下： 一、抗干擾能力強(qiáng)。電信號在信道上傳送的過程中，會必然的受到各種各樣的噪聲干擾。而

20、在模擬通信過程中，很難消除這種噪聲，就會使得通信質(zhì)量變差。而數(shù)字通信在則是依據(jù)接收端接收到的“ 1 ”和“ 0 ”這兩個(gè)數(shù)字來識別信號，只要噪聲不是大到使“有電脈沖”和“無電脈沖”都分不出來的程度，就不會影響通信質(zhì)量。 二、通信質(zhì)量不會因距離長短而受影響。傳統(tǒng)通信在傳輸過程中能量會逐漸減小而使信號變?nèi)?，為了延長通信距離，就要在通信過程中增加一些增音放大器。但增音放大器會把有用的信號和無用的噪聲一同放大，在經(jīng)過越來越多的放大器，噪聲就會變得越來越強(qiáng)，以至于會超過正常的信號大小，使通信距離很受限制。而數(shù)字通信可采取“整形再生”的辦法，可以把受干擾的脈沖重新處理成原始信號，不累計(jì)失真和噪聲等干擾因素

21、。可以增強(qiáng)通信的距離。 三、性好。使用原始通信技術(shù)傳送的電信號，因模擬信號的方式來進(jìn)行信號傳輸，因此加密比較困難。而數(shù)字通信采用離散的電信號進(jìn)行傳輸，難以獲取信息。而且采用隨機(jī)性強(qiáng)的密碼打亂數(shù)字信號的組合的方式就可以很簡單的進(jìn)行加密，即使竊收到加密后的數(shù)字信息，也無法在短時(shí)間破譯獲取信息。 四、制造成本低維護(hù)費(fèi)用少。數(shù)字通信的電路主要由電子開關(guān)組成，很容易采用各種集成電路，具有體積小、耗電少的優(yōu)點(diǎn)。 五、適用于各種通信要求。數(shù)字傳輸可以將各種信息（、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)以與其它通信業(yè)務(wù)）變?yōu)榻y(tǒng)一的數(shù)字信號進(jìn)行傳輸，而且與數(shù)字進(jìn)行交換結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。 六、便于實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)的計(jì)算機(jī)管

22、理。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信技術(shù)原本占用頻帶遠(yuǎn)寬于模擬通信的缺點(diǎn)被解決。數(shù)字通信將逐漸實(shí)現(xiàn)超高速、大容量、長距離，新的數(shù)字化智能終端將會產(chǎn)生。1.2研究現(xiàn)狀 自20世紀(jì)以來，隨著人類逐漸發(fā)明了晶體管、集成電路，從而實(shí)現(xiàn)了通信技術(shù)的普與。特別是在20世紀(jì)后半葉，隨著人造地球衛(wèi)星的發(fā)射，大規(guī)模集成電路、電子計(jì)算機(jī)和光導(dǎo)纖維等現(xiàn)代技術(shù)成果的問世，通信技術(shù)在以下幾個(gè)不同方向都取得了巨大的成功。 1）移動通信的出現(xiàn)和衛(wèi)星通信的升空，人們逐漸掌握了實(shí)時(shí)通信技術(shù)，即時(shí)通信成為了可能。 （2）微波中繼通信使長距離、大容量的通信成為了現(xiàn)實(shí)。 （3）光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)大幅度的提升了通信容量。 （4）電子計(jì)算機(jī)的出

23、現(xiàn)使通信技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，通過通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的結(jié)合，世界變成了地球村。 （5）微電子技術(shù)的發(fā)展，使通信終端的體積越來越小，成本越來越低，圍越來越廣。目前，數(shù)字對講機(jī)發(fā)展較為成熟為歐美國家和日本。美國的數(shù)字對講機(jī)標(biāo)準(zhǔn)為美國公眾安全通信官員協(xié)會(APCO)第25計(jì)劃委員會和電信工業(yè)協(xié)會(TIA)共同制定的APCO_ 25標(biāo)準(zhǔn)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(ETSI)則推出DMR(Digital Mobile Radio)和dPMR(digital Private Mobile Radio)數(shù)字對講機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。我國現(xiàn)行的對講機(jī)模式和市場都是以模擬對講機(jī)為主流形式流行于市場，我國在對講機(jī)方面一直處于低端技術(shù)層面

24、。而從2008年9月在成立的“數(shù)字對講機(jī)聯(lián)盟”(簡稱“DRA”)標(biāo)志著我國數(shù)字對講機(jī)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，“DRA”成為我國新一代數(shù)字對講機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，相信在不久的未來擁有我國自主研制的數(shù)字對講機(jī)會走進(jìn)千家萬戶。本文采用的DCR(Digital Convenience Radio)協(xié)議是日本ARIB(Association of Radio Industries and Businesses)針對數(shù)字商業(yè)對講機(jī)市場推出的數(shù)字對講機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，是在dPMR基礎(chǔ)之上制定的，其現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為ARIB STD-98。1.3研究意義本文采用的DCR (Digital Convenience Radio)標(biāo)準(zhǔn)，是日本無線

25、電工業(yè)協(xié)會2010年針對數(shù)字商業(yè)對講機(jī)市場制定的數(shù)字對講機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，目前技術(shù)比較成熟的符合DCR標(biāo)準(zhǔn)的芯片大都被外國壟斷。CMX7141 是用于數(shù)字專網(wǎng)移動通信的專用芯片由CML半導(dǎo)體公司研制而出。是一款適用于ARIB STD98 DCR標(biāo)準(zhǔn)的4FSK調(diào)制解調(diào)芯片。它可以實(shí)現(xiàn)DCR標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)鏈路層和呼叫控制層的大部分功能。AMBE3000TM 是與CMX7141兼容的聲碼器芯片，AMB3000TM聲碼器采用的是由DVSI公司研制的AMBE+2TM語音編碼壓縮算法的聲碼器。目前，語音壓縮技術(shù)廣泛運(yùn)用于集群通信、中轉(zhuǎn)臺以與數(shù)字對講機(jī)，而運(yùn)用這種語音壓縮技術(shù)的數(shù)字對講機(jī)目前也正在被不少公司所采用。在本文

26、中，主要研究了基于AMBE3000的信源編碼技術(shù)和基于CMX7141信道編碼技術(shù)，設(shè)計(jì)遵從DCR標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字對講機(jī)中的濾波器，并實(shí)現(xiàn)良好的濾波效果。1.4本文主要容本文主要對DCR標(biāo)準(zhǔn)4FSK基帶信號系統(tǒng)做出設(shè)計(jì)。本文主要容分為以下幾個(gè)部分主要介紹了數(shù)字對講機(jī)的研究背景與意義，并簡要介紹了國外對數(shù)字對講機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀。主要介紹了本設(shè)計(jì)方案所需算法、設(shè)計(jì)要求，以與設(shè)計(jì)所需的實(shí)驗(yàn)平臺。主要介紹了本設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)方法。主要介紹了本設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)與仿真結(jié)果。第二章 方案設(shè)計(jì)算法與論證2.1 dPMR數(shù)字對講機(jī)制式dPMR（digital Private Mobile Radio）是ETSI組織公

27、開的數(shù)字設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。dPMR采用6.25KHz FDMA技術(shù)，4FSK調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率為4.8Kb/s?；谠摷夹g(shù)，后續(xù)相繼制定出NXDN、 DCR等標(biāo)準(zhǔn)。dPMR已完成標(biāo)準(zhǔn)有ETSI TS 102 490（Tier1）、ETSI TS 102 658（Tier2）等。 dPMR由FDMA為接入端，具有成本低廉，技術(shù)實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)。其協(xié)議的實(shí)現(xiàn)分為直通與轉(zhuǎn)發(fā)。于2005年由日本的建伍、ICOM提出，自2008年12月正式發(fā)布，協(xié)議文件為ETSI TS 102 490和TS 102 658，采用4FSK調(diào)制，6.25kHz信道間隔，業(yè)務(wù)速率4.8kbps。語音編碼算法不作規(guī)定，但dPMR的M

28、OU組織推薦采用AMBE 2聲碼器，編碼速率為3.6kbps。FDMA（Frequency Division Multiple Access/Address）,有許多不同技術(shù)可以用戶來實(shí)現(xiàn)信道共享。其實(shí)現(xiàn)原理為分割信道頻帶形成數(shù)個(gè)更窄的相互不干擾的頻帶（稱為子頻帶），然后將各個(gè)子頻帶分給一個(gè)指定唯一的用戶（稱為地址）。這種技術(shù)被稱為“頻分多址”技術(shù)。其中頻分復(fù)用（FDM）是指將載波帶寬劃分為多種不同頻帶的子信道，子信道相互之間可以并行傳輸一路信號的一種技術(shù)。在運(yùn)用到FDM時(shí)，多個(gè)不同的用戶可以共享一個(gè)物理通信信道，這個(gè)過程被稱為為多頻復(fù)用（FDMA）。2.2 窗函數(shù)2.2.1基本概念在實(shí)際進(jìn)行

29、數(shù)字信號處理時(shí)，往往需要把信號的觀察時(shí)間限制在一定的時(shí)間間隔，只需要選擇一段時(shí)間信號對其進(jìn)行分析。這樣，取用有限個(gè)數(shù)據(jù)，即將信號數(shù)據(jù)截?cái)嗟倪^程，就等于將信號進(jìn)行加窗函數(shù)操作。而這樣操作以后，常常會發(fā)生頻譜分量從其正常頻譜擴(kuò)展開來的現(xiàn)象，即所謂的“頻譜泄漏”。當(dāng)進(jìn)行離散傅立葉變換時(shí)，時(shí)域中的截?cái)嗍潜匦璧?，因此泄漏效?yīng)也是離散傅立葉變換所固有的，必須進(jìn)行抑制。而要對頻譜泄漏進(jìn)行抑制，可以通過窗函數(shù)加權(quán)抑制DFT的等效濾波器的振幅特性的副瓣，或用窗函數(shù)加權(quán)使有限長度的輸入信號周期延拓后在邊界上盡量減少不連續(xù)程度的方法實(shí)現(xiàn)。窗函數(shù)的基本概念。設(shè)x(n)是一個(gè)長序列，w(n)是長度為N的窗函數(shù)，用w(n

30、)截?cái)?x(n)，得到N點(diǎn)序列xn(n)，即在頻域上則有由此可見，窗函數(shù)即會影響原信號在時(shí)域上變化的波形，也會改變頻域原函數(shù)的形狀。2.2.2窗函數(shù)設(shè)計(jì)原理窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的基本原理是用有限長單位脈沖響應(yīng)序列逼近。由于往往是無限長序列，而且是非因果的，所以用窗函數(shù)將截?cái)啵⑦M(jìn)行加權(quán)處理，得到：就作為實(shí)際設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)序列，其頻率響應(yīng)函數(shù)為：式中，N為所選窗函數(shù)的長度。用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的濾波器性能取決于窗函數(shù)的類型與窗口長度N的取值。設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)對阻帶最小衰減和過渡帶寬度的要求選擇合適的窗函數(shù)類型和窗口長度N 。2.3 窗函數(shù)數(shù)字信號處理的主要數(shù)學(xué)工具是博里葉變換而傅里葉變

31、換是研究整個(gè)時(shí)間域和頻率域的關(guān)系。不過，當(dāng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)工程測試信號處理時(shí)，不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析。做法是從信號中截取一個(gè)時(shí)間片段，然后用觀察的信號時(shí)間片段進(jìn)行周期延拓處理，得到虛擬的無限長的信號，然后就可以對信號進(jìn)行傅里葉變換、相關(guān)分析等數(shù)學(xué)處理。無線長的信號被截?cái)嘁院?，其頻譜發(fā)生了畸變，原來集中在處的能量被分散到兩個(gè)較寬的頻帶中去了（這種現(xiàn)象稱之為頻譜能量泄漏）。 為了減少頻譜能量泄漏，可采用不同的截取函數(shù)對信號進(jìn)行截短，截?cái)嗪瘮?shù)稱為窗函數(shù)，簡稱為窗。 信號截短以后產(chǎn)生的能量泄漏現(xiàn)象是必然的，因?yàn)榇昂瘮?shù)是一個(gè)頻帶無限的函數(shù)，所以即使原信號是有限帶

32、寬信號，而在截短以后也必然成為無限帶寬的函數(shù)，即信號在頻域的能量與分布被擴(kuò)展了。又從采樣定理可知，無論采樣頻率多高，只要信號一經(jīng)截短，就不可避免地引起混疊，因此信號截短必然導(dǎo)致一些誤差。 泄漏與窗函數(shù)頻譜的兩側(cè)旁瓣有關(guān)，如果兩側(cè)瓣的高度趨于零，而使能量相對集中在主瓣，就可以較為接近于真實(shí)的頻譜，為此，在時(shí)間域中可采用不同的窗函數(shù)來截短信號。本設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)截?cái)?，帶來的直接后果就是過渡帶變寬，碼間串?dāng)_增大。以下是矩形窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器，截止頻率=1.2 kHz，采樣速率為9.6kHz，階數(shù)分別為11、21、31、41進(jìn)行比較，沖擊響應(yīng)如圖所示。(a)(b)(c)(d)由表2.1可以看出，階數(shù)越

33、大，濾波器碼間串?dāng)_越小，從其頻譜來看越大，過渡帶越窄，阻帶最小衰減越大。但是越大，實(shí)現(xiàn)起來越困難，綜合考慮后選擇=31。階數(shù)最大碼間串?dāng)_ 11 0220 1 21 0096 8 31 0089 2 41 0006 1表2.1 不同階數(shù)濾波器的碼間串?dāng)_2.4 Parks-McCellan算法在線性相位FIR濾波器設(shè)計(jì)中，和是零相位頻率響應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)的方偉是迭代調(diào)整濾波器的參數(shù)，以便使加權(quán)誤差最小，得到的線性相位FIR濾波器，通常稱為等波紋FIR濾波器。長度為N+1的線性相位FIR濾波器的頻率響應(yīng)的一般形式為。式中幅度響應(yīng)是的實(shí)函數(shù)。在這種情況下，加權(quán)誤差函數(shù)定義為。式中是期望的幅度響應(yīng)；是一個(gè)

34、正的權(quán)重函數(shù)。在指定的頻帶中，選擇合適的來控制峰值誤差的大小。Parks-McCellan算法可以迭代地調(diào)整幅度響應(yīng)的系數(shù)，直到的峰值絕對值最小。4種類型的線性相位FIR濾波器的幅度響應(yīng)表達(dá)式可以用統(tǒng)一的形式來表示，因此，可以用同樣的算法來設(shè)計(jì)4中濾波器（表1）中的任意形式1中。4種類型線性相位FIR濾波器的幅度響應(yīng)可以表示為由此，可以得到加權(quán)逼近函數(shù)的修正形式為若使用記號和則上式可以重寫為這就是加權(quán)逼近誤差函數(shù)的最終表達(dá)式。利用這一表達(dá)式，線性相位FIR濾波器的加權(quán)切比雪夫等波逼近問題可看成是求一組系數(shù)可表示成或或或。在系數(shù)確定以后，由原幅度響應(yīng)的系數(shù)計(jì)算得到吧濾波器的系數(shù)，使其在完成逼近的

35、各個(gè)頻帶上（這里只指通帶或阻帶），的最大絕對值達(dá)到極小。對于線性相位濾波器設(shè)計(jì)的切比雪夫等波紋逼近法，引進(jìn)了逼近理論的一個(gè)定理，即瑞米茲（Remez）交錯(cuò)算法。這是一種高效的迭代算法，它假設(shè)已知濾波器長度N(或L)和比率。如果選擇了權(quán)函數(shù)，也正確地選擇了階數(shù)N，并且設(shè)，就可以得到解。濾波器技術(shù)指標(biāo)中給出了因此需要設(shè)定N的值。凱澤提出了一個(gè)簡單的公式來逼近N，即由于N是近似的，最大誤差可能不等于。如果出現(xiàn)這種情況，需要增加N或減少N，再次用Remez算法確定一個(gè)新的。重復(fù)此過程至。這樣就得到了等波濾波器。2.5 奈奎斯特三大準(zhǔn)則 數(shù)字信號在傳輸過程中產(chǎn)生二種畸變：疊加干擾與噪聲，出現(xiàn)波形失真。瑞

36、典科學(xué)家奈奎斯特在1928年為解決電報(bào)傳輸問題提出了數(shù)字波形在無噪聲線性信道上傳輸時(shí)的無失真條件，稱為奈奎斯特準(zhǔn)則。 奈奎斯特三大準(zhǔn)則： 奈奎斯特第一準(zhǔn)則：抽樣點(diǎn)無失真準(zhǔn)則，或無碼間串?dāng)_（ISIFree)準(zhǔn)則 奈奎斯特第二準(zhǔn)則：轉(zhuǎn)換點(diǎn)無失真準(zhǔn)則，或無抖動（JitterFree）準(zhǔn)則 奈奎斯特第三準(zhǔn)則：波形面積無失真準(zhǔn)則。 第一準(zhǔn)則：抽樣值無失真。即如果信號經(jīng)傳輸后整個(gè)波形發(fā)生了變化，但只要其特定點(diǎn)的抽樣值保持不變，那么用再次抽樣的方法仍然可以準(zhǔn)確無誤地恢復(fù)原始信碼。奈奎斯特第一準(zhǔn)則規(guī)定帶限信道的理想低道截止頻率為fH時(shí)，最高的無碼間干擾傳輸?shù)臉O限速度為2fH。例如，信道帶寬為2000Hz時(shí)，每

37、秒最多可傳送4000個(gè)二進(jìn)制碼元。一路數(shù)字速率為64kbit/s，則無碼間干擾的信道帶寬為32kHz。 第二準(zhǔn)則：轉(zhuǎn)換點(diǎn)無失真。有控制地在某些碼元的抽樣時(shí)刻引入碼間干擾，而在其余碼元的抽樣時(shí)刻無碼間干擾，就能使頻帶利用率達(dá)到理論上的最大值，同時(shí)又可降低對定時(shí)精度的要求。通常把滿足奈奎斯特第二準(zhǔn)則的波形稱為部分響應(yīng)波形。利用部分響應(yīng)波形進(jìn)行傳送的基帶傳輸系統(tǒng)稱為部分響應(yīng)系統(tǒng)。 第三準(zhǔn)則：脈沖波形面積保持不變。即如果在一個(gè)碼元間隔接收波形的面積正比于發(fā)送矩形脈沖的幅度，而其他碼元間隔的發(fā)送脈沖在此碼元間隔的面積為零，則接收端也能無失真地恢復(fù)原始信碼。2.6實(shí)驗(yàn)平臺介紹本課題選用SDR無線電實(shí)驗(yàn)箱，

38、本實(shí)驗(yàn)平臺采用數(shù)字中頻設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)整體采用FPGA+AD/DA+RF的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可以重配置的通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)平臺分為以下部分： 1、核心板：FPGA實(shí)現(xiàn)全數(shù)字通信系統(tǒng)，主要包括基帶信號處理與中頻信號處理兩部分。底板：承載FPGA核心板，以與外設(shè)接口。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）：AD/DA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號的轉(zhuǎn)換。射頻（RF）單元：RF實(shí)現(xiàn)模擬信號的發(fā)射與接收。該軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺主要由系統(tǒng)底板（接口板）、FPGA核心板、高速并行AD/DA模塊和RF模塊構(gòu)成。2.7 FPGA開發(fā)工具簡介與使用2.7.1 ISE簡介Foundation Series ISE(簡稱ISE)是由著

39、名的可編程期間開發(fā)Xilinx公司提供的集成化開發(fā)平臺，ISE的主要功能包括設(shè)計(jì)輸入、綜合、仿真、實(shí)現(xiàn)和下載，涵蓋了FPGA開發(fā)的全過程。設(shè)計(jì)輸入 ISE提供的設(shè)計(jì)輸入工具包括用于HDL代碼輸入和查看報(bào)告的ISE文本編輯器（The ISE Text Editor），用于原理圖編輯的工具ECS(The Engineering Capture System),用于狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的StateCAD與用于約束文件編輯的Constraint Editor等。綜合 ISE的綜合工具不但包含了Xilinx自身提供的綜合工具XST，同時(shí)還可以嵌Mentor Graphics公司的LeonardoSpectrum和

40、Synplicity公司的Synplify，實(shí)現(xiàn)無縫。仿真 ISE本身自帶了一個(gè)具有圖形化波形編輯功能的仿真工具HDL Bencher，同時(shí)又提供了使用Model Tech公司的ModelSim進(jìn)行仿真的接口。實(shí)現(xiàn) 此功能包括了翻譯、映射、布局布線的，還具備時(shí)序分析、管腳指定以與增量設(shè)計(jì)等高級功能。下載下載功能包括了BitGen，用于將布局布線后的設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換為位流文件，還包括了IMPACT，功能是進(jìn)行設(shè)備配置和通信，控制將程序燒寫到FPGA芯片中。2.7.2 使用ISE進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)的流程框圖設(shè)計(jì)驗(yàn)證如圖2.2所示：設(shè)計(jì)輸入功能仿真設(shè)計(jì)綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)時(shí)序分析優(yōu)化時(shí)序仿真反標(biāo)注FPGA-映

41、射-布局布線生成位流電路驗(yàn)證下載到Xilinx器件圖2.2 ISE設(shè)計(jì)框圖2.7.3 Modelsim仿真工具簡介與安裝 Modelsim是由Model公司開發(fā)的一款強(qiáng)大的仿真軟件。它支持Verilog、VHDL以與他們的混合仿真，它可以將整個(gè)程序分步執(zhí)行，使設(shè)計(jì)者直接看到它的程序下一步要執(zhí)行的語句，而且在程序執(zhí)行的任何步驟任何時(shí)刻都可以查看任意變量的當(dāng)前值，可以在Dataflow窗口查看某一單元或模塊的輸入輸出的連續(xù)變化等，是目前業(yè)界最通用的仿真器之一。其功能側(cè)重于編譯和仿真，不具備制定編譯的器件和下載配置的能力，因此需要與ISE等軟件關(guān)聯(lián)使用。第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)根據(jù)DCR協(xié)議，基帶信號

42、處理過程，主要包括4部分的設(shè)計(jì)，分別是調(diào)制過程的成型濾波器、解調(diào)過程的匹配濾波器、Isinc函數(shù)濾波器、幀同步檢測器。本文的主要工作是實(shí)現(xiàn)調(diào)制過程的成型濾波器、解調(diào)過程的匹配濾波器，這兩個(gè)濾波器在實(shí)現(xiàn)上是一樣的。3.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體結(jié)構(gòu)DCR標(biāo)準(zhǔn)4FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示，調(diào)制過程包括組幀、零點(diǎn)插、成形濾波、Sinc濾波、DA轉(zhuǎn)換經(jīng)過無線發(fā)送模塊發(fā)送出去；解調(diào)過程首先接收信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入FPGA，然后經(jīng)過匹配濾波、Isinc濾波、采樣判決、最后進(jìn)行幀同步檢測。調(diào)制解調(diào)器基帶信號處理RxA/DSwSinc濾波器成形濾波器零點(diǎn)內(nèi)插組幀TA、x調(diào)制解調(diào)器基帶信號處理Tx

43、D/A匹配濾波器Isinc濾波器采樣判決器幀同步檢測圖3.1 DCR標(biāo)準(zhǔn)4FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)DCR標(biāo)準(zhǔn)4FSK調(diào)制過程DCR標(biāo)準(zhǔn)：語音信號首先進(jìn)行組幀，然后經(jīng)過零點(diǎn)插，成形濾波器和Sine函數(shù)濾波器，經(jīng)過D/A，最后由射頻模塊發(fā)送出去。具體過程如下：(1)組幀：將語音信號按DCR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組幀，總共分為2種幀格式，同步脈沖SB0，通信用信道SC。(2)零點(diǎn)插：對每一幀數(shù)據(jù)按DCR符號化準(zhǔn)則進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，由二進(jìn)制變換為四進(jìn)制。設(shè)定每個(gè)符號周期采樣4個(gè)值，則在每2個(gè)原四電平信號之間等間隔插入3個(gè)零值點(diǎn)。(3)成形濾波器和Sine函數(shù)濾波器：成形濾波器 采用均方根升余弦滾降濾波器，其頻率響應(yīng)滿足升余弦

44、特性?？梢詾V除高頻成分，限制信號的頻帶和降低碼間串?dāng)_。DCR標(biāo)準(zhǔn)4FSK解調(diào)過程從射頻接收來的信號先經(jīng)A/D采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過匹配濾波器，Isinc函數(shù)濾波器，抽樣判決器，最后通過幀同步檢測器恢復(fù)出數(shù)字信號。(1)匹配濾波器和Isinc函數(shù)濾波器：接收濾波器與調(diào)制過程的成形濾波器完全一樣。Isinc函數(shù)濾波器采用切比雪夫等波紋濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以有效減少碼間串?dāng)_，校準(zhǔn)波形。(2)抽樣判決器：設(shè)定合適判決閾值恢復(fù)四電平信號，然后再轉(zhuǎn)換為二電平信號。(3)幀同步檢測：查找每一幀數(shù)據(jù)的幀頭和幀同步字，確定幀起始位置后進(jìn)行解幀，恢復(fù)出原來數(shù)據(jù)。本文主要研究工作是在調(diào)制解調(diào)器基帶信號處理部分的相

45、關(guān)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)。3.2 VHDL語言概述VHDL是硬件描述語言，即Very High Hardware Description Language的簡稱。 VHDL語言于1982年誕生，1987年底，它被美國國防部和IEEE定為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)公布后，很多開發(fā)EDA工具的公司推出了自己開發(fā)環(huán)境，或宣布自己開發(fā)的設(shè)計(jì)環(huán)境可與VHDL兼容，此后，VHDL語言得到了快速發(fā)展，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域也獲得了廣泛的認(rèn)可。1993年，IEEE經(jīng)過修改發(fā)布了新的VHDL版本，從系統(tǒng)描述和更高的抽象層次擴(kuò)展VHDL語言。VHDL語言是用于實(shí)現(xiàn)硬件電路的一種高級語言，最初由美國國防部開發(fā)VHDL語言，主要是為

46、了提高美軍武器的可靠性和縮短武器研制周期的一種使用圍較窄的設(shè)計(jì)語言。VHDL語言主要用于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的行為、結(jié)構(gòu)、功能以與接口等功能的描述，采用VHDL語言設(shè)計(jì)硬件電路一般采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，即先從整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再向下細(xì)化各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)，分模塊調(diào)試驗(yàn)證，最后將各個(gè)模塊連接在一起進(jìn)行調(diào)試。目前，世界主流的硬件描述語言有VHDL和Verilog兩種，在1995年Verilog硬件描述語言成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)。這兩種語言有以下共同特點(diǎn)：均能抽象描述電路的行為和結(jié)構(gòu)；均能采用層次化設(shè)計(jì)方法；均能對電路進(jìn)行仿真和驗(yàn)證；均能實(shí)現(xiàn)電路由高層到底層的綜合轉(zhuǎn)換；容易理解且設(shè)計(jì)可重用等。這兩者的區(qū)別有一下幾點(diǎn)

47、：VHDL語言語法非常嚴(yán)謹(jǐn)，Verilog類似于C語言的描述，在學(xué)術(shù)界、航天設(shè)備中VHDL語言應(yīng)用的較多，在企業(yè)界Verilog語言應(yīng)用較多；VHDL系統(tǒng)級抽象比Verilog語言好很多，適合大型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，Verilog語言在門級、RTL級以與算法級比Verilog有優(yōu)勢；在芯片設(shè)計(jì)中Verilog語言應(yīng)用的較多，在不同應(yīng)用領(lǐng)域各有各的優(yōu)勢。由于VHDL語法非常嚴(yán)謹(jǐn)本，對于初學(xué)者采用VHDL有利于提高自己寫代碼的風(fēng)格，本設(shè)計(jì)采用VHDL語言實(shí)現(xiàn)多功能豆?jié){機(jī)的控制電路。3.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理分析3.3.1 有限狀態(tài)機(jī)原理本系統(tǒng)控制器的核心是有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA工程中有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)也起到非常

48、重要的作用，有限狀態(tài)機(jī)不僅依賴當(dāng)前的輸入狀態(tài)，還依賴于之前的輸入狀態(tài)，有限狀態(tài)機(jī)包含時(shí)序電路和組合邏輯組成，時(shí)序邏輯即寄存器組由同一個(gè)時(shí)鐘控制的觸發(fā)器組，用來寄存當(dāng)前輸入的狀態(tài)，組合邏輯分為輸出譯碼器和狀態(tài)譯碼器，狀態(tài)譯碼器主要用于在時(shí)鐘驅(qū)動下跳入下一狀態(tài)，輸出譯碼器主要用來產(chǎn)生狀態(tài)機(jī)的輸出向量。有限狀態(tài)機(jī)根據(jù)輸入、輸出以與當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)關(guān)系分為Moore型有限狀態(tài)機(jī)和Mealy型有限狀態(tài)機(jī)，Moore型有限狀態(tài)機(jī)指輸出僅與當(dāng)前的輸入狀態(tài)有關(guān)，Mealy型有限狀態(tài)機(jī)不僅與當(dāng)前的輸入狀態(tài)有關(guān)還與之前的輸入狀態(tài)有關(guān)，Mealy型有限狀態(tài)機(jī)又可分為異步Mealy型狀態(tài)機(jī)和同步Mealy型狀態(tài)機(jī)。有限

49、狀態(tài)機(jī)狀態(tài)編碼也是非常重要的一部分，編碼方式不一樣會導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)時(shí)狀態(tài)機(jī)面積過大或速度太慢。一般采用的編碼方式有三種：格雷碼、二進(jìn)制碼和獨(dú)熱碼。格雷碼和二進(jìn)制碼是采用的壓縮狀態(tài)編碼，使用較少的狀態(tài)位實(shí)現(xiàn)更多的狀態(tài)編碼，當(dāng)使用格雷碼編碼時(shí)，相鄰狀態(tài)機(jī)只有一位發(fā)生變化，這樣即可以減少多條狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號傳輸?shù)难舆t產(chǎn)生的毛刺，也可以降低功耗。當(dāng)使用獨(dú)熱碼時(shí)，每一個(gè)狀態(tài)使用唯一的狀態(tài)編碼，M個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)使用M個(gè)觸發(fā)器，這樣使用的觸發(fā)器資源較多，但是狀態(tài)譯碼簡單，狀態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)速度較快且能減少組合邏輯。這種編碼方式在增加狀態(tài)或改變狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件時(shí)，都可以不影響其他的狀態(tài)機(jī)而很方便的實(shí)現(xiàn)。FPGA狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，若狀

50、態(tài)機(jī)的個(gè)數(shù)小于等于8時(shí)，一般采用格雷碼或二進(jìn)制碼；若狀態(tài)機(jī)的個(gè)數(shù)大于16時(shí)，通常采用獨(dú)熱碼編碼的方式。3.3.2 狀態(tài)機(jī)的基本描述方式在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常用的狀態(tài)機(jī)的基本描述有3種：狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和硬件語言描述。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)機(jī)描述比較自然直觀的方式是狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以很直觀的理解設(shè)計(jì)中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，經(jīng)常在設(shè)計(jì)過程中定義具體實(shí)現(xiàn)的邏輯功能是使用，在分析代碼中的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)也可以使用，如圖3.2所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中列出了S0、S1、S2和S3四個(gè)狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系以與轉(zhuǎn)換條件和輸出，圖中隱含了狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘，大部分EDA設(shè)計(jì)軟件里狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可作為邏輯設(shè)計(jì)輸入，可自動生成狀態(tài)機(jī)

51、實(shí)現(xiàn)的硬件描述語言的代碼。圖3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)機(jī)描述采用列表的方式，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中狀態(tài)化簡常用狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，對于FPGA來說，由于部邏輯資源比較豐富，且狀態(tài)機(jī)編碼要充分考慮整個(gè)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性、安全性等因素，因此優(yōu)化狀態(tài)機(jī)時(shí)不常用狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。HDL語言描述狀態(tài)機(jī)HDL語言描述是狀態(tài)機(jī)具體實(shí)現(xiàn)中常用的設(shè)計(jì)方法，本文多功能給豆?jié){機(jī)控制器的狀態(tài)機(jī)（FSM）設(shè)計(jì)采用HDL語言描述，HDL語言描述狀態(tài)機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)非常靈活，通過規(guī)化的設(shè)計(jì)方法描述狀態(tài)機(jī)可使系統(tǒng)更安全、高效、穩(wěn)定、便于維護(hù)。3.3.3 狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的HDL描述方法FSM狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)分為三部分，當(dāng)前狀態(tài)寄存器轉(zhuǎn)換狀態(tài)（current_st

52、ates）、下一個(gè)狀態(tài)寄存器轉(zhuǎn)換狀態(tài)（next_states）和狀態(tài)邏輯輸出。常用的狀態(tài)機(jī)描述有一段式、兩段式和三段式，一段式即將整個(gè)狀態(tài)機(jī)寫在一個(gè)進(jìn)程（Process）中，一段式設(shè)計(jì)方法不符合將時(shí)序邏輯和組合邏輯分開設(shè)計(jì)的基本原則，不利于對添加附加約束和EDA工具布局布線時(shí)對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；兩段式設(shè)計(jì)即采用兩個(gè)進(jìn)程（Process）實(shí)現(xiàn)，一個(gè)進(jìn)程采用時(shí)序邏輯實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，另一個(gè)進(jìn)程使用組合邏輯描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律，狀態(tài)機(jī)輸出根據(jù)情況放入其中一個(gè)進(jìn)程；三段式設(shè)計(jì)即在兩段式的基礎(chǔ)上，增加了使用同步邏輯時(shí)序描述每個(gè)狀態(tài)輸出的結(jié)果。有限狀態(tài)機(jī)（FSM）采用二段式或三段式的設(shè)計(jì)方法將組合邏輯和時(shí)序邏輯分開

53、編寫，代碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)清晰，方便維護(hù)，有利于附加約、綜合以與有利于布局布線工具對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.3.4濾波器的實(shí)現(xiàn)原理DCR協(xié)議規(guī)定升余弦頻譜特性在發(fā)送濾波器和接收濾波器之間均等的劃分，則成型濾波器和匹配濾波器具有一樣的頻率響應(yīng)如下：其中T=416.7 (2.4k符號/sec)，滾降系數(shù)=0.2。根據(jù)上式濾波器的頻域響應(yīng)是有限的，其時(shí)域響應(yīng)是無限的，這樣的系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中不可實(shí)現(xiàn)。因此，采用FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法，對時(shí)域響應(yīng)h(t)進(jìn)行對稱截?cái)?、抽樣，得到相?yīng)的FIR數(shù)字濾波器。3.4 FIR算法的具體實(shí)現(xiàn)直接型FIR濾波器的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，圖中bN 是濾波器系數(shù)，N是濾波器階數(shù)。由直

54、接型結(jié)構(gòu)圖可見，N階FIR濾波器要用N+1個(gè)系數(shù)表示， 通常需要用N+1個(gè)乘法器和N個(gè)加法器來實(shí)現(xiàn)，即在 FPGA 需完成相應(yīng)的乘加運(yùn)算。z-1z-1 +x(n)y(n)x(n-1)x(n-N+1)b0b1bN-2bN-1z-1圖3.3 FIR濾波結(jié)構(gòu)圖并行 FIR 濾波器具有速度快、易于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，但濾波器階數(shù)較高時(shí)需要占用大量的資源，采用串行優(yōu)化算法可減少資源占用量。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程為：根據(jù)FIR濾波器的頻響特性，利用 Matlab 計(jì)算出濾波器系數(shù)；通過 Matlab 仿真，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否符合要求。算法實(shí)現(xiàn)軟件流程圖如下：圖3.4 算法流程圖500階FIR實(shí)現(xiàn)的頂層框圖如圖3.

55、5所示，CLK是系統(tǒng)工作時(shí)鐘；READ_CLK是AD輸入的數(shù)據(jù)使能信號；DATAIN是采集輸入的有效信號；AD_CLK是AD的采樣時(shí)鐘；DA_CLK是AD的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘；DAOUT是DA轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號。圖3.5 FIR頂層框圖FIR算法的具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖3.6所示，F(xiàn)PGA部主要包括3個(gè)部分，AD信號采集模塊、FPGA部核心設(shè)計(jì)部分FIR濾波算法的具體實(shí)現(xiàn)、FIR濾波結(jié)果輸出模塊。FPGA部邏輯具體代碼見附錄。圖3.6 FIR濾波器實(shí)現(xiàn)框圖FIR濾波算法主控具體實(shí)現(xiàn)主要由狀態(tài)機(jī)控制，狀態(tài)主要由表3.1所示，F(xiàn)IR主控狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3.7所示。表3.1 狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的具體功能狀態(tài)編號實(shí)現(xiàn)具體功能S0FI

56、R濾波算法初始化S1移位并接受最低位或擴(kuò)展符號位S2FIR算法乘加運(yùn)算S3等待乘加運(yùn)算完畢S4等待乘加運(yùn)算完畢S5FIR算法累加位擴(kuò)展S6FIR算法溢出處理圖3.7 FIR主控狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖第四章 系統(tǒng)功能驗(yàn)證4.1 仿真驗(yàn)證方法數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真主要包含功能仿真和時(shí)序仿真，F(xiàn)PGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般分為四個(gè)步驟，具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖4.1所示，首先是根據(jù)設(shè)計(jì)要求提出具體實(shí)現(xiàn)的方案；方案提出后通過調(diào)用IP或編寫硬件描述語言，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的具體思路；邏輯功能實(shí)現(xiàn)后不斷優(yōu)化代碼，然后綜合、布局布線生成下載文件；將下載文件燒寫到FPGA器件外掛的FLASH里。在這個(gè)的實(shí)現(xiàn)過程中，每個(gè)過程都有一個(gè)仿真與之對應(yīng)，設(shè)

57、計(jì)輸入對應(yīng)有功能仿真，設(shè)計(jì)綜合與實(shí)現(xiàn)對應(yīng)時(shí)序仿真，可下載文件加載到FPGA里后，對應(yīng)有個(gè)器件測試。圖4.1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與仿真的對應(yīng)關(guān)系(a)功能仿真功能仿真即代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)的RTL級仿真，在這個(gè)階段可以查找設(shè)計(jì)輸入的代碼語法錯(cuò)誤與邏輯錯(cuò)誤等，這個(gè)過程沒有具體實(shí)現(xiàn)時(shí)電路的延時(shí)等信息，在理想情況下對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，因此只能確保功能的正確性。(b)時(shí)序仿真時(shí)序仿真也稱之為后仿真，這個(gè)過程在布局布線后進(jìn)行仿真，充分考慮電路具體實(shí)現(xiàn)時(shí)的延時(shí)信息以與器件的延時(shí)信息，主要驗(yàn)證器件在FPGA里實(shí)際工作時(shí)的情況。(c)硬件仿真硬件仿真即器件測試過程，將生成的可下載文件加載到FPGA器件，通過運(yùn)行的實(shí)際工作效果判斷設(shè)計(jì)的

58、正確性，這個(gè)過程可以采用輔助工具，如示波器、頻譜分析儀等測試儀器，測試相關(guān)信號來判斷運(yùn)行結(jié)果的正確性。4.2 仿真驗(yàn)證流程我們所說的仿真，大多數(shù)情況是系統(tǒng)的功能仿真，功能仿真可以初步確定設(shè)計(jì)的正確性。通過系統(tǒng)功能仿真可以快速找到設(shè)計(jì)中的不足之處，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)也可以提高系統(tǒng)功能的可靠性。一般系統(tǒng)功能仿真的流程如圖4.2所示，首先，對設(shè)計(jì)中各個(gè)子模塊進(jìn)行功能驗(yàn)證，針對各個(gè)子模塊編寫測試激勵，不斷優(yōu)化調(diào)整邏輯代碼，確定各個(gè)子模塊功能的正確性。各個(gè)子模塊功能驗(yàn)證后，根據(jù)設(shè)計(jì)將各個(gè)模塊級聯(lián)起來，編寫系統(tǒng)整體測試的測試激勵，激勵編寫時(shí)盡量考慮提高測試的覆蓋率，不斷修改調(diào)整激勵與代碼，是整個(gè)功能

59、達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。圖4.2 功能仿真流程本系統(tǒng)基于FPGA的FIR算法的實(shí)現(xiàn)采用Modelsim仿真驗(yàn)證，仿真驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4.3所示，首先采用VHDL語言編寫測試激勵，輸入有時(shí)鐘信號、復(fù)位信號、模擬AD采集的信號輸入。添加激勵輸入到VDHL實(shí)現(xiàn)的FIR算法模塊中，一次FIR運(yùn)算完后，輸入一個(gè)標(biāo)志信號，使能再次產(chǎn)生激勵數(shù)據(jù)輸入到FIR運(yùn)算模塊進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算的結(jié)果可以寫入一個(gè).txt文檔，通過分析文檔中的數(shù)據(jù)判斷FIR運(yùn)算的正確性，或者通過MATLAB工具將文本中數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示出來；也可以在Modelsim仿真軟件的圖形界面里分析FIR運(yùn)算結(jié)果的正確性。圖4.3 FIR測試實(shí)現(xiàn)框圖4.3

60、 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析4.3.1 軟件仿真基于FPGA的FIR設(shè)計(jì)，首先采用Modelsim進(jìn)行功能仿真，濾波器通的帶仿真結(jié)果如圖4.4所示，圖中clk是系統(tǒng)工作時(shí)鐘；cy_clk是ad的采樣時(shí)鐘；datain是輸入的信號；daout是濾波后輸出的信號。Modelsim仿真時(shí)，輸入的波形數(shù)據(jù)首先通過Matlab工具編寫代碼產(chǎn)生，然后寫入一個(gè)文本中。FIR算法信號輸入時(shí)，將波形數(shù)據(jù)從文本中讀出數(shù)據(jù)輸入到FIR算法的輸入端。圖4.4 FIR的Modelsim仿真圖4.3.2 硬件仿真基于FPGA的FIR算法的阻帶硬件仿真如圖4.5所示，其中xn是AD采集輸入的信號；yn是濾波器系數(shù)；temp_xn是經(jīng)