数字调制技术及FPGA发展概况分析

数字调制技术及FPGA发展概况分析

单新宇

单新宇

（太原航空仪表有限公司030006）

摘要：本文主要介绍了数字通信的发展背景，并对数字调制技术以及现成可编程逻辑门阵列（FPGA）的发展及应用现状进行了详细论述。

关键词：数字调制技术；FPGA；发展

1.绪论

目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信，成为当代通信技术的主流。

模拟信源的输出可以转换成数字形式，消息可以通过数字调制后发送，并在接收端解调成数字信号。利用数字调制发送模拟信号具有一些潜在的优势，其中最重要的一点是，与模拟传输相比，通过数字传送的信号，其保真度能够得到更好的控制。尤其重要的是，在长距离传输时，数字传输允许对数字信号进行再生处理，这样就可以在每个再生节点消除噪声影响。而与此相反，长距离传输中叠加到模拟信号上的噪声会随着模拟信号电平的周期性放大而逐次累加。选择数字传输方式的另一个原因是，模拟消息信号可能高度冗余，采用数字处理就可以在调制之前消除其冗余度，从而压缩带宽。还有第三个原因，即数字系统的实现成本通常比较低。

作为数字通信领域中极为重要的一部分，数字调制解调技术得到了迅速发展。一方面，随着全数字调制解调器专用集成电路的发展，发送与接收设备在通信传输中可以更加紧凑，从而降低了成本和功耗，并且大大提高了设备的可靠性。另一方面，全数字调制解调技术的使用，有可能使各类现代调制解调技术融为一体。

2.数字调制技术

调制技术最初的发展是从模拟信号的调制解调技术开始的，随着数字通信技术的快速发展，数字调制技术也得到了相应的发展以及广泛的应用。

数字调制信号又可称为键控信号，载波包含3个变量：频率、相位和振幅，而且二进制信号的状态只包含高、低电平两个逻辑量，所以，在调制的过程中，可以采用键控的方法，通过基带信号对载频信号的3个变量进行调制，主要的方法包括：相移键控（PSK）、频移键控（FSK）和振幅键控（ASK）。

由于所处理基带信号进制的不同，调制具体可分为二进制和多进制。多进制数字已调信号的被调参数的取值有多种可能性，因此，多进制数字调制有很多优点：多进制系统的信息传输速率在相同的码元传输速率下比二进制系统高，比如，四进制系统的信息传输速率是二进制系统的两倍；多进制系统的码元传输速率在相同的信息传输速率下比二进制系统低，所以，多进制信号码元的持续时间要比二进制长。显然增大码元宽度，会增加码元的能量，并且能减少码间干扰的影响等。基于上述的优点，多进制调制方式可广泛应用于数字卫星广播、数字通信和数字视频广播等领域。

19世纪80年代初期，人们选用的是恒包络数字调制。这类数字调制技术的优点是已调信号具有相对窄的功率谱，且对放大设备没有线性要求，不足之处是其频谱利用率低于线性调制技术。

到19世纪80年代中期以后，四相绝对移相键控（QPSK）技术广泛应用于数字微波通信系统、宽带接入数字卫星通信系统、移动通信及有线电视系统中：原因是QPSK具有误码性能好、频谱利用率高、抗干扰性能强等优点。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、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。

目前国内调制解调器已有一些研究成果和芯片问世。但是，国内的产品大多基于通用DSP实现，支持的速率比较低。由于运算量较大和硬件参数的限制，采用通用DSP或普通算法无法胜任高速率调制解调的任务。FPGA的时钟延迟可达到纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面都有着非常广阔的应用前景，本文就是研究基于FPGA实现QPSK调制器。

3.FPGA的发展概况

随着可编程逻辑技术的不断进步和创新，FPGA（现成可编程逻辑门阵列）已被广泛应用于通信、航天、医疗、汽车电子、工业控制等领域。由于其现场逻辑功能可重构且具有高集成度、高密度和高性能等特点，因而已得到迅猛发展。FPGA芯片所包含的资源越来越丰富，可实现的功能也越来越强，这使得FPGA在电子电路设计中越来越重要。

20世纪90年代以来，微电子技术发展速度非常惊人，其工艺水平已经达到深亚微米级，在一个芯片上可集成数百万乃至上千万只晶体管，在这个基础上，可以开发出规模更大、信息容量更大和速度更快的芯片系统，从而促进了电子设计自动化（EDA）技术的快速发展。FPGA的出现就是超大规模数字集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果。

与传统的设计方法相比，FPGA具有许多优点，例如功能强大，设计周期短，保密性好，可反复编程修改，开发工具智能化等，软件无线电可编程能力强，易于升级的特点得到了充分的体现。使用FPGA取代或部分取代专用ASIC芯片可提高系统的通用性和灵活性。FPGA允许设计者利用基于计算机的开发平台进行系统设计输入、仿真、测试和校验，从而达到预期设计的结果。FPGA可以看作是介于ASIC和DSP之间的一种实现手段，它即具有ASIC的告诉处理能力，又拥有很好的可重构性能，而且开发成本低，开发周期短，优势十分明显。

FPGA的结构一般分为三部分：可编程逻辑块、可编程内部连线和可编程I/O模块。FPGA的工作频率也在不断的提高，并且处理能力增强。随着大规模可编程逻辑器件的快速发展，系统的设计进入了“片上可编程系统（SOPC）”的新纪元，越来越多的新型FPGA内嵌CPU或者DSP内核，支持软硬件协同设计。芯片的发展趋势是高密度、低功耗和低压，国际各大公司都在积极研发并扩充其IPcore库，以更优化的资源满足用户的需求从而扩大市场。随着这种快速发展的趋势，FPGA已经成为软件无线电数字信号处理的一种极为有效的实现平台。其内部结构不仅可以是实现高速的信号处理，而且其灵活的可重构性能够保证系统实现在线调试，使系统具有高度的灵活性和更好的通用性。当系统需要增加新的无线接口时，只需将现有FPGA的内部逻辑进行重构，而不需要增加新的FPGA芯片进行控制，这样不仅降低了设备的设计和实现成本，而且缩短了系统的开发周期。正是FPGA所具有的这些优点，使之在软件无线电技术的研究、系统设计及实现和设备开发中扮演着越来越重要的角色。

参考文献

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