数字信号的基带传输系统VHDLFPGA实现.doc

2011年小学期电路综合实验 ——数字基带传输系统 学院： 信息与通信工程学院 班级： 2009211109班 学号： 序号： 29 姓名： 方芳 负责： 滤波器+系统级联 一．实验目的： （1）理解数字语音传输系统的原理和构成，以及各个功能模块的功能和实现原理。 （2）掌握FPGA的设计流程和设计方法，熟练掌握应用软件Quartus II和Modelsim的使用。 （3）学习并掌握FPGA的自顶向下的设计思想，并熟练使用VHDL语言编程设计芯片。 （4）学会借助Matlab仿真系统进行系统各项性能的验证。 （5）锻炼自身调试硬件电路板的能力，培养独立解决问题的能力。 二．实验内容： 在给定的FPGA开发板上完成数字信号的基带传输系统，独立设计并开发系统的每个功能模块，实现输入信号的编码，滤波，传输（加性高斯白噪声），取样判决，最后验证传输质量。本实验以硬件设计为主，仿真软件为辅的原则，使用硬件来实现系统的功能，同时借助Matlab仿真软件完成滤波器系数的产生，通过绘制输出结果的波形，分析输出的结果的正确性。 分析数字基带传输系统的构成，每个功能模块实现的功能。 借助Modelsim仿真数字基带传输系统，并计算误码率，比较升余弦滚降滤波器的滚降系数α不同时的抗干扰的性能。 仿真无误后，在QuartusII中编译，并生成可下载的.sof文件，最后下载到FPGA开发板上实现其功能。 调试硬件电路板，出现问题时，分析解决问题，最终实现功能。 实验原理： 1.、整个系统设计原理 数字基带传输系统的原理框图如图1-1所示： 图1-1 上图是最佳基带系统的模型。对于理想信道，可假设C(f)=1。图中加性高斯白噪声（AWGN）是双边带功率谱密度为No/2的白噪声。为了达到最佳接收目的，总体传输特性设计为升余滚降滤波器Hr(f)=Gt(f)*C(f)*Gr(f)，由于C(f)=1，只要Gt(f)*Gr(f)要满足升余弦的特性就可以实现最佳接收。这里在发送端设计一个根升余弦滚降滤波器作为发送滤波器，在接收端设计一个完全相同的根升余弦滤波器作为接收滤波器，这样Gt(f)*Gr(f)就满足了升余弦的特性。根据此模型我们可以用Matlab仿真的方法来测量该系统的误码率，比较滚降系数不同时系统的性能。基于图1-1所示的原理图，可以将系统分为七个模块，每个模块的功能如下，均用VHDL进行编程来实现。 输入数字信号生成器，首先使用小m序列生成器，生成随机的数字信号;为了滤波的需要，还需将单极性的0，1码变成+1，-1的双极性码。 发送端的根升余弦滤波器采用数字FIR滤波器来实现。借助Matlab中仿真根升余弦滤波器，并编程产生滤波器的抽头系数，然后将系数读入VHDL程序中，并完成输入信号和抽头系数的卷积。最后，将卷积后的结果读回到Matlab中，绘制波形图和眼图，分析结果正确与否。 加性高斯白噪声（AWGN）的设计：按照给定算法实现随机的高斯白噪声。 理想信道C(f)=1：实现信号和噪声的相加。 接收端的根升余弦滤波器同样采用数字FIR滤波器来实现，设计方法和发送滤波器相同。 取样判决，按照接收准则对取样信号进行判决。 比较输入和输出信号，统计错误码元数目和总码元数目。 2、滤波器设计原理 1）、根升余弦滚降滤波器的设计 为了实现最佳传输，我们知道，只要发送滤波器、信道和接收滤波器三者的传输函数的乘积，即Hr(f)=Gt(f)*C(f)*Gr(f)，是升余弦滚降，此时可以满足奈奎斯特准则，就可以实现最佳接收，如图2-2所示是理论的升余弦滚降的频谱和时域冲激响应。为了实现确定信号在加性高斯白噪声干扰下的最佳接收，在设计中采用匹配滤波的方法，即Gs(f)和Gr(f)的频谱特性相同，均设计为根升余弦滤波器，将升余弦开方即可。 图2-2 由图2-2可知，当滚降系数取不同的值时（例如α=1，0.5或0.001），升余弦滚降滤波器的时域响应的最大值和过零点要保证相同，频域响应的截止频率应符合W=(1+α) ×Ws（其中的Ws为α=0时的截止频率，即Ws=1/2Ts，Ts为单位码元传输时间）。 为了实现滤波，在VHDL程序中最重要的参数就是滤波器的抽头系数。在本设计中，抽头系数的产生借助Matlab来完成，实验中给出的抽头系数，它们分别是当滚降系数分别为α=0.05，α=0.5，α=1的17阶（即N=17）的FIR滤波器的抽头系数h(n)：h(0)～h(16)，这里抽头系数量化为16bit。编写Matlab程序来仿真滤波器并产生抽头系数，同时可以参考图2-3中用Matlab仿真出的频谱和时域冲激响应，左上为根升余弦的时域冲激响应，左下为升余