fpga/matlab/simulink算法仿真工程

本文介绍了基于FPGA的BPSK+卷积编码Viterbi译码通信系统的硬件测试版本。系统在仿真基础上增加了ila数据采集模块、vio在线SNR设置模块和数据源模块。硬件测试结果显示，系统能有效工作于3dB、7dB和15dB等不同信噪比环境。文章详细阐述了BPSK调制、帧同步和卷积编码/Viterbi译码的理论基础，并提供了Verilog核心程序代码。系统采用模块化设计，包含信号生成、BPSK调制解调、误码统计等功能模块。开发板使用说明中特别指出，硬件测试时发射接收在同一板内完成，无需定时同步模块。对于不同开

本文介绍了基于FPGA的BPSK+Costas环实现的硬件测试版本，包括算法硬件测试效果、涉及的理论知识概要、Verilog核心程序、开发板使用说明及移植方法，以及如何获取完整算法代码文件。硬件测试在仿真版本基础上增加了ila在线数据采集模块、vio在线SNR设置模块和数据源模块，并提供了详细的测试步骤和操作视频。Costas环作为一种载波同步方法，其结构包括本地振荡器、相位解调器、环路滤波器和控制单元，用于解调相位调制信号。Verilog核心程序展示了模块的时钟、复位、信号生成和处理等关键部分。开发板使用

本文旨在介绍基于FPGA的64QAM调制解调通信系统的设计和实现，包括信号生成、信号调制、信号解调和误码率测试等环节，以验证系统的可行性和性能。在64QAM调制解调系统中，需要生成一定数量的数字信号，作为调制信号和参考信号。其中，s_I(n)表示实部信号，s_Q(n)表示虚部信号，A_I和A_Q分别表示实部和虚部的调制系数，f_c表示载波频率，t(n)表示采样时间。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。

该技术结合了16种相位和振幅的调制方式，通过软判决算法对接收信号进行解调，16QAM软解调的系统原理是将接收到的16QAM调制信号转换为软判决结果，从而恢复原始数据。在16QAM软解调中，接收信号经过采样后，通过比较采样值和16个调制点的距离，选择最近的调制点作为解调结果。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。帧同步的目的是确定每一帧的起始位置，以便接收端能够正确地解调出每帧中的数据。

串/并变换器将速率为Rb的二进制码元序列分为两路,速率为Rb/2.2-4电平变换为Rb/2 的二进制码元序列变成速率为RS=Rb/log216 的 4 个电平信号,4 电平信号与正交载波相乘,完成正交调制,两路信号叠加后产生 16QAM信号.在两路速率为Rb/2 的二进制码元序列中,经 2-4 电平变换器输出为 4 电平信号,即M=16.经 4 电平正交幅度调制和叠加后,输出 16 个信号状态,即16QAM.它是 2ASK 调制的推广，和 2ASK 相比，这种调制的优点在于信息传输速率高。

其中，16PSK（16相位相移键控）作为一种高阶调制方式，具有更高的频谱效率和更强的抗干扰能力，因此备受关注。在16PSK中，一个符号可以表示4比特的信息，即每个符号有16种不同的相位状态。在16PSK中，每个符号可以表示16种不同的相位状态，这16个状态均匀分布在单位圆上，形成一个16点的星座图。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。帧同步码是具有特定规律的码序列，用于接收端识别帧的起始。

其中，8PSK（8相位相移键控）作为一种高阶调制方式，具有更高的频谱效率和更强的抗干扰能力，因此备受关注。在8PSK中，一个符号周期内的相位变化有8种可能的状态，分别对应3个比特的信息。其中，A是载波的振幅，fc是载波的频率，θk是第k个符号的相位，k=0,1,...,7。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。帧同步的目的是确定每一帧的起始位置，以便接收端能够正确地解调出每帧中的数据。

具体来说，有四个频率f1、f2、f3、f4与之对应，每个频率都代表一个二进制组合（00、01、10、11），即十进制的0，1，2，3。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。4FSK调制的基本原理是将输入的二进制数据转换为不同频率的信号，以实现数据的传输。调制信号：将选择的频率进行幅度调制，以便在传输过程中具有更好的抗干扰性能。帧同步的目的是确定每一帧的起始位置，以便接收端能够正确地解调出每帧中的数据。

其中，振幅键控（Amplitude Shift Keying, ASK）是一种简单的数字调制方式，通过改变载波信号的幅度来表示不同的数据位。四进制振幅键控（4-ASK）是ASK的一种扩展形式，它使用四个不同的幅度等级来传输两个比特的信息。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。在数字通信中，信息通常是以帧为单位进行组织和传输的。帧同步的目的是确定每一帧的起始位置，以便接收端能够正确地解调出每帧中的数据。

解调模块使用相干解调器来实现，相干解调器可以将接收到的信号分解成两个正交分量，然后将它们与本地正交信号相乘，得到原始的QPSK符号。在QPSK调制中，每个符号代表两个比特，因此，输入二进制数据流的速率必须是符号速率的两倍。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。QPSK调制模块：将二进制数据流转换为符号序列，并将每个符号映射到特定的相位状态。QPSK解调模块：将接收到的符号序列解调为二进制数据流。

解调模块使用相干解调器来实现，相干解调器可以将接收到的信号分解成两个正交分量，然后将它们与本地正交信号相乘，得到原始的QPSK符号。在QPSK调制中，每个符号代表两个比特，因此，输入二进制数据流的速率必须是符号速率的两倍。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。QPSK调制模块：将二进制数据流转换为符号序列，并将每个符号映射到特定的相位状态。QPSK解调模块：将接收到的符号序列解调为二进制数据流。

​二进制相移键控（BPSK）信号进行相干解调的系统，其包括：用于从所述BPSK信号中恢复出频率为2F的载波信号（C）的装置；BPSK信号与2ASK信号的时域表达式在形式上是完全相同的，所不同的只是两者基带信号s(t)的构成，一个由双极性NRZ码组成，另一个由单极性NRZ码组成。因此，求BPSK信号的功率谱密度时，也可采用与求2ASK信号功率谱密度相同的方法。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。

对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2Fb,xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽B较大，频带利用率小。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。FSK信号的解调也有非相干和相干两种，FSK信号可以看作是用两个频率源交替传输得到的，所以FSK的接收机由两个并联的ASK接收机组成。

2ASK调制解调是一种数字调制解调技术,它是基于ASK调制的一种数字调制方式。2ASK调制的原理是将数字信号转换为二进制码,然后将二进制码与载波信号相乘,得到调制信号。在2ASK调制中，数字基带信号控制载波的幅度。帧同步的过程就是在接收序列中寻找与帧同步码匹配的位置，一旦找到匹配位置，就确定了帧的起始位置，后续的码元就可以按照帧结构进行正确的划分和处理。其中，g(t)是基带脉冲形状，Ts是基带脉冲间隔，ωc是载波的角频率。帧同步的目的是确定每一帧的起始位置，以便接收端能够正确地解调出每帧中的数据。

软件无线电是现代通信技术的重要研究领域和发展方向,目前发展迅速.快速发展的软件无线电技术与落后的硬件计算资源之间的矛盾越来越突出.为了缓解这个矛盾,一方面可以加快集成电路的研发进度,提升硬件的计算性能;MSK信号具有特点如下：①MSK信号是正交信号；这里，我们考虑到硬件平台的高度可移植性，我们采用了无核化设计，就是全部使用verilog进行设计，下面首先说明一下系统的各个管脚。MSK符号，多维有符号数，需要使用chipscope在线看。MSK符号，多维有符号数，需要使用chipscope在线看。

QPSK是一种常用的调制方式，通过将两个比特映射到一个复平面上的相位点，实现了高效的信号传输。软解调是一种基于接收信号的概率估计进行解调的方法，能够提供更好的性能。软解调是一种通过概率估计实现解调的方法，能够在信道噪声存在的情况下提供更好的性能。其中P(d_hat|r[n])表示在接收到信号r[n]的条件下，判决符号d_hat为d_hat的概率。软解调是QPSK软解调的关键步骤，它利用判决符号和相位估计的结果进行概率估计，以提高解调的准确性。假设判决符号为d_hat，软解调过程的结果为软解调符号d。

该技术结合了16种相位和振幅的调制方式，通过软判决算法对接收信号进行解调，16QAM软解调的系统原理是将接收到的16QAM调制信号转换为软判决结果，从而恢复原始数据。在16QAM软解调中，接收信号经过采样后，通过比较采样值和16个调制点的距离，选择最近的调制点作为解调结果。总结而言，16QAM软解调是一种通过比较采样值与调制点的距离，选择最近的调制点来解调接收信号的方法。设接收信号的采样值为$r$，我们需要通过比较$r$与16个调制点的距离，选择最近的调制点。根据索引i，确定接收信号对应的调制符号。

其中，振幅键控（Amplitude Shift Keying, ASK）是一种简单的数字调制方式，通过改变载波信号的幅度来表示不同的数据位。四进制振幅键控（4-ASK）是ASK的一种扩展形式，它使用四个不同的幅度等级来传输两个比特的信息。基于FPGA的4ASK调制解调系统结合了数字信号处理的灵活性与硬件实现的高效性，适用于多种通信场景。通过对调制解调原理的深入理解及FPGA平台的有效利用，可以构建出高性能且具有较强适应性的通信系统。VIO设置SNR=15db。VIO设置SNR=25db。

具体来说，有四个频率f1、f2、f3、f4与之对应，每个频率都代表一个二进制组合（00、01、10、11），即十进制的0，1，2，3。频率选择：根据输入的比特组合选择相应的频率输出。首先通过带通滤波器将所需的频率信号提取出来，然后通过解调器将其还原为原始的二进制数据。调制信号：将选择的频率进行幅度调制，以便在传输过程中具有更好的抗干扰性能。4FSK调制的基本原理是将输入的二进制数据转换为不同频率的信号，以实现数据的传输。解调则是将接收到的不同频率的信号还原为原始的二进制数据。vio设置SNR=10db。

1024QAM是一种高级调制方式，可以携带更多的信息位（10比特/符号），从而实现更高的数据传输速率。然而，这也带来了更高的误码率（BER）要求和更复杂的信号处理需求。1024QAM调制将输入的10比特映射到一个复数平面上的1024个不同的星座点之一。《基于FPGA的1024QAM基带通信系统,包含testbench,高斯信道模块,误码率统计模块,可以设置不同SNR》串并转换：将串行数据转换为并行数据。星座映射：将输入数据映射到星座点。数据接口：负责数据的输入输出。星座检测：检测最接近的星座点。

星座点分配：具体来说，星座图上的每个点都有一个特定的坐标（I,Q），其中I 表示同相分量，Q 表示正交分量。在标准化的256QAM星座图中，I 和 Q 的取值范围通常是−7,−5,−3,−1,1,3,5,7−7,−5,−3,−1,1,3,5,7 或者类似的比例因子乘以这些值。星座图结构：256QAM星座图通常呈格状排列，每个点在I-Q 平面上的位置决定了其代表的比特组合。例如，如果使用灰度编码（Gray coding）来减少相邻星座点之间的比特翻转数，那么每个点周围的8个邻居将与其仅有一个比特的不同。

本文旨在介绍基于FPGA的64QAM调制解调通信系统的设计和实现，包括信号生成、信号调制、信号解调和误码率测试等环节，以验证系统的可行性和性能。其中，s_I(n)表示实部信号，s_Q(n)表示虚部信号，A_I和A_Q分别表示实部和虚部的调制系数，f_c表示载波频率，t(n)表示采样时间。在64QAM调制中，实部和虚部分别采用8QAM调制，然后叠加在一起，最终得到64QAM调制信号。在64QAM解调中，首先需要将接收到的实部和虚部，进行8QAM解调，最后将解调后的实部和虚部重新组合成数字信号。

串/并变换器将速率为Rb的二进制码元序列分为两路,速率为Rb/2.2-4电平变换为Rb/2 的二进制码元序列变成速率为RS=Rb/log216 的 4 个电平信号,4 电平信号与正交载波相乘,完成正交调制,两路信号叠加后产生 16QAM信号.在两路速率为Rb/2 的二进制码元序列中,经 2-4 电平变换器输出为 4 电平信号,即M=16.经 4 电平正交幅度调制和叠加后,输出 16 个信号状态,即 16QAM.它是 2ASK 调制的推广，和 2ASK 相比，这种调制的优点在于信息传输速率高。

16PSK是一种相位调制技术，其中载波信号的相位根据要传输的信息发生改变。在16PSK中，一个符号可以表示4比特的信息，即每个符号有16种不同的相位状态。在16PSK中，每个符号可以表示16种不同的相位状态，这16个状态均匀分布在单位圆上，形成一个16点的星座图。十六进制相位移键控（16PSK, 16-Phase Shift Keying）是一种数字调制技术，它通过改变载波相位来传输信息。16PSK能够在一个符号时间内传输4比特的信息，因此在高速数据传输中得到了广泛应用。vio设置SNR=35db。

其中，8PSK（8相位相移键控）作为一种高阶调制方式，具有更高的频谱效率和更强的抗干扰能力，因此备受关注。然而，8PSK调制解调的实现复杂度较高，需要高效的数字信号处理技术。8PSK调制是一种相位调制方式，其基本原理是通过改变载波的相位来传递信息。在8PSK中，一个符号周期内的相位变化有8种可能的状态，分别对应3个比特的信息。其中，A是载波的振幅，fc是载波的频率，θk是第k个符号的相位，k=0,1,...,7。θk的取值由输入的比特序列b2b1b0决定，具体的映射关系如表1所示。表1：8PSK映射关系。

基于FPGA的QPSK调制解调系统通常由以下几个模块组成：数据生成模块：生成要传输的二进制数据流。解调模块使用相干解调器来实现，相干解调器可以将接收到的信号分解成两个正交分量，然后将它们与本地正交信号相乘，得到原始的QPSK符号。在QPSK调制中，每个符号代表两个比特，因此，输入二进制数据流的速率必须是符号速率的两倍。在QPSK调制解调系统中，需要确定每个模块的功能和接口，并确定数据流的方向和速率。QPSK调制模块：将二进制数据流转换为符号序列，并将每个符号映射到特定的相位状态。vio设置SNR=5db。

在二进制频移键控中，幅度恒定不变的载波信号的频率随着输入码流的变化而切换（称为高音和低音，代表二进制的1 和0）。相位连续的FSK信号的功率谱密度函数最终按照频率偏移的负四次幂衰落。对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2Fb,xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽B较大，频带利用率小。FSK信号的解调也有非相干和相干两种，FSK信号可以看作是用两个频率源交替传输得到的，所以FSK的接收机由两个并联的ASK接收机组成。

在2ASK调制中，数字基带信号控制载波的幅度。例如，我们可以创建一个调制器模块，它接收二进制输入，根据2ASK调制原理生成相应的调制信号。同样，我们也需要创建一个解调器模块，它接收调制信号，通过包络检波恢复出原始的二进制序列。在FPGA实现过程中，需要注意的是，由于FPGA是硬件实现，所以设计需要考虑实时性和并行性。在FPGA上实现2ASK调制解调系统主要分为以下几个步骤： 系统设计：首先，我们需要根据2ASK调制解调的原理设计出系统的整体架构，包括调制器、信道模拟器和解调器等主要部分。