论文总字数：27253字

摘 要

近年来,在计算机和数字信号处理技术快速发展的推动下,数字调制解调技术成为了通信系统的核心技术之一，传统的基于FPGA或者DSP的方案已经渐渐不能满足对于性能和功耗的要求，Xilinx推出的Zynq-7000平台应运而生，使高性能低功耗的数字调制解调成为可能。

本文基于Zynq-7000平台实现了QPSK数字调制解调的设计。本设计在Zynq-7000平台的FPGA端完成数字调制解调，用ARM控制整个处理流程和数据收发。本论文主要内容如下：

分析了QPSK调制解调的原理和Costas环载波同步原理，通过Matlab实现了QPSK调制解调的仿真，并得到了相关设计参数。在Vivado的开发环境下设计了QPSK调制解调和Csatas环载波同步的硬件实现方案，包括NCO、匹配滤波器、鉴相器和环路滤波器等。

在Zynq-7000平台上实现了QPSK的调制和解调，通过示波器观察了调制解调波形。仿真结果和最后的示波器显示图像表明，本文基于Zynq-7000平台设计的数字调制解调方案是可行和正确的。

关键词：Zynq-7000、数字调制解调、QPSK、Vivado、Costas

Abstract

In recent years, under rapid development of computer and digital signal processing technology, digital modulation and demodulation technology has become the core technology of communication system, traditional FPGA or DSP-based programs have been not gradually meet the requirements of hardware and power, Xilinx invents the Zynq-7000 platform, which makes a high-performance and low-power digital demodulation system become possible.

This paper researches the design of digital QPSK modulation and demodulation based on Zynq-7000. This design completes digital modulation and demodulation on the FPGA end of Zynq-7000 platform, and controls the whole process flow and data transceiver with ARM. The main content of this paper is as follows:

Firstly, we have analyzed the principles of QPSK modulation and Costas loop carrier synchronization, and realized the simulation of QPSK by Matlab and got the relevant design parameters. Then, designed the hardware implementation scheme of QPSK modulation and Costas loop carrier synchronization, including NCO, matched filter, phase detector and loop filter, etc.

We have realized QPSK modulation and demodulation on the Zynq-7000 platform, and observed the waveform of the modulation and demodulation by oscilloscope. The simulation results and the final oscilloscope show that the digital modulation and demodulation program on Zynq-7000 platform is feasible and correct.

Keywords:Zynq-7000、 Digital modulation and demodulation、QPSK、Vivado、Costas

目 录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 数字调制解调方案 1

1.2.1 基于FPGA DSP方案 1

1.2.2 基于SOPC的调制解调方案 2

1.2.3 本文方案 2

1.3 本文主要内容及结构 3

1.4 本章小结 4

第二章 数字调制解调原理 5

2.1 引言 5

2.2 MPSK调制解调原理 5

2.2.1 QPSK调制 5

2.2.2 QPSK解调 6

2.3 载波同步 7

2.4 本章小结 8

第三章 开发工具和开发流程 9

3.1 引言 9

3.2 可编程逻辑开发工具 9

3.2.1 Vivado 2014.2 9

3.2.2 SDK 2014.2 11

3.3 软硬件协同设计流程 12

3.4 本章小结 13

第四章 硬件部分介绍 14

4.1 硬件总体设计 14

4.2 射频子板 15

4.3 ZedBoard开发板简介 16

4.4 Zynq-7000平台介绍 17

4.4.1 Zynq-7000结构简介 17

4.4.2 Zynq-7000平台的优点 18

4.5 FMC接口 19

4.6 PL和PS接口 19

4.7 本章小结 20

第五章 数字调制的实现 21

5.1 基于Zynq的QPSK调制原理 21

5.1.1 QPSK调制部分核心模块设计 21

5.2 QPSK调制的实现 26

5.2.1 QPSK在Matlab上的仿真 26

5.2.2 QPSK调制的实现 27

5.3 本章小结 28

第六章 数字解调的实现 29

6.1 QPSK解调端介绍 29

6.1.1 QPSK解调部分总体结构 29

6.2 载波同步介绍 29

6.2.1 锁相环的组成 30

6.2.2 环路滤波器介绍 30

6.2.3 Costas环鉴相器介绍 31

6.3 基于Matlab的Costas环仿真 32

6.4 基于Zynq平台的载波同步环设计与实现 34

6.4.1 匹配滤波器设计 34

6.4.2 环路滤波器设计 35

6.4.3 NCO设计 35

6.4.4 基于Zynq平台的载波同步环仿真 35

6.5 QPSK相干解调的实现 37

6.6 本章小结 37

第七章 总结与展望 38

致谢 39

参考文献 40

第一章 绪论

1.1 引言

最近几十年以来,计算机技术和数字信号处理技术发展迅速，其中无线通信技术也得到了快速的发展。现代通信最重要的标志是计算机技术、数字信号处理技术和通信技术的结合。

数字调制解调技术是第二代移动通信系统中非常重要的技术，数字调制技术逐步的取代了模拟调制的地位,数字调制相比模拟调制而言具有更强的抗干扰性、抗衰落性和良好的误码性能。

1.2 数字调制解调方案

1.2.1 基于FPGA DSP方案

采用FPGA DSP架构是实现数字调制解调中数字信号采集、调制解调和传输功能的常用方案。该方案结构框图1-1所示：

调制信号

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