基于FPGA水声通信调制解调系统的设计与实现

发布时间：2017-09-08 09:25

  本文关键词：基于FPGA水声通信调制解调系统的设计与实现

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【摘要】：随着人们对海洋的不断探索,水声通信技术越来越被重视。本论文所设计基于FPGA水声通信调制解调系统,是一套单向低速率水声通信系统,在实现水声通信的基础上,旨在验证所设计的水声通信系统硬件平台和系统整体方案的可行性,并为系统后期系统的优化和升级奠定基础。该设计分别对系统的功率放大器、小信号放大器、FPGA数字处理系统等硬件部分进行设计与实现;并同时通过一定的软件算法对信号进行调制解调,从而完成整个水声通信系统的设计和验证工作。本论文的主要工作之一是水声通信系统硬件平台的实现,包括功率放大器,小信号放大器电路。功率放大器是水声通信中发射机中最重要的部分,本文描述一种高效率的D类功率放大器设计与实现方法。选用了一片集成了三角波产生、信号比较器、MOSFET驱动电路以及保护功能的驱动芯片,桥接两个专为D类功率放大器而优化的MOSFET功率管,组成效率高、低失真的数字功率放大器,并且具有较小的尺寸,能大大减少功放电路的体积、重量及成本。接收端的小信号放大电路是通过运放芯片组成多级放大电路组成,并在放大电路的一级和最后一级加了带通滤波器滤除噪声干扰,来完成水声小信号的放大工作。本论文的另一个主要工作是在硬件电路的基础上完成FPGA的调制解调系统方案设计。调制方式采用了FSK调制,虽然传输速率较低,但是具有很好的抗干扰能力,而且便于实现和调试。解调部分采取了FFT解调,调用了FPGA的已经设计好的FFT IP核,可以准确快速的完成FFT工作。在信号接收端本设计采用自相关算法来实现信号的检测,并完成信号的同步操作来克服码间干扰。
【关键词】：功率放大器 小信号放大 水声置信 FFT FSK
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.3
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-13
• 1.1 课题的研究背景10
• 1.2 水声通信国内外发展现状10-11
• 1.3 论文主要研究内容11-13
• 2 系统构建原理13-29
• 2.1 系统框图13
• 2.2 信号的调制13-16
• 2.2.1 调制方式选择13-14
• 2.2.2 FSK原理14-16
• 2.3 信号的解调16-23
• 2.3.1 解调方式的确立16-17
• 2.3.2 FFT实现原理17-18
• 2.3.3 FPGA内部FFT处理器结构18-22
• 2.3.4 FFT点数的确定22-23
• 2.4 信号检测23-26
• 2.4.1 信号检测概述23
• 2.4.2 相关检测法实现信号检测23-26
• 2.5 多途效应26-27
• 2.5.1 声传播的多途效应26-27
• 2.5.2 克服码间干扰方法27
• 2.6 系统理论可行性验证27-29
• 2.7 本章小结29
• 3 系统硬件设计29-45
• 3.1 数字功率放大器设计29-35
• 3.1.1 D类功率放大器原理30
• 3.1.2 D类功率放大器设计30-35
• 3.1.3 数字功放电路设计图35
• 3.2 小信号放大器设计35-40
• 3.2.1 小信号放大电路方案确立35-36
• 3.2.2 小信号放大电路设计36-40
• 3.2.2.1 前置放大器36-37
• 3.2.2.2 有源带通滤波器37-39
• 3.2.2.3 中间级放大电路39-40
• 3.3 阻抗匹配设计40-45
• 3.3.1 变压器的设计40-41
• 3.3.2 调谐匹配41-43
• 3.3.3 阻抗匹配的参数计算43-45
• 3.4 数字信号处理电路设计45
• 3.5 本章小结45
• 4 系统软件算法FPGA实现45-62
• 4.1 发送端FPGA内部实现45-51
• 4.1.1 FSK的FPGA实现46-49
• 4.1.1.1 正弦信号发生器设计46-47
• 4.1.1.2 DDS原理47-48
• 4.1.1.3 频率控制字K的计算48-49
• 4.1.2 FSK信号调制FPGA设计49-51
• 4.2 接收端FPGA内部实现51-62
• 4.2.1 FFT IP核的使用52-54
• 4.2.2 解调系统各模块实现54-62
• 4.2.3 FPGA解调系统整体实现62
• 5 系统实验测试62-71
• 5.1 数字功放测试62-65
• 5.2 FFT IP核测试65-67
• 5.3 信号检测测试67-69
• 5.3.1 无噪声时信号检测测试67-68
• 5.3.2 含噪声信号的检测测试68-69
• 5.4 整体测试69-71
• 6 总结与展望71-72
• 参考文献72-74
• 致谢74-75
• 个人简历75-76
• 发表的学术论文76

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本文编号：813212