超声波语音通信的调制器设计毕业设计Word文档下载推荐.docx

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超声波语音通信的调制器设计

摘要：

随着语音通信技术的飞速发展，超声波语音通信由于其抗干扰能力强，在通信系统中越来越受重视。

本文基于Δ/Σ调制器模型，利用FPGA的AM调制技术对超声波信号进行采集和处理，在A/D转换器部分用ΣΔA/D转换器替代，利用FPGA硬件平台来实现了超声波语音信号的调制。

ΣΔA/D转换器利用过采样技术、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率，其实质是以高速率换取分辨率，从而减小了实现高精度ΣΔA/D转换器的复杂性，有效衰减输出信号的带内量化噪声，提高了带内信噪比。

设计中将软件无线电的思想渗透其中，将原来运用模拟器件构建的电路都通过软件编程的方法来实现，增加了系统的灵活性。

系统的硬件电路由AM调制电路和功放电路组成。

在软件仿真时，利用QuartusII开发软件，采用VHDL和QuartusII内嵌的图表编辑器的原理图式图形输入法混合编程的方式，编写了各模块单元，在FPGA内部实现了调幅功能。

仿真结果符合信号调制要求。

关键词：

Δ/Σ调制器；

超声波语音通信；

FPGA；

QuartusII

TheDesignofUltrasonicVoiceCommunicationsModulator

StudentmajoringinElectronicinformationscienceandtechnologyLeiYan

Tutor

Abstract：

Withtherapiddevelopmentofvoicecommunicationstechnology,becauseofitsstronganti-interference,ultrasonicvoicecommunicationgetmoreandmoreattentionincommunicationsystem.BasedontheΔ/ΣmodulatormodelandtheFPGAAMmodulationtechnologyofultrasonicsignalacquisitionandprocessing,thispaperuseΣΔA/DconverterinsteadingofA/Dconverterpartly,maketheFPGAhardwareplatformtorealizetheultrasoundmodulationofthespeechsignal.ΣΔA/Dconverterusesamplingtechnology,noiseplasticanddigitalfilteringtechnologytoincreaseeffectiveresolution,itsessenceisthehighrateforresolution,thusreducethehighprecisionΔA/Dconvertercomplexity,effectiveattenuationoftheoutputsignalwithinnerquantizationnoiseandimprovethesignal-to-noiseratiowithinner.Thedesignofsoftwareradiothoughtmakepenetrateofthem,foraconstructionofcircuitusingsimulatorsarethroughsoftwareprogrammingmethodtorealize,increasetheflexibilityofthesystem.Insoftwaresimulation,useQuartusIIdevelopmentsoftware,aVHDLandQuartusIIembeddedcharteditoroftheprincipleofmixingprogrammingschemagraphicsinputmethodway,writeeachmoduleunit,FPGAinternalrealizedtheattenuationfunction.Thesimulationresultsofsignalmodulationiswhatweaskfor.

Keywords:

Δ/Σmodulator;

Ultrasonicvoicecommunication;

FPGA；

1绪论

1．1调制器的研究背景

自90年代初以来，对Sigma-Delta调制型ADC/DAC的研究，一直是国际上的一个研究热点。

随着集成电路设计进入系统芯片时代，由于Sigma-Delta调制型ADC/DAC的高精度的性能及其易于CMOSVLSI技术实现的优点，它已经成为用于系统级芯片的高性能的嵌入式ADC/DAC的主导技术和发展方向。

目前,在美国加州Berkeley大学，GrayPaulR和MeyerRobertG两位教授所领导的研究小组正在进行高集成度的模拟集成电路的研究,他们的主要研究方向包括射频集成电路芯片的设计、数据通信芯片的研制、模数转换芯片的设计以及模拟CAD技术，其中重点之一就是Sigma-Delta调制器在射频、通信和数据转换芯片中的应用和设计。

而德州仪器公司在收购Burr-Brown公司后，利用Burr-Brown公司的生产线即将推出一款高精度的24位的Sigma-Delta模数转换器。

基于这种情况下本文要做的是分析Δ/Σ调制器的工作原理及其在过采样率的信噪比分析。

如果在Internet网上搜索关于语音调制器的信息将有几十万项，中文网站也有近万条信息，但目前国内外对超声波的研究主要是测距、清洗和传感等方面，将超声波作为语音信号的载体来进行语音通信的比较少，究其原因主要是因为超声波衰减快、传输距离较近。

鉴于超声波语音传输的抗干扰性强等特点，将广泛应用于军事活动中；

而随着社会的高速发展，电子产品的大量出现，超声波语音通信将会广泛用于日常生活中，如遥控器等。

1．2软件无线电原理及特点

无线电技术进行信息传输在现代电子应用中占有及其重要的地位,无线电通信、电视、雷达、遥控遥测等,都是利用无线电技术传输各种不同信息的方式。

在这些信息的传递过程中,都要用到调制技术。

所谓调制是在传送信号的一方将所要传送的信号“附加”在高频振荡波上,再由发送装置进行传送。

1．2．1软件无线电的基本原理

软件无线电的基本思想是以一个通用化、标准化、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的设计方法中解放出来。

功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，尽量在靠近射频天线端实现信号的数字化处理。

软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新来改变硬件的配置结构，实现功能的扩展。

软件无线电主要由多频段宽带天线、射频前端、宽带A/DD/A转换器、可编程能力强的高速DSP及各种软件组成。

为了实现各个通信系统的互联互通,其中软件无线电的天线系统需要覆盖较宽的频段（一般2MHz~2GHz），宽带和良好的多功率射频转换能力，且要求每个频段的特性均匀。

射频前端模块主要完成信号的低噪声放大、滤波、功率放大等功能，宽带A/D、D/A转换主要实现中频或尽量靠近射频端的模拟信号和数字信号的相互转化，由于中频信号的带宽通常在十几兆赫兹到几十兆赫兹，因此这种数字化有别于一般工程中的模数变换，要求转换器具有相当宽的频带、很高的抽样频率、位数及一定的动态范围。

可编程的高速DSP处理器完成信号数字化后的各种处理，如变频、滤波、调制、信道编译码、信道和接口的协议与信令处理、加解密、抗干扰处理、以及网络监控管理等。

软件无线电系统的工作过程是：

在接收端宽带或智能天线将接收到的来自不同系统的各个频段的宽带的模拟信号，经射频前端滤波、低噪声放大、模拟下变频处理后送至宽带A/D变换器，在这里实现接收信号的数字化后送到可编程的高速DSP，通过加载各种软件来灵活实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、差错编码、信令控制、信源编码及加解密功能,最后将处理后的数据传送至用户端。

在发送端，通过类似接收信号处理的流程将数据通过天线发射出去。

利用在线和离线软件，可以实现通信环境的分析、管理以及业务和理想的软件无线电系统结构性能的升级。

1．2．2软件无线电的特点

（1）灵活性：

通过软件编程来改变其工作模式,包括可编程的射频频段宽带信号接入方式、可编程调制方式、编码等。

可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境。

利用软件进行升级无需额外增加或修改系统硬件设备,可减少设备费用的开支，因而大大降低了整个网络的成本。

（2）开放性：

软件无线电采用模块化的结构，模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准，在硬件技术发展时，允许更换单个模块，其硬件可以随着器件技术的发展而更新或扩展。

软件无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧体制电台兼容，延长了无线电台的生命周期。

（3）通用性：

多个信道享有共同的射频前端与宽带A/D、D/A变换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能，即无需额外增加设备即可支持多种通信体制的并存，从而降低整个网络的成本。

1.3超声波原理和特性

超声波是以人耳能听到声波频率为基准，其频率高于20khz不可闻的声波称为超声波。

其最高频率可达到1011Hz。

超声波是机械波，在传播过程其能量可为介质吸收而衰减，特别值得一提的是超声波在空气中的衰减基本上与频率的平方成正比，同时受空气的温度和湿度影响很大，大致是湿度越低，衰减越大，这种影响随着频率的升高而越来越显著。

超声波在不同介质的分界面上将会发生反射和折射现象。

超声波的频率高、波长短，因而有如下特性：

（1）方向性好：

由于超声波频率高，波长短，衍射现象不显著，因此容易得到定向而集中的超声波束。

（2）同电磁波相比有较强的抗干扰和防窃听能力。

超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一，世界上各国均重视对超声波技术在现代军事、医学、生活工业等领域中的应用研究。

超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的，它的应用研究正是结合超声波之独有特性而展开的。

超声波在军事上的主要应用是声纳和超声雷达，用来探测水下目标和探测云层高度及云层漂移的速度。

2Δ/Σ调制器

2．1Δ/Σ调制器

Δ/Σ调制器可