摘 要

短波是唯一的不受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段。面对无线电频谱等自然资源的限制，高频带利用率的通信系统的研究具有重要的现实意义和直接的经济效益。传统的调制系统是以降低系统的功率效率来提高频带利用率的，而椭圆球面波函数能在提高频带利用率的同时达到最佳能量聚集，因而成为了短波通信的新思路。在基于椭圆球面波的非正弦短波通信系统样机中，设计具有调制功能的脉冲信号发生器至关重要，因为该通信系统需要产生多路椭圆球面波脉冲信号的的信号发生器作为载波以便于调制。本文先讨论了椭圆球面波函数的定义、特性及解法。随后分析了椭圆球面波函数的两类解法，即数值解法和特征值解法，最后通过特征值解法来产生波形。在利用MATLAB仿真软件产生一组完备正交的椭圆球面波脉冲集后，通过直接频率合成技术（DDS）进行FPGA脉冲信号发生器的仿真。仿真结果及理论研究证明了正交椭圆球面波的可操作性，该信号发生器实现了多路信号的正交化，具有转换速度快、输出波形失真小等优点。

关键字：椭圆球面波,FPGA，DDS，短波通信

Abstract

Shortwave is the only remote communication device that is not constrained by the network hub and active relay. In the face of limited natural resources such as radio spectrum, it is of great practical significance and direct economic benefit to study the communication system with high frequency utilization rate. The traditional modulation system lowers the efficiency of the system in order to improve the efficiency of the band, and the Prolate Spherical Wave Function can improve the band utilization and at the same time achieving the best energy aggregation, thus becoming a new idea of ​​shortwave communication. In the non-sinusoidal time domain the quadrature modulation prototype based on Prolate Spherical Wave, it is very important to design a pulse signal generator with modulation function in order to generate multi-channel Prolate Spherical Wave pulse signal. In this paper, we first discuss the definition, characteristic and solution of Prolate Spherical Wave function. Then we introduce two methods to solve the Prolate Spherical Wave Function, which are the numerical solution and eigenvalue decomposition method, and the waveform is generated by the eigenvalue method. On the basis of generating one or more sets of complete orthogonal Prolate Spherical Wave Function sets, the simulation of FPGA pulse signal generator is carried out by utilizing the direct frequency synthesis technology (DDS). The simulation results and the theoretical research prove the feasibility of the Prolate Spherical Wave. The signal generator is able to realize the orthogonalization of the multi-channel signals, and has the advantages of fast conversion speed and small output waveform distortion.

Keywords: PSWF, FPGA, DDS, shortwave communication.

目 录

摘 要

Abstract

1 绪论

1.1研究的目的及意义

1.2 研究现状

1.3 FPGA简介

1.4课题主要研究内容

2 正交椭圆球面波基本原理及波形发生器模块原理

2.1 正交椭圆球面波的定义

2.2正交椭圆球面波脉冲函数生成原理

3 正交椭圆球面波的FPGA实现

3.1正交椭圆球面波波形设计

3.2 FPGA信号发生器原理与设计

3.2.1 FPGA信号发生器设计原理

3.2.2 DDS设计

3.3仿真实验和结果

3.3.1正交椭圆球面波仿真

3.3.2 FPGA信号源仿真

4总结和展望

4.1 论文工作总结

4.2 研究工作展望

参考文献

附录

致 谢

绪论

1.1研究的目的及意义

短波是是唯一不受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段，当战争或灾害发生时，各种传统通信网络都会受到破坏，卫星也会被攻击。无论什么样的通信系统，它的反破坏能力和独立自主的通信能力，都不能与短波相匹配。超短波无法覆盖许多环境恶劣的地区比如山区、海洋、沙漠等等，在这些人烟稀少的区域主要的通信手段是短波通信。短波通信与卫星通信相比，也有许多无法取代的优势，比如运行成本低廉，无需支付通话费用等等。总而言之，因为短波通信具有设备体积小、传输距离远、维护成本低、建设周期短、抗催毁能力强等优良特性,它成为了军事、应急和抗灾通信等无线通信中无可替代的存在。新型无线电通信系统的不断涌现使得短波通信在当今社会不被淘汰且仍然受到全世界的广泛重视，甚至得以不断快速发展。

面对无线电频谱等自然资源的限制，高频带利用率的通信系统的研究具有重要的现实意义和直接的经济效益。在现代数字调制技术中主要有两种成熟的调制技术来获取较高的频带利用率，分别是多进制调制技术和频谱混叠技术。多进制调制也就是通信原理中非常重要的多相移键控调制(MPSK)、多电平的正交幅度调制(MQAM)等等。主要思路是尽可能地增加信号空间内的星座点数来获得更高的频带利用率。这种调制技术的局限性在于它在有效地提高系统的频带利用率的同时降低了系统的功率效率，因此并不是最理想的调制技术。而频谱混叠技术中如果连续信号以等间距采样时采样定理不满足，则采样后的信号频率将重叠，即采样频率的一半以上的频率分量将被重建为低于采样的一半的信号频率。 由该频谱的重叠引起的失真称为混叠，由于两个信号具有相同的采样值，所以将重建的信号称为原始信号的混叠。利用在通信系统中就有了我们常说的正交频分复用（OFDM），它利用多个正交载波进行信息的传输，当正交载波互相在频域上的频谱上交叠达到 50%时信息的传输带宽大幅减少，从而有效地提高通信系统的频带利用率。OFDM调制技术在无码间干扰的条件下，单位频带利用率甚至可达到香农定理给出的极限值2 Baud/Hz。OFDM也有其局限性，众所周知矩形脉冲经正交载波调制后的频谱为Sinc 函数，因此其调制后信号在带内能量聚集性较差，带外的旁瓣功率衰减较慢最终导致频带利用率提升慢。而OFDM的基带波形是矩形脉冲，因此经过调制后信号的频带利用率提升太慢，且对相邻用户的电磁干扰较大，也不是一个很理想的调制技术。