Chen-Mobius通信系统的FPGA硬件实现与应用

论文摘要

自上个世纪九十年代以来,我国著名学者、现中国科学院院士、清华大学陈难先教授等人使用无穷级数的Mobius反演公式解决了一系列重要的物理学中的逆问题,开创了应用、推广数论中的Mobius变换解决物理学中各种逆问题的巧妙方法,其工作在1990年当时就得到了世界著名的《NATURE》杂志的高度评价。华侨大学苏武浔教授等则把Mobius变换的方法应用于几种常用波形（包括周期矩形脉冲,奇偶对称方波和三角波等）的傅立叶级数的逆变换运算,得到正、余弦函数及一般周期信号的各种常用波形的信号展开;并求得了与各种常用波形信号函数族相正交的函数族,以用于各展开系数的计算与信息的解调;而后把它们应用到通信系统中,提出了一种新的通信系统,即新型Chen-Mobius通信系统。本论文主要完成了两个方面的工作,Chen-Mobius多路通信系统的FPGA硬件设计实现和基于Chen-Mobius变换的语音加密双工通信系统的实现。首先,利用嵌入MATLABSIMULINK中的DSPBuilder软件对Chen-Mobius多路（四路和八路）通信系统进行仿真分析,对该系统在不同信噪比情况下的错误概率进行了计算,并绘出了信噪比-错误概率曲线;其次,利用DSPBuilder中的Signalcompiler将Chen-Mobius多路通信系统的主体模块（函数及积分器的产生等）转化成HDL硬件语言,后在QuartusⅡ软件平台上,结合利用VHDL编程的硬件程序模块（分频、延时、控制模块等）构架完整的Chen-Mobius通信系统,并对此系统设计综合、引脚分配、仿真验证、时序分析等;最后,在Altera公司的Stratix芯片上,实现硬件的编程和下载,从而完成了Chen-Mobius多路通信系统的FPGA硬件实现。另外,利用Chen-Mobius单路通信系统的调制、解调系统分别对语音信号进行加密与解密,在两块DE2的FPGA开发板上成功实现了基于Chen-Mobius变换的语音加密双工通信。完成本设计意义重大,它为今后Chen-Mobius通信系统应用于通信领域的各个方面,迈开坚实的一步。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的来源、目的和意义
• 1.2 国内外在该领域的研究水平和动态
• 1.3 本文研究的主要内容和创新之处
• 第二章 Chen-Mobius 变换理论基础
• 2.1 Mobius 函数及其反演公式
• 2.2 Chen－Mobius 变换
• 2.2.1 奇对称方波的傅立叶级数
• 2.2.2 sin（wt）对奇对称方波的逆变换
• 2.2.3 一般奇函数对奇对称方波的展开
• 2.3 几种常见信号波形的逆变换计算
• 2.4 Chen-Mobius 通信系统
• 2.4.1 Chen-Mobius 单路通信系统
• 2.4.2 Chen-Mobius 多路载波通信系统
• 第三章 Chen-Mobius 多路通信系统的仿真及 FPGA 实现
• 3.1 DSPBuilder 仿真
• 3.1.1 DSPBuilder 软件介绍
• 3.1.2 DSPBuilder 设计流程
• 3.1.3 DSPBuilder 软件环境
• 3.1.4 DSPBuilder 设计Chen-Mobius 通信系统主要模块
• 3.1.4.1 调制解调函数产生
• 3.1.4.2 积分滤波器设计
• 3.1.5 调制波为对称方波逆函数的Chen-Mobius 多路通信系统仿真
• 3.1.5.1 四路仿真
• 3.1.5.2 八路仿真
• 3.1.6 Chen-Mobius 多路通信系统仿真讨论
• 3.2 Chen-Mobius 多路通信系统的FPGA 实现
• 3.2.1 基于QuartusⅡ的FPGA 设计流程
• 3.2.2 硬件测试与实现
• 3.2.2.1 设计模型到硬件语言的转化
• 3.2.2.2 四路FPGA 硬件实现
• 3.2.2.3 八路FPGA 硬件实现
• 第四章 基于Chen-Mobius 变换的语音加密双工通信
• 4.1 Chen-Mobius 通信系统的保密性及应用
• 4.2 基于 Chen-Mobius 变换的语音加密双工通信 FPGA 实现
• 4.2.1 数字双工通信
• 4.2.2 模拟信号的Chen-Mobius 通信系统实现
• 4.2.3 语音加密双工通信的FPGA 实现
• 4.2.3.1 实验硬件设备介绍
• 4.2.3.2 音频信号采集处理
• 4.2.3.3 语音加密双工通信实现
• 4.2.3.4 结果分析
• 第五章 结束语
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 今后的研究内容
• 参考文献
• 致谢