基于FPGA的FSK調制解調器設計

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1、 編 號： 審定成績： 重慶郵電大學 畢業(yè)設計（論文） 設計（論文）題目： 基于FPGA的FSK調制解調器設計 學 院 名 稱 ： 自動化 學 生 姓 名 ： 專 業(yè) ： 自動化 班 級 ： 0810904 學 號 ： 2009212482 指 導 教 師 ： 答辯組 負責人 ：

2、 填表時間：2013 年 5 月 重慶郵電大學教務處制 前 言 4 第一章 FPGA設計基礎 4 第一節(jié) FPGA簡介 4 一、背景 4 二、 工作原理 5 三、 基本特點 5 第二節(jié) EDA設計平臺選擇 6 一、 EDA工具軟件 6 二、 Quartus II簡介 6 第三節(jié) 硬件描述語言的選擇 7 一、 HDL概述 7 二、 VHDL簡介 7 三、HDL開發(fā)流程 8 第二章 FSK調制解調原理 9 第一節(jié) 數字調制技術 9 第二節(jié) 數字調制的分類及特點 9 一、數字調制的分類 9 二、數字信號三種基本調制方式的特點

3、 9 第三節(jié) 2FSK調制解調原理 10 一、 2FSK的調制原理 10 二、2FSK信號的解調 12 第三章 調制解調器系統(tǒng)方案設計 14 第一節(jié) 系統(tǒng)的實現(xiàn)原理 14 第二節(jié) FSK調制方式的比較 14 第三節(jié) FSK調制系統(tǒng)設計 14 第四節(jié) FSK解調系統(tǒng)設計 14 第四章 軟件設計及仿真 14 第五章 總結 14 致謝 14 參考文獻 14 前 言 第一章 FPGA設計基礎 第一節(jié) FPGA簡介 一、背景 以硬件描述語言（Verilog或VHDL）所完成的電路設計，可以經過簡 單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上

4、進行測試，是現(xiàn)代 IC設計驗證的技術主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數學方程式。在大多數的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。 系統(tǒng)設計師可以根據需要通過可編輯的連接把FPGA內部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設計者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。 FPGA一般來說比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無法完成復雜的設計，但是功耗較低。

5、但是他們也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設計的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設計轉移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復雜可編程邏輯器件備）。 早在1980年代中期，F(xiàn)PGA已經在PLD設備中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相對大數量的可編輯邏輯單元。CPLD邏輯門的密度在幾千到幾萬個邏輯單元之間，而FPGA通常是在幾萬到幾百萬。 CPLD和FPGA的主要區(qū)別是他們的系統(tǒng)結構。CPLD是一個有點限制性的結構。這

6、個結構由一個或者多個可編輯的結果之和的邏輯組列和一些相對少量的鎖定的寄存器。這樣的結果是缺乏編輯靈活性，但是卻有可以預計的延遲時間和邏輯單元對連接單元高比率的優(yōu)點。而FPGA卻是有很多的連接單元，這樣雖然讓它可以更加靈活的編輯，但是結構卻復雜的多。 CPLD和FPGA另外一個區(qū)別是大多數的FPGA含有高層次的內置模塊（比如加法器和乘法器）和內置的記憶體。因此一個有關的重要區(qū)別是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系統(tǒng)內重新配置。允許他們的設計隨著系統(tǒng)升級或者動態(tài)重新配置而改變。一些FPGA可以讓設備的一部分重新編輯而其他部分繼續(xù)正常運行。 CPLD和FPGA還有一個區(qū)別：CPLD下

7、電之后，原有燒入的邏輯結構不會消失；而FPGA下電之后，再次上電時，需要重新加載FLASH里面的邏輯代碼，需要一定的加載時間。 FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯器件）產品的應用領域已經從原來的通信擴展到消費電子、汽車電子、工業(yè)控制、測試測量等廣泛的領域。而應用的變化也使FPGA產品近幾年的演進趨勢越來越明顯：一方面，F(xiàn)PGA供應商致力于采用當前最先進的工藝來提升產品的性能，降低產品的成本；另一方面，越來越多的通用IP（知識產權）或客戶定制IP被引入FPGA中，以滿足客戶產品快速上市的要求。此外，F(xiàn)PGA企業(yè)都在大力降低產品的功耗，滿足業(yè)界越來越苛刻的低功耗需求。 2、 工作原理 FP

8、GA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）三個部分。 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結構。FPGA利用小型查找表（161RAM）來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O，由此構成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這

9、些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內部靜態(tài)存儲單元加載編程數據來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。 3、 基本特點 1）采用FPGA設計ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。 3）FPGA內部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。 4）FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CMOS工藝，

10、功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。 可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 FPGA是由存放在片內RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內的RAM進行編程。用戶可以根據不同的配置模式，采用不同的編程方式。 加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數據讀入片內編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編

11、程數據，可以產生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。 第2節(jié) EDA設計平臺選擇 1、 EDA工具軟件 EDA工具軟件可大致可分為芯片設計輔助軟件、可編程芯片輔助設計軟件、系統(tǒng)設計輔助軟件等三類。 目前進入我國并具有廣泛影響的EDA軟件是系統(tǒng)設計軟件輔助類和可編程芯片輔助設計軟件：Protel、Altium Designer、PSPICE、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab、Quartus II等等。這些工具都有較強的功能，一般可用于幾個方面，例如很多軟件都可以進行電路設計與仿真，同時還可以進行P

12、CB自動布局布線，可輸出多種網表文件與第三方軟件接口。 Altera 公司的Quartus II 作為一種可編程邏輯的設計環(huán)境, 由于其強大的設計能力和直觀易用的接口，越來越受到數字系統(tǒng)設計者的歡迎。故本次設計采用Quartus II作為設計平臺 2、 Quartus II簡介 Max+plus II 作為Altera的上一代PLD設計軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應用。目前Altera已經停止了對Max+plus II 的更新支持。Quartus II 是Altera公司繼Max+plus II之后開發(fā)的一種針對其公司生產的系列CPLD/PGFA器件的綜合性開發(fā)軟件，它的版

13、本不斷升級，從4.0版到10.0版，這里介紹的是Quartus II 8.0版，該軟件有如下幾個顯著的特點： 1、Quartus II 的優(yōu)點 該軟件界面友好，使用便捷，功能強大，是一個完全集成化的可編程邏輯設計環(huán)境，是先進的EDA工具軟件。該軟件具有開放性、與結構無關、多平臺、完全集成化、豐富的設計庫、模塊化工具等特點，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設計輸入形式，內嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程。 　　Quartus II可以在XP、Li

14、nux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl腳本完成設計流程外，提供了完善的用戶圖形界面設計方式。具有運行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學易用等特點。 2、Quartus II對器件的支持 Quartus II支持Altera公司的MAX 3000A系列、MAX 7000系列、MAX 9000系列、ACEX 1K系列、APEX 20K系列、APEX II系列、FLEX 6000系列、FLEX 10K系列，支持MAX7000/MAX3000等乘積項器件。支持MAX II CPLD系列、Cyclone系列、Cyclone II、Stratix II系列、Stratix GX系列等。支持IP核，

15、包含了LPM/MegaFunction宏功能模塊庫，用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設計的復雜性、加快了設計速度。此外，Quartus II 通過和DSP Builder工具與Matlab/Simulink相結合，可以方便地實現(xiàn)各種DSP應用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級設計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。 3、Quartus II對第三方EDA工具的支持 對第三方EDA工具的良好支持也使用戶可以在設計流程的各個階段使用熟悉的第三放EDA工具。 Altera的Quartus II可編程邏輯軟件屬于第四代PLD開發(fā)平臺。該

16、平臺支持一個工作組環(huán)境下的設計要求，其中包括支持基于Internet的協(xié)作設計。Quartus平臺與Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供應商的開發(fā)工具相兼容。改進了軟件的LogicLock模塊設計功能，增添 了FastFit編譯選項，推進了網絡編輯性能，而且提升了調試能力。 第3節(jié) 硬件描述語言的選擇 1、 HDL概述 HDL(Hardware Description Language)，是硬件描述語言。顧名思義，硬件描述語言就是指對硬件電路進行行為描述、寄存器傳輸

17、描述或者結構化描述的一種新興語言。 隨著EDA技術的發(fā)展，使用硬件語言設計PLD/FPGA成為一種趨勢。目前最主要的硬件描述語言是VHDL和Verilog HDL。 VHDL發(fā)展的較早，語法嚴格，而Verilog HDL是在C語言的基礎上發(fā)展起來的一種硬件描述語言,語法較自由。 VHDL和Verilog HDL兩者相比，VHDL的書寫規(guī)則比Verilog煩瑣一些。 VHDL的參考書很多，便于查找資料，而Verilog HDL的參考書相對較少，這給學習Verilog HDL帶來一些困難。 從EDA技術的發(fā)展上看，已出現(xiàn)用于CPLD/FPGA設計的硬件C語言編譯軟件，雖然還不成熟，應

18、用極少，但它有可能會成為繼VHDL和Verilog之后，設計大規(guī)模CPLD/FPGA的又一種手段。 綜上所述，本次設計選用VHDL作為硬件描述語言。 2、 VHDL簡介 VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,誕生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美國國防部確認為標準硬件描述語言 。自IEEE公布了VHDL的標準版本，IEEE-1076（簡稱87版)之后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL設計環(huán)境，或宣布自己的設計工具可以和VHDL接口。此后VHDL在電子設計領域得

19、到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標準的硬件描述語言。1993年，IEEE對VHDL進行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴展VHDL的內容，公布了新版本的VHDL，即IEEE標準的1076-1993版本，（簡稱93版）?，F(xiàn)在，VHDL和Verilog作為IEEE的工業(yè)標準硬件描述語言，又得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領域，已成為事實上的通用硬件描述語言。有專家認為，在新的世紀中，VHDL于Verilog語言將承擔起大部分的數字系統(tǒng)設計任務。 VHDL主要用于描述數字系統(tǒng)的結構，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式和描述風格與句法是

20、十分類似于一般的計算機高級語言。VHDL的程序結構特點是將一項工程設計，或稱設計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可是部分,及端口)和內部（或稱不可視部分），既涉及實體的內部功能和算法完成部分。在對一個設計實體定義了外部界面后，一旦其內部開發(fā)完成后，其他的設計就可以直接調用這個實體。這種將設計實體分成內外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設計的基本點。應用VHDL進行工程設計的優(yōu)點是多方面的。 　 （1）與其他的硬件描述語言相比，VHDL具有更強的行為描述能力，從而決定了他成為系統(tǒng)設計領域最佳的硬件描述語言。強大的行為描述能力是避開具體的器件結構，從邏輯行為上描述和設計

21、大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。 （2）VHDL豐富的仿真語句和庫函數，使得在任何大系統(tǒng)的設計早期就能查驗設計系統(tǒng)的功能可行性，隨時可對設計進行仿真模擬。 （3）VHDL語句的行為描述能力和程序結構決定了他具有支持大規(guī)模設計的分解和已有設計的再利用功能。符合市場需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效， 高速的完成必須有多人甚至多個代發(fā)組共同并行工作才能實現(xiàn)。（4）對于用VHDL完成的一個確定的設計，可以利用EDA工具進行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動的把VHDL描述設計轉變成門級網表。 （5）VHDL對設計的描述具有相對獨立性，設計者可以不懂硬件的結構，也不必管理最終設計實現(xiàn)的目標器件是什么，而進行獨

22、立的設計。 三、HDL開發(fā)流程 用VHDL語言開發(fā)FPGA的完整流程為： 1.文本編輯：用任何文本編輯器都可以進行，也可以用專用的HDL編輯環(huán)境。通常VHDL文件保存為.vhd文件 2.功能仿真：將文件調入HDL仿真軟件進行功能仿真，檢查邏輯功能是否正確（也叫前仿真，對簡單的設計可以跳過這一步，只在布線完成以后，進行時序仿真） 3.邏輯綜合：將源文件調入邏輯綜合軟件進行綜合，即把語言綜合成最簡的布爾表達式和信號的連接關系。邏輯綜合軟件會生成.edf（edif）的EDA工業(yè)標準文件。 4.布局布線：將.edf文件調入PLD廠家提供的軟件中進行布線，即把設計好的邏輯安放到PLD/FPG

23、A內 5.時序仿真：需要利用在布局布線中獲得的精確參數，用仿真軟件驗證電路的時序。（也叫后仿真） 6.編程下載：確認仿真無誤后，將文件下載到芯片中 通常以上過程可以都在PLD/FPGA廠家提供的開發(fā)工具（如MAXPLUSII，F(xiàn)oundation，ISE）中完成，但許多集成的PLD開發(fā)軟件只支持VHDL/Verilog的子集，可能造成少數語法不能編譯，如果采用專用HDL工具分開執(zhí)行，效果會更好，否則這么多出售專用HDL開發(fā)工具的公司就沒有存在的理由了。 第2章 FSK調制解調原理 第1節(jié) 數字調制技術 數字基帶信號中含有豐富的低頻分量，由于傳輸信道的頻率特性

24、通常有限，即存在上、下限頻率，超過此界限則不能進行有效數據傳輸，因此數字基帶信號的頻譜特性與信道頻譜特性不匹配，不適于在傳輸信道中直接傳送。通常在傳輸前要對數字基帶信號進行處理，減少其低頻分量與高頻分量，使能量向中頻集中，或者采用數字調制技術進行頻譜搬移，以適應傳輸信道更高頻譜范圍的要求。 數字調制技術是指將數字基帶信號調制在載波上，使其變換成適合信道傳輸的數字頻帶信號，從而實現(xiàn)頻譜搬移，通常有三種基本的載波調制方式，即幅度鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)和相位鍵控(PSK)。 第二節(jié) 數字調制的分類及特點 一、數字調制的分類 按照基帶數字信號對載波的振幅、頻

25、率和相位等不同參數所進行的調制，可把數字調制方式分為3 種基本類型：幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。其他任何調制方式都是在這3種方式上的發(fā)展和組合。正交調幅QAM就是可以同時改變載波振幅和相位的調制方式，根據載波相位變化，調制分為兩大類，即線性與非線性以及連續(xù)與不連續(xù)。前者是指在一個碼元內相位路徑的軌跡，后者是指在相鄰碼元轉換點上相位路徑是否連續(xù)。二相移相鍵控（BPSK），四相移相鍵控（QPSK）、交錯正交移相鍵控（OQPSK）屬“不連續(xù)相位路徑數字調制”；最小移頻鍵控（MSK）屬“線性連續(xù)相位路徑數字調制”；正弦移頻鍵控（SFSK）、平滑調頻（TFM）、高斯濾波最

26、小頻移頻鍵控（GMSK）屬“非線性連續(xù)相位路徑數字調制”。其中除了BPSK，QPSK,OQPSK之外，都可以看成調制指數h =1/2的連續(xù)相位移頻鍵控（CPFSK）。 二、數字信號三種基本調制方式的特點 1、幅移鍵控(ASK)把二進制符號0和1分別用不同的幅度來表示。 2、頻移鍵控(FSK)即用不同的頻率來表示不同的符號。如2KHz表示0，3KHz表示1。 3、相移鍵控(PSK)通過二進制符號0和1來判斷信號前后相位。如1時用π相位，0時用0相位。 從頻帶寬度考慮，當碼元間隔為丁時，ASK及PSK的頻帶寬度近似為2／T，而FSK系統(tǒng)帶寬幾乎是ASK或PSK的3倍左右，因此從頻帶利

27、用率角度分析，F(xiàn)SK最不可??；從誤碼率考慮，絕對移相相干接收PSK的抗噪聲性能最好，其次是相干解調——碼型變換PSK、差分相干DPSK，隨后依次是相干 PSK、非相干FSK、相干ASK、非相干ASK； 從抗信道變化能力考慮，F(xiàn)SK及PSK對信道特性變化不敏感，抗信道變化能力強，而ASK系統(tǒng)最佳判決門限為A／2，與接收輸入信號幅度有關，故ASK性能最差。 總之，相干PSK、DPSK與非相干PSK目前使用較多，其中相干PSK、DPSK主要用于高速數據傳輸。 第三節(jié) 2FSK調制解調原理 1、 2FSK的調制原理 1.2FSK信號的時域表達式 二進制頻移鍵控（2FSK）是指載波的

28、頻率受調制信號的控制，而幅度和相位保持不變。設二進制數字信號的“1”對應載波，“0”對應載波，而且和之間的改變是瞬間完成的。因此，二進制頻移鍵控信號可以看成是兩個不同載波的二進制幅移鍵控信號的疊加，根據以上分析，得出2FSK信號的的時域表達式 （2.2-1） 這里和分別表示第n個信號碼元的初始相位，是的反碼，且有 （2.2-2） 一般的，我們將看作是寬度為的單極性矩形脈沖波。 設 （2.2-3） 于是，可以將2FSK信號表示為 （2.2-4） 2FSK信號的典型時間波形如圖2.2-1所示。

29、 圖2.2-1 2FSK信號時間波形 2.2FSK信號產生 通常2FSK信號可以由兩種電路實現(xiàn)。圖2.1-2（a）所示為模擬調頻法，它是利用二進制基帶信號對載波進行調頻，這種方法不存在相位斷續(xù)的現(xiàn)象，是頻移鍵控通信方式早期采用的實現(xiàn)方法。圖2.1-2（b）所示是用數字鍵控法產生二進制一品監(jiān)控信號的原理圖，圖中兩個振蕩器的輸出載波受輸入的二進制基帶信號控制，在一個碼元期間輸出和兩個載波之一，該方法由于使用兩個獨立的振蕩器，使得信號波形的相位存在不連續(xù)的現(xiàn)象，但它具有轉換速度快、波型好、穩(wěn)定度高且易于實現(xiàn)等優(yōu)點，故引用廣泛。

30、 圖2.2-2 二、2FSK信號的解調 2FSK的解調也可以分為非相干（包絡檢波）和相干解調。圖2.2-3是2FSK非相干解調原理方框圖。圖中兩個中心頻率為和帶通濾波器的作用是取出頻率為和高頻信號，包絡檢波器將各自的包絡取出至抽樣判決器，抽樣判決器在抽樣脈沖達到時對包絡的樣值和進行判決，判決準則是當抽樣值滿足>判為頻率代表的數字基帶信號，即“1”碼；當<時判為頻率代表的數字基帶信號，即“0”碼。 圖2.2-3 2F

31、SK非相干解調原理方框圖 圖2.2-4是2FSK相干解調原理方框圖。接收信號經過上下兩路帶通濾波器濾波、與本地相干載波相乘和低通濾波后，進行抽樣判決。若抽樣值>,判為頻率代表的數字基帶信號；若抽樣值若抽樣值<,判為頻率代表的數字基帶信號。 圖2.2-4 2FSK相干解調原理方框圖 2FSK另外一種常用而簡便的解調方法是過零檢波解調法，其解調原理框圖及各點時間波形如圖2.2-5（a）和（b）所示。其基本原理是：二進制移頻鍵控信號的過零點數隨載波頻率不同而異，通過檢測過

32、零點數從而得到頻率的變化。在圖2.2-5中，輸入信號經過限幅后產生矩形波，經微分、整流、脈沖波形成形后得到與頻率變化相關的矩形脈沖波，再經低通濾波器濾除高次諧波，便恢復出與原數字信號對應的數字基帶信號。 （a）原理框圖 （b）各點波形 圖2.2-5 2FSK信號的過零檢測法 第3章 調制解調器系統(tǒng)方案設計 第1節(jié) 系統(tǒng)的實現(xiàn)原理 第2節(jié) FSK調制方式的比較 第3節(jié) FSK調制系統(tǒng)設計 第四節(jié) FSK解調系統(tǒng)設計 第4章 軟件設計及仿真 第5章 總結 致謝 參考文獻  第 16 頁 共 16 頁