基于FPGA的数字调制解调器设计.docx

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1、基于FPGA的数字调制解调器设计 基于FPGA的数字调制解调器设计 摘要 本设计使用FPGA在EDA技术开发软件Quartus上实现以正弦信号为载波的三种调制信号ASK、FSK、PSK的调制和解调。系统采用ALTERA公司生产的DE2开发板，Cyclone II EP2C35F672C6型号的FPGA和EPCS16系列的配置驱动，使用VHDL硬件描述语言实现，系统时钟为50MHZ，经四分频产生一路时钟信号经过DDS波形发生器形成ASK，PSK及FSK的一路载波，FSK的另一路载波由系统时钟经八分频后经过DDS波形发生器后产生。由于ASK和PSK调制特性相近，载波都为一路信号。因此在设计时将AS

2、K 和PSK调制放在同一模块里设计，用一个选择键和两个基带信号控制端来控制。系统时钟经过512分频后经过随机信号模块产生一路周期为15的伪随机序列作为数字调制的基带信号。在解调时，用非相干解调法解调ASK和PSK 信号，用过零检测法解调FSK信号。经过功能仿真和验证后，测试输出信号与基带信号是否相符。 关键词：FPGA, ASK, PSK, FSK Digital modulation and demodulation based on FPGA Abstract This design uses FPGA on EDA technology development platform Quar

3、tusto achieve the generation and the demodulation of three modulation signalASK,FSK,PSK as carrier through sinusoidal signals.The system uses the ALTERA companys DE2 development board,FPGA of Type Cyclone II EP2C35F672C6FPGA and driver configuration of EPCS16 series.This system is realized in VHDL h

4、ardware description language,whose ASK,PSK and FSK carrier is generated when the four frequency produces a clock signal through the DDS waveform generator,and the system clock is 50MHZ.Because the characteristics of ASK and PSK modulation are similar to each other,which means their carrier are both

5、one way signal,the modulation of ASK and PSK are put on the same model when designed,with a selection key and the two baseband signal control ends controlling.System clock generates pseudo random sequence baseband signals whose one road cycle is 15 as baseband signals through random signal model aft

6、er the 512 frequency division.When in modulation,we use non coherent demodulation to demodulate ASK and PSK signal,and the zero crossing detection method for FSK signal demodulation.After the system is tested through the function simulation and verification,whether the output signal and the baseband

7、 signal are conformed to each other or not will be tested Key words: FPGA, ASK, PSK, FSK 目录 1 绪论 (1) 1.1课题背景与研究现状 (1) 1.1.1数字调制解调背景知识 (1) 1.1.2 FPGA背景知识 (2) 1.2课题的主要研究工作 (4) 1.3本论文的结构 (4) 2.EDA技术简介 (6) 2.1Q UARTUS II简介 (6) 2.1.1 Quartus II的使用及主要设计流程 (7) 2.1.2 Quartus II的原理图输入设计流程 (10) 2.1.2 SignalTa

8、p II逻辑分析仪的使用 (11) 2.2VHDL语言简介 (13) 2.2.1 VHDL的基本结构 (14) 2.2.2 VHDL的基本语法 (19) 3.数字调制解调原理 (21) 3.1ASK的调制与解调 (21) 3.1.1 ASK调制原理 (21) 3.1.2 ASK解调原理 (23) 3.2PSK的调制与解调 (23) 3.2.1 PSK调制原理 (23) 3.2.2 PSK解调原理 (25) 3.3FSK的调制与解调 (26) 3.3.1 FSK调制原理 (26) 3.3.2 FSK解调原理 (28) 4硬件模块方案设计与实现 (30) 4.1DDS（直接数字式频率合成器） (3

9、0) 4.1.1 DDS原理 (30) 4.1.2硬件模块设计图 (31) 4.1.3 频率控制模块 (32) 4.1.4 波形选择模块 (32) 4.1.5 波形存储模块 (33) 4.1.6 顶层实体模块 (33) 4.1.7 程序及仿真结果分析 (34) 4.2 M序列发生器 (35) 4.2.1 m序列原理 (35) 4.2.2 m序列发生器设计 (37) 4.2.3 m序列产生模块 (40) 4.2.4 m序列仿真结果分析 (40) 4.3分频器设计 (41) 4.4ASK/PSK调制与解调 (42) 4.4.1 ASK/PSK调制方案 (42) 4.4.2 ASK/PSK调制模块

10、(43) 4.4.3 ASK/PSK调制仿真结果分析 (43) 4.4.4 ASK/PSK解调方案 (44) 4.4.5 ASK/PSK解调模块 (45) 4.4.6 ASK/PSK解调仿真结果分析 (46) 4.5FSK调制与解调 (47) 4.5.1 FSK调制方案 (47) 4.5.2 FSK调制模块 (48) 4.5.3 FSK仿真结果分析 (48) 4.5.4 FSK解调方案 (49) 4.5.5 FSK解调模块 (50) 4.5.6 FSK解调仿真结果分析 (50) 5 系统调试 (51) 5.1系统电路图 (51) 5.2系统仿真结果 (51) 结论 (54) 致谢 (55) 参

11、考文献 (56) 附录：源代码 (46) 外文资料翻译(附原文) . 错误！未定义书签。 1 绪论 1.1 课题背景与研究现状 1.1.1数字调制解调背景知识 如今社会通信技术的发展速度可谓日新月异，计算机的出现在现代通信技术的各种媒体中占有独特的地位，计算机在当今社会的众多领域里不仅为各种信息处理设备所使用，而且它与通信向结合，使电信业务更加丰富。随着人类经济和文化的发展，人们对通信技术性能的需求也越来越迫切，从而又推动了通信科学的发展。 在通信理论上，先后形成了“过滤和预测理论”、“香浓信息论”，“纠错编码理论”，“信源统计特性理论”，“调制理论”等。通信作为社会的基本设施和必要条件，引起

12、的世界各国的广泛关注，通信的目的就是从一方向另一方传送信息，给对方以信息，但是消息的传送一般都不是直接的，它必须借助于一定形式的信号才能便于远距离快速传输和进行各种处理。 虽然基带信号可以直接传输，但是目前大多数信道不适合传输基带信号。现有通信网的主体为传输模拟信号而设计的，基带数字信号不能直接进入这样的通信网。基带信号一般都包含有较低的频率，甚至是直流的分量，很难通过有限尺寸的天线得到有效辐射，因而无法利用无线信道来直接传播。对于大量有线信道，由于线路中多半串接有电容器或并接有变压器等隔直流元件，低频或直流分量就会受到很大限制。因此，为了使基带信号能利用这些信道进行传输，必须使代表信息的原始

13、信号经过一种变换得到另一种新信号， 这种变换就是调制。实际中一般选正弦信号为载波信号。代表所传信息的原始信号，是调制载波的信号。 数字调制传输在现代通信中发挥着越来越重要的作用，主要是因为数字通信有以下优点: 数字信号便于存储、处理、抗干扰能力强； 数字信号便于交换和传输； 可靠性高，传输过程中的差错可以设法控制； 数字信号易于加密且保密性强； 通用性和灵活性好。经过调制后，各路信号可已搬移到更高不重叠的 频段去传输，从而避免多路传输中的相互干扰。基于这种目的，信号 经调制后再传输的方式又称为频带传输。 二进制数字调制所用调制信号由“0”和“1”代表的数字信号脉冲序列组成。因此，数字调制信号也

14、成为键控信号。在二进制振幅调制、频率调制和相位调制分别称为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。数字调制产生模拟信号，其载波参量的离散状态是与数字数据相对应的，这种信号适宜于在带通型的模拟信道上传输。虽然三种调制解调的原理比较简单，但作为数字通信原理的入门学，理解ASK，PSK，FSK后可以容易理解其他更复杂的调制系统，为以后的进一步发展打下基础。 1.1.2 FPGA背景知识 现场可编程门阵列（FPGA）是在专用ASIC的基础上发展出来的，它克服了专用ASIC不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配

15、置，对电 路的修改和维护很方便。随着VLSI(Very Large Scale IC，超大规模集成电路)工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA/CPLD芯 片的规模也越来越大，目前，FPGA的容量已经跨过了百万门级，使得FPGA 成为解决系统级设计的重要选择方案之一。和其他通用DSP相比，FPGA在处理方式上和设计编程上有很大的区别，它更强调数据的平行处理和流水线处理并且有更强的灵活性和可编程型，所以FPGA在定点数据处理方面有很 大的优势。FPGA/CPLD可容纳上百万个晶体管，芯片的规模也越来越大。 为了满足设计需求，以可编程门阵列FPGA为代表的器件得到了广泛的应用

16、，器件的集成度和运行速度都在高速增长。基于FPGA的数字调制解调器与模 拟电路调制解调器相比，具有功耗低、结构简单、性能优越等特点，故在实际工程中得到了广泛的应用。针对传统用硬件实现数字调制解调的方法,特别是相干解调需要提取载波，设备相对复杂、成本较高的特点,研究了基于FPGA 芯片的调制解调系统，即通过Quartus II软件，采用VHDL硬件描述语言，利用DE2开发板设计并实现ASK，FSK，PSK的调制解调器。由于FPGA的调制解调技术在通信系统中占据非常重要的地位，它的优劣决定了通信系统的性能。 本设计用到的是Altera公司的FPGA器件EP2C35F672C6，该器件隶属于Cycl

17、one II系列，具有更大的容量和极低的单位逻辑单元成本。从结构上看，该器件具有多达150个嵌入1818乘法器，适合于实现低成本数字信号处理（DSP）应用；它包含每块具有4608 bit的M4K存储块，提供高达1.1Mbit 的片内存储器，支持多种配置；它能以688 Mbps 的速率同DDR、DDR II 和SDR SDRAM 器件及QDRII SRAM 器件相连接，并支持多种单端和差分I/ O标准；支持Nios II系列嵌入式处理器，具有低成本和完整的软件开发工具。 Altera也为Cylcone II器件客户提供了40多个可定制IP核，Altera 和Altera Megafunction

18、伙伴计划(AMPPSM)合作者提供的不同的IP核是专为Cyclone II架构优化的，包括：Nios II嵌入式处理器；DDR SDRAM控制器；FFT/IFFT；PCI编译器；FIR编译器；NCO编译器；POS-PHY编译器；Reed Solomon 编译器；Viterbi编译器等。 1.2 课题的主要研究工作 课题主要研究二进制ASK，PSK，FSK调制解调系统的实现，完成对数字信号的调制与解调，在简化系统的前提下，根据系统的总体功能与硬件特点，设计总体框图，根据VHDL语言的特点，对VHDL建模并进行具体语言设计，让系统的解调结果准确，进行波形仿真与调试,完成调制解调任务。本系统设计的重

19、点在于作为载波的正弦波，由正弦信号发生其产生，在一个周期内完成256次采样。另外，三种数字信号的解调方法也不完全相同。由于利用相干解调方法需要本地载波参与解调，会使系统复杂且准确度降低，因此采用非相干解调，以正确解调出基带信号。 1.3 本论文的结构 第一章阐述了数字调制解调的背景知识和现状，以及FPGA的基本概念。 第二章介绍了EDA以及开发FPGA的软件的基本知识和主要使用方法，并介绍了VHDL语言的设计流程和基本语法。 第三章分析了ASK，PSK，FSK的调制解调原理理论分析。 第四章结合硬件平台进行方案选择，设计数字调制解调系统，包括程序的编写及硬件模块设计，以及仿真结果。 第五章给出

20、了调制解调器调制解调信号的测试结果和程序仿真结果。 第六章为本论文的结束语。 2.EDA技术简介 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的,EDA技术就是依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL （Hardware Description Language）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/F

21、PGA或专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片中，实现既定的电子电路设计功能。EDA技术可把数字通信技术，微电子技术和现代电子设计自动技术结合起来，实现硬件设计软件化，加速了数字通信系统设计的效率，降低了设计成本。 利用EDA技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点：(1) 用软件的方式设计硬件；(2) 用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；(3) 设计过程中可用有关软件进行各种仿真；(4) 系统可现场编程，在线升级；(5) 整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。 2.1 Quartus II 简介 Quartus II是Altera公司继MAXPLUS II后，所提供的FPGA/CPLD开发集成环境，主要针对本公司新器件和大规模FPGA 的开发。Quartus II提供一个容易适应特定设计所需要的完整的多平台设计环境。它不仅包括