【正文】 基于CPLD/FPGA的FSK調(diào)制解調(diào)器畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄1 概述 1 課題研究的背景 1 課題研究的背景 1 課題研究的意義 2 課題研究工作 3 設(shè)計(jì)要求 3 論文布局 32 數(shù)字調(diào)制技術(shù) 4 數(shù)字振幅鍵控 4 數(shù)字振幅鍵控原理 4 數(shù)字振幅鍵控解調(diào) 5 數(shù)字振幅鍵控性能 6 數(shù)字相位鍵控 8 數(shù)字相移鍵控原理 8 數(shù)字相位鍵控解調(diào) 9 數(shù)字相位鍵控性能 10 數(shù)字頻率鍵控 11 數(shù)字頻率鍵控原理 11 數(shù)字頻率鍵控解調(diào) 13 數(shù)字頻率鍵控性能 15 MFSK簡(jiǎn)介 153 FPGA技術(shù) 17 FPGA技術(shù)發(fā)展史 17 FPGA開發(fā)基礎(chǔ) 18 FPGA設(shè)計(jì)流程 18 硬件描述語(yǔ)言 194 FSK的FPGA實(shí)現(xiàn) 23 FSK的實(shí)現(xiàn) 23 FPGA實(shí)現(xiàn)的FSK設(shè)計(jì)概述 23 FPGA實(shí)現(xiàn)的FSK設(shè)計(jì) 23 設(shè)計(jì)的FPGA仿真驗(yàn)證 305 總結(jié) 37 課題研究總結(jié) 37 課題研究的展望 38致 謝 39參考文獻(xiàn) 40II1 概述本節(jié)屬于論文的概述部分。在本章節(jié)，所要提及的內(nèi)容有兩個(gè)方面：一方面，就本課題研究的背景和意義作以簡(jiǎn)短的敘述；另一方面，為了方便廣大讀者的閱讀，在本章節(jié)的第二部分給出了課題研究的一些要求和本篇論文的一個(gè)粗略布局。 課題研究的背景 課題研究的背景通信技術(shù)和通信產(chǎn)業(yè)是二十世紀(jì)八十年代以來(lái)發(fā)展極其迅速的領(lǐng)域之一，這不僅是在國(guó)內(nèi)如此，國(guó)外也是如此，這是人類社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代的重要標(biāo)志。從最初的點(diǎn)到點(diǎn)式通信發(fā)展為現(xiàn)代的網(wǎng)狀全方位多層次通信網(wǎng)，交換機(jī)技術(shù)從最初的人工式到現(xiàn)代的程控交換技術(shù)，傳播信號(hào)也由模擬信號(hào)成了現(xiàn)代的數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)也出現(xiàn)了純數(shù)字系統(tǒng)和模數(shù)并存的系統(tǒng)，技術(shù)不斷深化發(fā)展，新技術(shù)不斷被研究產(chǎn)生。圖 11 基帶通信系統(tǒng)圖12 (a) 模擬通信系統(tǒng)圖12 (b) 數(shù)字通信系統(tǒng)傳統(tǒng)的基帶通信系統(tǒng)，有著支持的用戶數(shù)量少，信號(hào)傳輸質(zhì)量不高，易受到干擾等缺點(diǎn)，為了克服這些問(wèn)題，出現(xiàn)了諸如編碼，調(diào)制，加密，擴(kuò)頻等技術(shù)。以基帶傳輸系統(tǒng)為例，如圖11所示，信源通過(guò)信道直接傳送給信宿，顯然，在短距離單用戶時(shí)可以實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)遠(yuǎn)距離多用戶通信時(shí)，或者在有限帶寬的高頻信道如無(wú)線或光纖信道上傳輸時(shí)，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)或者說(shuō)即使能夠?qū)崿F(xiàn)也不會(huì)獲得較好的接收質(zhì)量。因此，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的處理，這個(gè)處理就叫做信號(hào)調(diào)制，含調(diào)制的通信系統(tǒng)如圖12中(a)所示，原始基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制，變成頻帶信號(hào)，由于高頻信號(hào)相對(duì)于低頻信號(hào)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，使得信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳輸，并且為復(fù)用技術(shù)提供了可能。為了比較數(shù)字和模擬通信系統(tǒng)之間的不同，圖12中(b)給出了模擬通信系統(tǒng)模型。調(diào)制技術(shù)發(fā)展幾十年以來(lái)，已經(jīng)在日常生活和工業(yè)控制中被廣泛采用。 課題研究的意義數(shù)字信號(hào)在當(dāng)前應(yīng)用越來(lái)越廣泛，數(shù)字調(diào)制技術(shù)也就成為時(shí)下研究的熱點(diǎn)。對(duì)于數(shù)字調(diào)制技術(shù)而言，主要有3種方式，分別為數(shù)字調(diào)幅(數(shù)字信號(hào)對(duì)載波幅度調(diào)制稱為振幅鍵控ASM)，數(shù)字調(diào)相(數(shù)字信號(hào)對(duì)載波相位調(diào)制稱為相移鍵控PSK)，數(shù)字調(diào)頻(數(shù)字信號(hào)對(duì)載波頻率調(diào)制稱為頻移鍵控FSK)。作為數(shù)字調(diào)制技術(shù)中重要的方法之一的FSK調(diào)制技術(shù)，是用不同頻率的載波來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)，用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波信號(hào)的頻率，它是信息傳輸中使用較早的一種調(diào)制方式，主要特點(diǎn)是：抗干擾能力較強(qiáng)，不受信道參數(shù)變化的影響，傳輸距離遠(yuǎn)，誤碼率低等。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中，特別是在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，有著廣泛的應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)方法主要有單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方式、數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)方式、DSP實(shí)現(xiàn)方式、專用芯片實(shí)現(xiàn)方式、硬件描述語(yǔ)言VHDL實(shí)現(xiàn)方式等。然而，數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)方式有其無(wú)法克制的局限性：系統(tǒng)升級(jí)，修改都不容易，移植性差，單片機(jī)需要很多外圍電路，這樣就增加了設(shè)計(jì)成本，移植升級(jí)操作不方便；ASIC（專用芯片）實(shí)現(xiàn)方式使用場(chǎng)合有限，不便推廣，升級(jí)換代成本投入大等；軟件類實(shí)現(xiàn)方式中，F(xiàn)PGA 最大的特點(diǎn)就是靈活，實(shí)現(xiàn)想實(shí)現(xiàn)的任何數(shù)字電路，可以定制各種電路，減少受制于專用芯片的束縛，真正為自己的產(chǎn)品量身定做，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以靈活的更改設(shè)計(jì)，而且它強(qiáng)大的邏輯資源和寄存器資源可以讓你輕松的去發(fā)揮設(shè)計(jì)理念，其并行執(zhí)行，硬件實(shí)現(xiàn)的方式可以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)中大量的高速電子線路設(shè)計(jì)需求。 FPGA比DSP擁有更快的速度，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的高速邏輯，F(xiàn)PGA比ASIC（專用芯片）有更短的設(shè)計(jì)周期和靈活性，免去昂貴的開發(fā)費(fèi)用，而且可以隨時(shí)裁減，增加設(shè)計(jì)者想要實(shí)現(xiàn)的功能，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，回避芯片廠商的限制。另外知識(shí)產(chǎn)權(quán)的概念不斷涌現(xiàn)，他人抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，而FPGA完全讓設(shè)計(jì)的智慧得以保護(hù)，讓公司的利益在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)得到保證。隨著FPGA芯片供應(yīng)商和第三方公司的重視，有非常多現(xiàn)成的IP核被提供，進(jìn)一步縮短設(shè)計(jì)周期縮短，減小了開發(fā)成本。很多免費(fèi)的軟IP核和硬 IP核的出現(xiàn)，這樣以來(lái)，可保持電路的不變，升級(jí)改變軟件內(nèi)核即可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路作用的變化；并且FPGA設(shè)計(jì)，調(diào)試方便，又加之VHDL硬件描述語(yǔ)言簡(jiǎn)明易懂，語(yǔ)法規(guī)則類似于C語(yǔ)言，輸入方式靈活，有利于廣大設(shè)計(jì)開發(fā)人員學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，不管是大批量處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還是在小批量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，都有著明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其在小批量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，優(yōu)勢(shì)突出，這些優(yōu)點(diǎn)引起了業(yè)界的高度重視。 課題研究工作 設(shè)計(jì)要求本篇論文的研究課題是“基于FPGA/CPLD的FSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)”，設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是使用EDA設(shè)計(jì)技術(shù)，用硬件描述語(yǔ)言完成FSK調(diào)制與解調(diào)的硬件電路的設(shè)計(jì)，主要功能和技術(shù)指標(biāo)如下： 1）理解FSK的調(diào)制解調(diào)的基本原理，掌握FSK調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)的基本方法；2）了解EDA設(shè)計(jì)技術(shù)，掌握FPGA/CPLD硬件設(shè)計(jì)的基本方法和流程；3)用VHDL或者其他的硬件描述語(yǔ)言完成FSK調(diào)制解調(diào)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的功能，并且在QuartusII環(huán)境下實(shí)現(xiàn)綜合調(diào)試和仿真；4)把編譯好的文件下載到FPGA芯片上，進(jìn)行硬件的仿真和調(diào)試。 論文布局本篇論文以2FSK、4FSK為例，對(duì)調(diào)制技術(shù)理論進(jìn)行了講解和VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。論文除參考文獻(xiàn)以外，正文部分共分為5個(gè)部分。為了使廣大讀者了解選擇本研究課題的初衷，特意編寫了第一部分，在這一部分中，闡明了選擇這個(gè)研究課題的背景和意義，當(dāng)然，在這一部分的最后，還對(duì)本篇論文設(shè)計(jì)的基本要求和論文撰寫、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中所做的工作進(jìn)行了粗略的介紹。在第一部分的講解的基礎(chǔ)上，論文的第二部分就通信中的數(shù)字調(diào)制解調(diào)的分類和原理做了詳細(xì)的講解。第三部分對(duì)VHDL語(yǔ)言的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的講解和概括。在熟悉了VHDL語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，論文的第四部分結(jié)合FSK和VHDL各自的要求和特點(diǎn)，以2FSK和4FSK信號(hào)為例，對(duì)FSK調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)程序進(jìn)行了說(shuō)明，并且，結(jié)合程序設(shè)計(jì)，基于Quartus II ，進(jìn)行了編譯、綜合和調(diào)試，并下載至目標(biāo)芯片上進(jìn)行了仿真。在實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)后，作者并沒(méi)有對(duì)目前的成果滿足，而是對(duì)這種方法應(yīng)用進(jìn)行了拓展和未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了個(gè)人的展望。限于作者水平，在本篇論文中，難免會(huì)有不足之處和錯(cuò)誤，懇請(qǐng)廣大讀者和相關(guān)技術(shù)人員專家批評(píng)指正。2 數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字信號(hào)是相對(duì)于模擬信號(hào)而言，目前，大多數(shù)通信系統(tǒng)中的模擬信號(hào)都通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行傳輸和處理，當(dāng)然，這是由于數(shù)字信號(hào)相對(duì)于模擬信號(hào)的諸多優(yōu)點(diǎn)而得宜的。數(shù)字調(diào)制解調(diào)是數(shù)字通信系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分。在無(wú)線電信道中，信號(hào)調(diào)制是必不可少的，因?yàn)橐獙⑿盘?hào)以電磁波的方式通過(guò)天線輻射出去，信號(hào)所占用的頻帶位置必須足夠高，并且信號(hào)所占用的頻帶寬度不能超過(guò)天線的通頻帶，所以基帶信號(hào)必須調(diào)制為一個(gè)頻率很高的高頻信號(hào)，才能夠從天線發(fā)射出去。對(duì)于基帶信號(hào)的調(diào)制可分為三類：ASK，PSK，F(xiàn)SK。調(diào)制常用正弦載波調(diào)制，模型如下式： （21）或 （22）模型中，A為振幅(V)；為頻率(Hz)；為初始相位；為角頻率(rad/s)。 數(shù)字振幅鍵控 數(shù)字振幅鍵控原理振幅鍵控（ASK）調(diào)制是正弦載波的幅值隨著數(shù)字基帶信號(hào)的變化而變化的調(diào)制方式，如式21所示，也即式中的A隨著數(shù)字基帶信號(hào)的變化而發(fā)生變化，ASK分為二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）和多進(jìn)制振幅鍵控（MASK）。對(duì)于2ASK來(lái)說(shuō)，數(shù)字基帶信號(hào)的0、1序列控制著載波幅值的變化。設(shè)發(fā)送的0的概率是P，發(fā)送1的概率是1P，發(fā)送0、1的概率相互獨(dú)立，可以用如下的方程來(lái)表示這一過(guò)程：（23）其中，是二進(jìn)制的帶通信號(hào)的時(shí)間間隔，是脈沖寬度為的矩形脈沖，且當(dāng)時(shí)，=1；當(dāng)取其他值時(shí)，=0，振幅鍵控的信號(hào)波形如圖21所示。在圖21中，2ASK調(diào)制信號(hào)的波形隨著二進(jìn)制基帶信號(hào)通斷而變化，所以稱2ASK為通斷鍵控信號(hào)。二進(jìn)制振幅鍵控的實(shí)現(xiàn)總體有兩種方式，具體方法如圖22所示。在22的(a)圖中，采用模擬相乘的方法實(shí)現(xiàn)；在22的(b)中，采用了數(shù)字鍵控的方法實(shí)現(xiàn)。圖 21 2ASK調(diào)制波形圖(a) 模擬相乘法 (b) 數(shù)字鍵控法 圖 22 2ASK信號(hào)產(chǎn)生方法由上述可知，2ASK信號(hào)與模擬調(diào)幅信號(hào)AM類似。具體的實(shí)現(xiàn)調(diào)制方法的電路有四種：開關(guān)鍵控法、橋式調(diào)制法、數(shù)字電路法和三極管調(diào)幅法，在此不再一一介紹。 數(shù)字振幅鍵控解調(diào)對(duì)于2ASK的解調(diào)方法有兩種，一種是相干解調(diào)法，另外一種是非相干解調(diào)法，具體來(lái)講，2ASK解調(diào)采用的是相干解調(diào)方法中的同步檢波法和非相干解調(diào)方法中的包絡(luò)檢波法。2ASK的同步檢波法的系統(tǒng)框圖如圖23，相干解調(diào)法的系統(tǒng)框圖如圖24，解調(diào)過(guò)程中具體的各部分信號(hào)波形圖如圖25。在圖23中，是根據(jù)解調(diào)器的輸入信號(hào)提取而來(lái)，這個(gè)提取電路可根據(jù)實(shí)際情況使用簡(jiǎn)單的窄帶濾波器實(shí)現(xiàn)，也可以使用鎖相環(huán)等載波提取電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在相干解調(diào)中，輸入信號(hào)為，解調(diào)理論如下： （24）利用三角函數(shù)特殊公式，得出： （25）顯然，式中的第一項(xiàng)是低頻量，第二項(xiàng)是高頻量，通過(guò)低通濾波器，第二項(xiàng)被濾除，就剩下第一項(xiàng)，于是，解調(diào)的結(jié)果是： （26）圖 23 2ASK相干解調(diào)法圖 24 2ASK非相干解調(diào)法圖 25 2ASK信號(hào)的非相干解調(diào)各點(diǎn)波形 數(shù)字振幅鍵控性能從功率譜和誤碼率兩方面來(lái)討論2ASK的性能。1） 功率譜2ASK的功率譜可以表示為 （27）2ASK信號(hào)的