【正文】 基于CPLD/FPGA的FSK調(diào)制解調(diào)器畢業(yè)設計目錄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 設計要求 3 論文布局 32 數(shù)字調(diào)制技術 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簡介 153 FPGA技術 17 FPGA技術發(fā)展史 17 FPGA開發(fā)基礎 18 FPGA設計流程 18 硬件描述語言 194 FSK的FPGA實現(xiàn) 23 FSK的實現(xiàn) 23 FPGA實現(xiàn)的FSK設計概述 23 FPGA實現(xiàn)的FSK設計 23 設計的FPGA仿真驗證 305 總結 37 課題研究總結 37 課題研究的展望 38致 謝 39參考文獻 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)容有兩個方面：一方面，就本課題研究的背景和意義作以簡短的敘述；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粗略布局。 課題研究的背景 課題研究的背景通信技術和通信產(chǎn)業(yè)是二十世紀八十年代以來發(fā)展極其迅速的領域之一，這不僅是在國內(nèi)如此，國外也是如此，這是人類社會進入信息時代的重要標志。從最初的點到點式通信發(fā)展為現(xiàn)代的網(wǎng)狀全方位多層次通信網(wǎng)，交換機技術從最初的人工式到現(xiàn)代的程控交換技術，傳播信號也由模擬信號成了現(xiàn)代的數(shù)字信號，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)，技術不斷深化發(fā)展，新技術不斷被研究產(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，信號傳輸質量不高，易受到干擾等缺點，為了克服這些問題，出現(xiàn)了諸如編碼，調(diào)制，加密，擴頻等技術。以基帶傳輸系統(tǒng)為例，如圖11所示，信源通過信道直接傳送給信宿，顯然，在短距離單用戶時可以實現(xiàn)，但當遠距離多用戶通信時，或者在有限帶寬的高頻信道如無線或光纖信道上傳輸時，將無法實現(xiàn)或者說即使能夠實現(xiàn)也不會獲得較好的接收質量。因此，必須對信號進行一定的處理，這個處理就叫做信號調(diào)制，含調(diào)制的通信系統(tǒng)如圖12中(a)所示，原始基帶信號經(jīng)過調(diào)制，變成頻帶信號，由于高頻信號相對于低頻信號有著諸多優(yōu)點，使得信號可以遠距離傳輸，并且為復用技術提供了可能。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)制技術發(fā)展幾十年以來，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)字信號在當前應用越來越廣泛，數(shù)字調(diào)制技術也就成為時下研究的熱點。對于數(shù)字調(diào)制技術而言，主要有3種方式，分別為數(shù)字調(diào)幅(數(shù)字信號對載波幅度調(diào)制稱為振幅鍵控ASM)，數(shù)字調(diào)相(數(shù)字信號對載波相位調(diào)制稱為相移鍵控PSK)，數(shù)字調(diào)頻(數(shù)字信號對載波頻率調(diào)制稱為頻移鍵控FSK)。作為數(shù)字調(diào)制技術中重要的方法之一的FSK調(diào)制技術，是用不同頻率的載波來傳送數(shù)字信號，用數(shù)字基帶信號控制載波信號的頻率，它是信息傳輸中使用較早的一種調(diào)制方式，主要特點是：抗干擾能力較強，不受信道參數(shù)變化的影響，傳輸距離遠，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，有著廣泛的應用，其實現(xiàn)方法主要有單片機實現(xiàn)方式、數(shù)字電路實現(xiàn)方式、DSP實現(xiàn)方式、專用芯片實現(xiàn)方式、硬件描述語言VHDL實現(xiàn)方式等。然而，數(shù)字電路實現(xiàn)方式有其無法克制的局限性：系統(tǒng)升級，修改都不容易，移植性差，單片機需要很多外圍電路，這樣就增加了設計成本，移植升級操作不方便；ASIC（專用芯片）實現(xiàn)方式使用場合有限，不便推廣，升級換代成本投入大等；軟件類實現(xiàn)方式中，F(xiàn)PGA 最大的特點就是靈活，實現(xiàn)想實現(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，在設計的過程中可以靈活的更改設計，而且它強大的邏輯資源和寄存器資源可以讓你輕松的去發(fā)揮設計理念，其并行執(zhí)行，硬件實現(xiàn)的方式可以應對設計中大量的高速電子線路設計需求。 FPGA比DSP擁有更快的速度，可以實現(xiàn)非常復雜的高速邏輯，F(xiàn)PGA比ASIC（專用芯片）有更短的設計周期和靈活性，免去昂貴的開發(fā)費用，而且可以隨時裁減，增加設計者想要實現(xiàn)的功能，降低設計風險，回避芯片廠商的限制。另外知識產(chǎn)權的概念不斷涌現(xiàn)，他人抄襲現(xiàn)象嚴重，而FPGA完全讓設計的智慧得以保護，讓公司的利益在較長時間內(nèi)得到保證。隨著FPGA芯片供應商和第三方公司的重視，有非常多現(xiàn)成的IP核被提供，進一步縮短設計周期縮短，減小了開發(fā)成本。很多免費的軟IP核和硬 IP核的出現(xiàn)，這樣以來，可保持電路的不變，升級改變軟件內(nèi)核即可以實現(xiàn)整個電路作用的變化；并且FPGA設計，調(diào)試方便，又加之VHDL硬件描述語言簡明易懂，語法規(guī)則類似于C語言，輸入方式靈活，有利于廣大設計開發(fā)人員學習設計，不管是大批量處理系統(tǒng)設計中還是在小批量系統(tǒng)設計中，都有著明顯的優(yōu)勢，尤其在小批量的系統(tǒng)設計生產(chǎn)中，優(yōu)勢突出，這些優(yōu)點引起了業(yè)界的高度重視。 課題研究工作 設計要求本篇論文的研究課題是“基于FPGA/CPLD的FSK調(diào)制解調(diào)器設計”，設計的內(nèi)容主要是使用EDA設計技術，用硬件描述語言完成FSK調(diào)制與解調(diào)的硬件電路的設計，主要功能和技術指標如下： 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)實現(xiàn)的基本方法；2）了解EDA設計技術，掌握FPGA/CPLD硬件設計的基本方法和流程；3)用VHDL或者其他的硬件描述語言完成FSK調(diào)制解調(diào)的設計，實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的功能，并且在QuartusII環(huán)境下實現(xiàn)綜合調(diào)試和仿真；4)把編譯好的文件下載到FPGA芯片上，進行硬件的仿真和調(diào)試。 論文布局本篇論文以2FSK、4FSK為例，對調(diào)制技術理論進行了講解和VHDL語言實現(xiàn)。論文除參考文獻以外，正文部分共分為5個部分。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，闡明了選擇這個研究課題的背景和意義，當然，在這一部分的最后，還對本篇論文設計的基本要求和論文撰寫、設計實現(xiàn)中所做的工作進行了粗略的介紹。在第一部分的講解的基礎上，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的講解。第三部分對VHDL語言的設計進行了簡要的講解和概括。在熟悉了VHDL語言的基礎上，論文的第四部分結合FSK和VHDL各自的要求和特點，以2FSK和4FSK信號為例，對FSK調(diào)制解調(diào)器的設計思路和實現(xiàn)程序進行了說明，并且，結合程序設計，基于Quartus II ，進行了編譯、綜合和調(diào)試，并下載至目標芯片上進行了仿真。在實現(xiàn)了整個設計后，作者并沒有對目前的成果滿足，而是對這種方法應用進行了拓展和未來發(fā)展進行了個人的展望。限于作者水平，在本篇論文中，難免會有不足之處和錯誤，懇請廣大讀者和相關技術人員專家批評指正。2 數(shù)字調(diào)制技術數(shù)字信號是相對于模擬信號而言，目前，大多數(shù)通信系統(tǒng)中的模擬信號都通過模數(shù)轉換成數(shù)字信號，進行傳輸和處理，當然，這是由于數(shù)字信號相對于模擬信號的諸多優(yōu)點而得宜的。數(shù)字調(diào)制解調(diào)是數(shù)字通信系統(tǒng)中至關重要的組成部分。在無線電信道中，信號調(diào)制是必不可少的，因為要將信號以電磁波的方式通過天線輻射出去，信號所占用的頻帶位置必須足夠高，并且信號所占用的頻帶寬度不能超過天線的通頻帶，所以基帶信號必須調(diào)制為一個頻率很高的高頻信號，才能夠從天線發(fā)射出去。對于基帶信號的調(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)字基帶信號的變化而發(fā)生變化，ASK分為二進制振幅鍵控（2ASK）和多進制振幅鍵控（MASK）。對于2ASK來說，數(shù)字基帶信號的0、1序列控制著載波幅值的變化。設發(fā)送的0的概率是P，發(fā)送1的概率是1P，發(fā)送0、1的概率相互獨立，可以用如下的方程來表示這一過程：（23）其中，是二進制的帶通信號的時間間隔，是脈沖寬度為的矩形脈沖，且當時，=1；當取其他值時，=0，振幅鍵控的信號波形如圖21所示。在圖21中，2ASK調(diào)制信號的波形隨著二進制基帶信號通斷而變化，所以稱2ASK為通斷鍵控信號。二進制振幅鍵控的實現(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現(xiàn)；在22的(b)中，采用了數(shù)字鍵控的方法實現(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信號產(chǎn)生方法由上述可知，2ASK信號與模擬調(diào)幅信號AM類似。具體的實現(xiàn)調(diào)制方法的電路有四種：開關鍵控法、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)過程中具體的各部分信號波形圖如圖25。在圖23中，是根據(jù)解調(diào)器的輸入信號提取而來，這個提取電路可根據(jù)實際情況使用簡單的窄帶濾波器實現(xiàn)，也可以使用鎖相環(huán)等載波提取電路來實現(xiàn)。在相干解調(diào)中，輸入信號為，解調(diào)理論如下： （24）利用三角函數(shù)特殊公式，得出： （25）顯然，式中的第一項是低頻量，第二項是高頻量，通過低通濾波器，第二項被濾除，就剩下第一項，于是，解調(diào)的結果是： （26）圖 23 2ASK相干解調(diào)法圖 24 2ASK非相干解調(diào)法圖 25 2ASK信號的非相干解調(diào)各點波形 數(shù)字振幅鍵控性能從功率譜和誤碼率兩方面來討論2ASK的性能。1） 功率譜2ASK的功率譜可以表示為 （27）2ASK信號的