【正文】 基于 FPGA 和 SOPC 技術(shù) 的 ASK、 FSK 調(diào)制器設計與實現(xiàn) I 摘 要 1934 年美國學者李佛西提出脈沖編碼調(diào)制（ PCM）的概念，從此之后通信數(shù)字化的時代應該說已經(jīng)開始了，但是數(shù)字通信的高速發(fā)展卻是 20 世紀 70 年代以后才開始的。隨著時代的發(fā)展，用戶不再滿足于聽到聲音，而且還要看到圖像； 更重要的是， 通信終端也不局限于單一的 電話機，而且還有傳真機和計算機等數(shù)據(jù)終端?，F(xiàn)有的傳輸媒介 如 電纜、 微波中繼器和衛(wèi)星通信 ， 可以更好的使用數(shù)字傳輸。 在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，數(shù)字信號對高頻載波進行調(diào)制，變成頻帶信號，在接收端進行 解調(diào)，恢復原數(shù)字信號 。 對載波的控制分 為三種方法： 振幅調(diào)制即振幅鍵控（ ASK），頻率調(diào)制即頻率鍵控（ FSK）和相位調(diào)制即相位鍵控 (PSK)?，F(xiàn)場可編程門陣列（ FPGA）在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應用 。 利用 FPGA 性能優(yōu)越、使用方便的特點 ， 可以簡化振幅調(diào)制 和頻率調(diào)制 電路的設計，而且易于反復編寫和修改程序。 本文 介紹了運用 VHDL 語言進行基于 FPGA 的振幅鍵控調(diào)制電路和 頻率鍵控調(diào)制 電路設計的實現(xiàn)方案， 給出了程序設計和仿真結(jié)果，完成了二進制基帶數(shù)字信號的調(diào)制， 得到了相應的調(diào)制信號。 關(guān)鍵詞 ： FPGA VHDL 振幅鍵控 頻率鍵控 II Abstract Communication digital era had began since American researcher Reeves put forward the concept of pulse code modulation (PCM) in 1934 and gained a rapid development after the 1970s. With the economic development， sound can’t meet the demand of consumers and they also want to see the images. What’s more， munication terminal doesn’t only include the single telephone set but also the data terminal such as electrograph and puter. Current transmission medium such as cable， microwave repeater and satellite munication will prefer to use digital transmission. In digital transmission system， the digital signal are used to modulate the high frequency carrier wave to the frequency signal ， which transfers through the channel， and renewed at the receiver. Three ways to modulate the carrier wave are as follows:Amplitude Shift Keying(ASK)， FrequencyShift Keying(FSK) and Phase Shift Keying(PSK).FieldProgrammable Gate Array(FPGA) is applied universally in the munication the superior performance and utilization convenience of FPGA， the design of circuit in the Amplitude modulation and frequencyShift Keying modulation can be simplified and it’ s easy for us to pile and modify the programme. This thesis introduces the main realization method of designing Amplitude Shift Keying modulation and frequencyShift Keying modulation circuit based on FPGA in VHDL， illustrates the programme design and simulation result， implement the modulation of binary baseband digital signal and finally finds out the corresponding modulation signal. Key words: FPGA VHDL ASK FSK 目 錄 III 摘要 ??????????????????????????????? ? Ⅰ Abstract??????????????????????????????? Ⅱ 緒論 ????????????????????????????????? 1 1 總體設計 ?????????????????????????????? 4 設計方 案 ????????? ???????????????????? 4 基本原理 ????????????????????????????? 5 具體實現(xiàn) ????????????????????????????? 5 ASK 的 調(diào)制 實現(xiàn) ????????????????????????? 5 FSK 的解調(diào)的實現(xiàn) ???????????????????????? 6 2 硬件設計 ????????????????????????????? 9 實驗平臺主板組成 ??? ???????????????? ????? 9 各功能模塊介紹 ??? ??? ??????????????????? 9 電源模塊 ??????? ???????????????????? 9 下載接口模塊 ????? ???????????????????? 9 液晶顯 模塊 ?????? ???????????????????? 10 按鍵模塊 ?????????? ????????????????? 10 I/O 配置芯片 ??? ??????????????????????? 10 VGA、 PS2 接口模塊 ?????? ??? ??????????????? 11 核心功能模塊介紹 ????????????? ?????????? 11 擴展板介紹 ???????????????? ??????????? 12 實驗注意事項 ?????????? ???????????????? 12 3 軟件設計 ?????? ??????????????????????? 13 QuartusII 的設計流程 ???? ??????????????????? 13 數(shù)學模型構(gòu)建 ????????????? ????????????? 17 Simulink 模型仿真 ?????? ?????????????????? 18 信號編譯器 ? ?? ???????????????????????? 20 4 系統(tǒng)調(diào)試和改進 ?????????????????????????? 22 IV 系統(tǒng)的調(diào)試 ??????????????????????????? 22 系統(tǒng)的改進 ??????????????????????????? 23 結(jié)論 ?????? ???????????????? ?????????? 24 致謝 ?????? ?????????????????????????? 25 參考文獻 ??????????????????????????????? 26 附錄 1 ASK程序 ??????????????? ????????????? 27 附錄 2 FSK程序 ???????????????????????????? 32 1 緒 論 FPGA 的應用領(lǐng)域最初為通信領(lǐng)域，但目前，隨著信息產(chǎn)業(yè)和微電子技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯嵌入式系統(tǒng)設計技術(shù)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)最熱門 的技術(shù)之一，應用范圍遍及航空航天、醫(yī)療、通訊、網(wǎng)絡通訊、安防、廣播、汽車電子、工業(yè)、消費類市場、測量測試等多個熱門領(lǐng)域。并隨著工藝的進步和技術(shù)的發(fā)展，向更多、更廣泛的應用領(lǐng)域擴展。越來越多的設計也開始以 ASIC 轉(zhuǎn)向 FPGA， FPGA 正以各種電子產(chǎn)品的形式進入了我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€角落 [1]。 FPGA 是英文 Field－ Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制 電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。 FPGA 是由存放在片內(nèi) 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(nèi)的 RAM 進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式 [2]。 FPGA 有多種配置模式：并行主模式為一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式；主從模式可以支持一片 PROM 編程多片 FPGA；串行模式可以采用串行 PROM 編程 FPGA；外設模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。 如何實現(xiàn)快速的時序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時鐘管理 并降低 FPGA 與 PCB并行設計的復雜性等問題，一直是采用 FPGA的系統(tǒng)設計工程師需要考慮的關(guān)鍵問題。如今，隨著 FPGA 向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多 IP 的方向發(fā)展，系統(tǒng)設計工程師在從這些優(yōu)異性能獲益的同時，不得不面對由于 FPGA 前所未有的性能和能力水平而帶來的新的設計挑戰(zhàn) [3]。 SOPC： SystemonaProgrammableChip， 即可編程片上系統(tǒng) 。 用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上， 來用于 嵌入式系統(tǒng) 的研究和 電子信息 處理 ,稱 SOPC?？删幊唐舷?（ SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（ SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次， ,它不是簡單的 SOC,它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設 計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能 [4]。 SOPC前提是 SOC系統(tǒng) ,所以 SOPC繼承著了 SOC的各種特點 ,而且 SOPC兼具這 PLD 2 和 FPGA 的優(yōu)點， 一般具備以下基本特征：至少包含一個嵌入式處理器內(nèi)核； 具有小容量片內(nèi)高速 RAM 資源； 豐富的 IP Core 資源可供選擇； 足夠的片上可編程邏輯資源 ； 處理器調(diào)試接口和 FPGA 編程接口； 可能包含部分可編程模擬電路；單芯片、低功耗 、微封裝。 SOPC 設計技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設計技術(shù)的全部內(nèi)容，除了以處理器和實時多任務操作系統(tǒng)（ RTOS）為中心的軟件設計技術(shù)、以 PCB 和信號完整性分析為基礎的高速電路設計技術(shù)以外， SOPC 還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設計技術(shù)。由于 SOPC 的主要邏輯設計是在可編程邏輯器件內(nèi)部進行，而 BGA 封裝已被廣泛應用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術(shù)為基礎的軟硬件協(xié)同設計技術(shù)提出更高的要求。 同時，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來，如 Xilinx 公司的片內(nèi)邏輯分析儀 Chip Scope ILA 就是一種價廉物美的片內(nèi)實時調(diào)試工具。 SOPC 技術(shù)成為一個設計主流的原因主要有以下幾點 : （ 1） 運用嵌入的 NIOS 軟核。對于 NIOS 軟核，由于它是可配置的，所以還可以應用于 Altera 公司任何其他的 FPGA 芯片上 。 （ 2） NIOS 可配置為 32 位或 16 位的 CPU，使設計人員能夠在速度與占有資源上做出最優(yōu)選擇 。 （ 3） NIOS 帶有大量的外設和接口庫，如 UART、時鐘、 DMA,SDRAM。并行 IIO等 。這些特點使得設計變得簡單化，提供了設計可靠性，降低了設計成本 。 SOPC 是 PLD 和 ASIC 技術(shù)融合的結(jié)果，目前 微米的 ASIC 產(chǎn)品制造價格仍然相當昂貴，相反，集成了硬核或軟核 CPU、 DSP、存儲器、外圍 I/O 及可編程邏輯的SOPC 芯片在應用的靈活性和價格上有極大的優(yōu)勢。 SOPC 被稱為 “ 半導體產(chǎn)業(yè)的未來 ” [5]。 調(diào)制方式按照調(diào)制信號的性質(zhì)分為 模擬調(diào)制 和數(shù)字調(diào)制兩類；按照載波的形式分為連續(xù)波調(diào)制和脈沖調(diào)制兩類。模擬調(diào)制有調(diào)幅 (AM)、調(diào)頻 (FM)和調(diào)相 (PM)。數(shù)字調(diào)制有 振幅鍵控 （ ASK）、移頻鍵控 (FSK)、移相鍵控 (PSK)和差分移相鍵控