【正文】 基于 FPGA 和 SOPC 技術(shù) 的 ASK、 FSK 調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) I 摘 要 1934 年美國(guó)學(xué)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(shí)代應(yīng)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(jì) 70 年代以后才開始的。隨著時(shí)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(jī)，而且還有傳真機(jī)和計(jì)算機(jī)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(hào)對(duì)高頻載波進(jìn)行調(diào)制，變成頻帶信號(hào)，在接收端進(jìn)行 解調(diào)，恢復(fù)原數(shù)字信號(hào) 。 對(duì)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(chǎng)可編程門陣列（ FPGA）在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 。 利用 FPGA 性能優(yōu)越、使用方便的特點(diǎn) ， 可以簡(jiǎn)化振幅調(diào)制 和頻率調(diào)制 電路的設(shè)計(jì)，而且易于反復(fù)編寫和修改程序。 本文 介紹了運(yùn)用 VHDL 語言進(jìn)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(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案， 給出了程序設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，完成了二進(jìn)制基帶數(shù)字信號(hào)的調(diào)制， 得到了相應(yīng)的調(diào)制信號(hào)。 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(shè)計(jì) ?????????????????????????????? 4 設(shè)計(jì)方 案 ????????? ???????????????????? 4 基本原理 ????????????????????????????? 5 具體實(shí)現(xiàn) ????????????????????????????? 5 ASK 的 調(diào)制 實(shí)現(xiàn) ????????????????????????? 5 FSK 的解調(diào)的實(shí)現(xiàn) ???????????????????????? 6 2 硬件設(shè)計(jì) ????????????????????????????? 9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(kuò)展板介紹 ???????????????? ??????????? 12 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) ?????????? ???????????????? 12 3 軟件設(shè)計(jì) ?????? ??????????????????????? 13 QuartusII 的設(shè)計(jì)流程 ???? ??????????????????? 13 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建 ????????????? ????????????? 17 Simulink 模型仿真 ?????? ?????????????????? 18 信號(hào)編譯器 ? ?? ???????????????????????? 20 4 系統(tǒng)調(diào)試和改進(jìn) ?????????????????????????? 22 IV 系統(tǒng)的調(diào)試 ??????????????????????????? 22 系統(tǒng)的改進(jìn) ??????????????????????????? 23 結(jié)論 ?????? ???????????????? ?????????? 24 致謝 ?????? ?????????????????????????? 25 參考文獻(xiàn) ??????????????????????????????? 26 附錄 1 ASK程序 ??????????????? ????????????? 27 附錄 2 FSK程序 ???????????????????????????? 32 1 緒 論 FPGA 的應(yīng)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(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)最熱門 的技術(shù)之一，應(yīng)用范圍遍及航空航天、醫(yī)療、通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊、安防、廣播、汽車電子、工業(yè)、消費(fèi)類市場(chǎng)、測(cè)量測(cè)試等多個(gè)熱門領(lǐng)域。并隨著工藝的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，向更多、更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。越來越多的設(shè)計(jì)也開始以 ASIC 轉(zhuǎn)向 FPGA， FPGA 正以各種電子產(chǎn)品的形式進(jìn)入了我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)角落 [1]。 FPGA 是英文 Field－ Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)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(diǎn)。 FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的 RAM 進(jìn)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(shè)模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。 如何實(shí)現(xiàn)快速的時(shí)序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時(shí)鐘管理 并降低 FPGA 與 PCB并行設(shè)計(jì)的復(fù)雜性等問題，一直是采用 FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工程師在從這些優(yōu)異性能獲益的同時(shí)，不得不面對(duì)由于 FPGA 前所未有的性能和能力水平而帶來的新的設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次， ,它不是簡(jiǎn)單的 SOC,它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè) 計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，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(diǎn) ,而且 SOPC兼具這 PLD 2 和 FPGA 的優(yōu)點(diǎn)， 一般具備以下基本特征：至少包含一個(gè)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(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部?jī)?nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（ RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以 PCB 和信號(hào)完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)技術(shù)。由于 SOPC 的主要邏輯設(shè)計(jì)是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而 BGA 封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進(jìn)行直接測(cè)試分析，因此，必將對(duì)以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)提出更高的要求。 同時(shí)，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(jià)廉物美的片內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)試工具。 SOPC 技術(shù)成為一個(gè)設(shè)計(jì)主流的原因主要有以下幾點(diǎn) : （ 1） 運(yùn)用嵌入的 NIOS 軟核。對(duì)于 NIOS 軟核，由于它是可配置的，所以還可以應(yīng)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(shè)計(jì)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(shè)和接口庫(kù)，如 UART、時(shí)鐘、 DMA,SDRAM。并行 IIO等 。這些特點(diǎn)使得設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單化，提供了設(shè)計(jì)可靠性，降低了設(shè)計(jì)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(jià)格仍然相當(dāng)昂貴，相反，集成了硬核或軟核 CPU、 DSP、存儲(chǔ)器、外圍 I/O 及可編程邏輯的SOPC 芯片在應(yīng)用的靈活性和價(jià)格上有極大的優(yōu)勢(shì)。 SOPC 被稱為 “ 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來 ” [5]。 調(diào)制方式按照調(diào)制信號(hào)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