【導(dǎo)讀】數(shù)字頻帶系統(tǒng)的建模與設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)于2ASK、2FSK、2PSK、DPSK調(diào)。是載波隨著基帶信號(hào)的相對(duì)相移變化。數(shù)字調(diào)制就是將基帶信號(hào)搬移到。號(hào)在在信道中的傳輸。解調(diào)是接收端將在已調(diào)信號(hào)從高頻載波上搬移下來(lái)，還原。用VHDL語(yǔ)言編程在QuartusⅡ軟件上實(shí)現(xiàn)2ASK、2FSK、2PSK、DPSK調(diào)制解調(diào)。

　　

【正文】 很清晰的結(jié)構(gòu)組成，從開始到結(jié)束，各部分獨(dú)有特定的功能和語(yǔ)法結(jié)構(gòu)。在 VHDL 中，將一個(gè)可以完成特定獨(dú)立功能的設(shè)計(jì)稱為設(shè)計(jì)實(shí)體（ Design entity）。一個(gè)基本的 VHDL 設(shè)計(jì)實(shí)體結(jié)構(gòu)模型如圖 24所示。 而對(duì)于一個(gè)邏輯部件的設(shè)計(jì)，并不要所有的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)才能完成，有些部件的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)是可以省略的，但是一個(gè)有意義的設(shè)計(jì)實(shí)體至少要包含庫(kù)（程序包）、實(shí)體和結(jié)構(gòu)體三部分： VHDL 程序具體框架： （ 1） 實(shí)體 實(shí)體 （ Entity）是設(shè)計(jì)中最基本的模 塊，用于描述設(shè)計(jì)實(shí)體的外部接口性，即該設(shè)計(jì)實(shí)體對(duì)外的輸入輸出端口的數(shù)量和端口特性。一個(gè)由多個(gè)模塊構(gòu)成的設(shè)計(jì)實(shí)體中可能包含多個(gè)實(shí)體，其中包快一個(gè)頂層實(shí)體和處于底層的底層實(shí)體，底層實(shí)體可以作為組件（ Component） 例化到高層次實(shí)體中，此時(shí)頂層實(shí)體可以應(yīng)對(duì)于芯片的外部引腳定義。 （ 2） 結(jié)構(gòu)體 數(shù)字頻帶系統(tǒng)的 建模與 設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè)，共 54 頁(yè) 結(jié)構(gòu)體（ Architecture） 用于描述實(shí)體所代表的系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和行為。一個(gè)實(shí)體必須要有至少一個(gè)結(jié)構(gòu)體與之對(duì)應(yīng)。結(jié)構(gòu)體描述了設(shè)計(jì)實(shí)體的結(jié)構(gòu)、行為、元件、及內(nèi)部連接關(guān)系，也就是說(shuō)定義了設(shè)計(jì)實(shí)體具體功能的實(shí)現(xiàn)，規(guī)定了設(shè)計(jì) 實(shí)體的數(shù)據(jù)流程，制訂了實(shí)體內(nèi)部的元件連接關(guān)系。結(jié)構(gòu)體的功能和行為描述可以采用多種描述方式。包括： ① 行為描述方式 對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)體的數(shù)學(xué)模型的描述，其抽象程度最高類似于高級(jí)編程語(yǔ)言，無(wú)需的電路的具體結(jié)構(gòu)。一般通過(guò)一組串行的 VHDL 進(jìn)程來(lái)反映設(shè)計(jì)的功能和算法。其優(yōu)點(diǎn)是只需要描述輸入和輸出的行為，而不關(guān)注具體電路的實(shí)現(xiàn)。 ② 數(shù)據(jù)流描述方式 數(shù)據(jù)流（ Dataflow）描述方式也 稱為寄存器傳輸級(jí) (RTL)描述。這種描述方式將數(shù)據(jù)看成從設(shè)計(jì)的輸入端到輸出端，通過(guò)并行語(yǔ)句表示這些數(shù)據(jù)的變化，即對(duì)信號(hào)到信號(hào)的數(shù)據(jù)流動(dòng) 的路徑和形式進(jìn)行描述。使用數(shù)據(jù)流的描述的設(shè)計(jì)人員，要對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)體的功能實(shí)現(xiàn)有一定的了解，有時(shí)候還要對(duì)電路的具體結(jié)構(gòu)有清楚的認(rèn)識(shí)。數(shù)據(jù)流描述方式的優(yōu)點(diǎn)是易于進(jìn)行邏輯綜合，綜合效率較高。 ③ 結(jié)構(gòu)描述方式 結(jié)構(gòu)（ Structure）描述多用于多層次的設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)用庫(kù)中的元件或者已經(jīng)設(shè)計(jì)好的模塊，進(jìn)行組合，完成實(shí)體功能的描述。結(jié)構(gòu)描述方式只表示元件（模塊）和元件（模塊）之間的互聯(lián)，就像網(wǎng)表一樣。 結(jié)構(gòu)描述方式的優(yōu)點(diǎn)是可以將已有的設(shè)計(jì)成果應(yīng)用與當(dāng)前的設(shè)計(jì)中，因而大大的提高了設(shè)計(jì)效率，對(duì)于可分解的大型設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)描 述方式總是首選方案，也是由上至下設(shè)計(jì)方法的具體實(shí)施。 （ 3） 庫(kù)和程序包 庫(kù)（ Library） 是用來(lái)存放以編譯過(guò)的實(shí)體。結(jié)構(gòu)體、程序包（ Package） 等數(shù)據(jù)集合；程序包主要用來(lái)存放各個(gè)設(shè)計(jì)都能共享的數(shù)據(jù)類型、子程序、常量和元件等。庫(kù)和程序包就是使設(shè)計(jì)者共享已經(jīng)編譯過(guò)的設(shè)計(jì)成果。 在 VHDL 設(shè)計(jì)語(yǔ)言中數(shù)據(jù)類型、常量及子程序在實(shí)體申明和結(jié)構(gòu)體內(nèi)定義，而這些 第 23 頁(yè)，共 54 頁(yè) 數(shù)據(jù)類型、常量及子程序?qū)ζ渌麑?shí)體是不可見的。為了能夠在其他設(shè)計(jì)實(shí)體中使用這些資源， VHDL 提供了程序包作為載體。在程序包中，用戶可以定義一些公用的子程序、常 量和自定義的數(shù)據(jù)類型。 各種 VHDL編譯系統(tǒng)都包含了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序包，如 STD_LOGIC1164和 STANDARD程序包。用戶可以打開編譯系統(tǒng)安裝目錄下的庫(kù)文件夾內(nèi)的各個(gè)程序包文件，查看各個(gè)程序包的內(nèi)容。用戶也可以自定義程序包。 （ 4） 配置 一個(gè)設(shè)計(jì)中，實(shí)體可以對(duì)應(yīng)多個(gè)結(jié)構(gòu)體，既有多種實(shí)現(xiàn)方式。那么在具體硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，要采用哪種方式就需要配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。配置就是從與某個(gè)實(shí)體對(duì)應(yīng)的多個(gè)結(jié)構(gòu)體中選定一個(gè)作為具體實(shí)現(xiàn)。 數(shù)字頻帶系統(tǒng)的 建模與 設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè)，共 54 頁(yè) 4 基于 VHDL 語(yǔ)言的數(shù)字頻 帶系統(tǒng)的建模與設(shè)計(jì) 引言 用 VHDL 語(yǔ)言建模，編寫程序?qū)崿F(xiàn) 2ASK、 2FSK、 2CPSK、 2DPSK 的調(diào)制與解調(diào)，在Quartus Ⅱ上實(shí)現(xiàn) 2ASK、 2FSK、 2CPSK、 2DPSK 的調(diào)制與解調(diào)的邏輯圖設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)的波形仿真。 基于 VHDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) 2ASK 的調(diào)制與解 2ASK 調(diào)制的實(shí)現(xiàn) 1. 2ASK 調(diào)制建模方思想： （ 1） 采用數(shù)字載波信號(hào) 數(shù)字載波信號(hào)產(chǎn)生的方法可以外部輸入，也可以通過(guò)高頻時(shí)鐘信號(hào)分頻得到。 （ 2） 采用鍵控法進(jìn)行調(diào)制 數(shù)字基帶信號(hào)作為鍵控 信號(hào)控制與門來(lái)完成 2ASK 調(diào)制。 （ 3） 數(shù)字載波調(diào)制的 2ASK 信號(hào)可經(jīng)過(guò)外接濾波器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)形式的信號(hào)輸出 因?yàn)椴捎脭?shù)字載波調(diào)制的 2ASK 信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，含有豐富的高頻分量，所以經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器或者一個(gè)低通濾波器后，將減少高頻成分，輸出信號(hào)接近模擬載波調(diào)制 2ASK 調(diào)制的建模方框圖如圖 41 所示 FPGA 圖 41 2ASK調(diào)制建模方框圖 2ASK 調(diào)制電路 圖 如圖 42所示 clk 分頻器 start 基帶信號(hào) 與門 已調(diào)信號(hào) 載波 f 第 25 頁(yè)，共 54 頁(yè) 圖 42（ a） 2ASK調(diào)制電路 的 VHDL建模電路 圖 42(b) 2ASK調(diào)制的邏輯電路圖 2. 2ASK 調(diào)制的 VHDL 程序 library ieee。 use 。 use 。 use 。 entity askt is port(clk :in std_logic。系統(tǒng)時(shí)鐘 start :in std_logic。開始調(diào)制信號(hào) x :in std_logic。基帶信號(hào) y :out std_logic)。調(diào)制信號(hào) 數(shù)字頻帶系統(tǒng)的 建模與 設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè)，共 54 頁(yè) end askt。 architecture behav of askt is signal q:integer range 0 to 3。分頻計(jì)數(shù)器 signal f:std_logic。載波信號(hào) begin process(clk) begin if clk39。event and clk=’1’ then if start=39。039。 then q=0。 elsif q=1 then f=39。139。q=q+1。改變 q 后面數(shù)字的大小就可以改變 elsif q=3 then f=39。039。q=0。 else f=39。039。q=q+1。 end if。 end if。 end process。 y=x and f。 end behav。 2ASK 解調(diào)的實(shí)現(xiàn) 1. 2ASK 解調(diào)建模的思想 （ 1） 首先考慮輸入信號(hào) 根據(jù) 2ASK 信號(hào)相干解調(diào)原理，解調(diào)器的輸入應(yīng)該包括收端的本地載波、 2ASK 信號(hào)，但考慮到本 書采用的目標(biāo)器件為 CPLD/FPGA 器件，因而解調(diào)器也應(yīng)采用數(shù)字載波。得到數(shù)字載波的一種方法是：從 2ASK 信號(hào)中應(yīng)用模擬濾波或者模擬鎖相環(huán)提取模擬載波。 （ 2） 解調(diào)器的建模設(shè)計(jì) 解調(diào)器包括分頻器、計(jì)數(shù)器、寄存器和判決器等。分頻器的功能是對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻得到與發(fā)端數(shù)字載波相同的數(shù)字載波信號(hào)；寄存器的功能是在時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)把數(shù)字 2ASK 信號(hào)存入寄存器 XX 中；計(jì)數(shù)器的功能是利用分頻器輸出的載波信號(hào)作為 第 27 頁(yè)，共 54 頁(yè) 計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，在上升沿到來(lái)時(shí)，對(duì)寄存器中的 2ASK 信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值m3 時(shí)，輸出為“ 1”，否者輸出 為“ 0”；判決器的功能是：以數(shù)字載波為判決時(shí)鐘，對(duì)計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)進(jìn)行抽樣判決，并輸出解調(diào)后的基帶信號(hào)。 2ASK 解調(diào)的框圖如圖 43 所示，采用外部時(shí)鐘輸入，控制分頻器，得到數(shù)字載波，并假設(shè)時(shí)鐘信號(hào)與發(fā)端時(shí)鐘同步且 2ASK 為數(shù)字信號(hào)。 FPGA 圖 43 2ASK解調(diào)方框圖 注：① 當(dāng) q=11 時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)器 m清零； ② 當(dāng) q=10 時(shí)，根據(jù)計(jì)數(shù)器 m 的數(shù)值，進(jìn)行判決。 2ASK 解調(diào)電路如圖 44 所示 圖 44(a) 2ASK解調(diào)電路 的 VHDL建模電路 寄存器 XX clk 分頻器 q start ASK 信號(hào) 判決 基帶信號(hào) 計(jì)數(shù)器 m 數(shù)字頻帶系統(tǒng)的 建模與 設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè)，共 54 頁(yè) 圖 44（ b） 2ASK解調(diào)邏輯電路圖 2. 2ASK 解調(diào)的程序 library ieee。 use 。 use 。 use 。 entity askj is port(clk :in std_logic。系統(tǒng)時(shí)鐘 start :in std_logic。同步信號(hào) x :in std_logic。調(diào)制信號(hào) y :out std_logic)?；鶐盘?hào) end askj。 architecture behav of askj is 第 29 頁(yè)，共 54 頁(yè) signal q:integer range 0 to 11。分頻計(jì)數(shù)器 signal xx:std_logic。寄存 x信號(hào) signal m:integer range 0 to 5。 begin process(clk) begin if clk39。event and clk=39。139。 then xx=xclk 上升沿把 x 信號(hào)賦給中間信號(hào) xx if start=39。039。 then q=0。if語(yǔ)句完成 q 的循環(huán)計(jì)數(shù) elsif q=11 then q=0。 else q=q+1。 end if。 end if。 end process。 process(xx,q) begin if q=11 then m=0。m 計(jì)數(shù)器清零 elsif q=10 then if m=3 then y=39。039。if 語(yǔ)句通過(guò)對(duì) m 大小來(lái)判決 y else y=39。139。 end if。 elsif xx39。event and xx39。139。then m=m+1；計(jì) xx 信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù) end if。 end process。 end behav。 2ASK 調(diào)制與解調(diào)的波形 仿真與 分析 1. 2ASK 信號(hào)調(diào)制的波形 仿真與分析 2ASK 信號(hào)調(diào)制的波形圖 如圖 45 所示 數(shù)字頻帶系統(tǒng)的 建模與 設(shè)計(jì) 第 30 頁(yè)，共 54 頁(yè) 圖 45（ a） ASK調(diào)制 VHDL程序仿真圖 2ASK調(diào)制仿真局部放大圖如圖 45（ b） 所示 分析： 由圖可知，輸入時(shí)鐘 CLK 信號(hào)就作為載波輸入， START 信號(hào)為開關(guān)信號(hào)，當(dāng) START為低電平時(shí)即使有時(shí)鐘信號(hào)和基帶信號(hào)也不會(huì)發(fā)生調(diào) 制，只有當(dāng) START 信號(hào)為高電平電路才可以實(shí)現(xiàn) 2ASK 的調(diào)制， X為輸入的基帶信號(hào)，屬于低頻信號(hào)， Y為輸出的頻帶信號(hào)，是基帶信號(hào)搬移到高頻載波上的信號(hào)，屬于高頻信號(hào)。由圖還可以看出，當(dāng)輸入 X 為 1101時(shí)，并且基帶碼長(zhǎng)等于載波的 6個(gè)周期， Y 輸出的頻帶信號(hào)在輸入 1時(shí)為高電平，其頻率與 CLK 時(shí)鐘一樣，包含了 6 個(gè)周期，并且調(diào)制信號(hào) Y滯后于輸入基帶信號(hào) X的一個(gè) CLK時(shí)間，在 X輸入為 0時(shí)，輸出 Y也為 0，這驗(yàn)證了 2ASK 調(diào)制的原理。 2. 2ASK 解調(diào)的波形 仿真與分析 2ASK 解調(diào)的波形仿真圖 如圖 46 所示 第 31 頁(yè)，共 54 頁(yè) 圖 46（ a） 2ASK解調(diào)仿真圖 圖 46（ b） 2ASK解調(diào)仿真局部放大圖 分析： 由圖 46（ a） 可以看出 CLK 時(shí)鐘信號(hào)仍然是 輸入， START 信號(hào)為開關(guān)信號(hào)，當(dāng)START 為低電平時(shí)即使有時(shí)鐘信號(hào)和基帶信號(hào)也不會(huì)發(fā)生解調(diào)，只有當(dāng) START 信號(hào)為高電平電路才可以實(shí)現(xiàn) 2ASK 的解調(diào)， X 為高頻信號(hào)， Y 輸出為基帶信號(hào)，當(dāng) X 輸入為高電平的時(shí)候， Y的輸出才有信號(hào)，否則為 0可以看出當(dāng) X輸入高電平對(duì)應(yīng)著 Y 輸出基帶信號(hào)的 1011001。由圖 46（ b） 解調(diào)的放大圖可以看出，輸出的基帶信號(hào) Y滯后輸入的調(diào)制信號(hào) 10 個(gè)時(shí)鐘周期， 在 q=11 時(shí)， m 清零，在 q=10 時(shí)，根據(jù) m的大小，進(jìn)行對(duì)輸出基帶信號(hào) Y 的電平的判決。在 q為其他時(shí)， m 計(jì) xx的脈沖數(shù)。 基于 VHDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) 2FSK 調(diào)制與解調(diào) 數(shù)字頻帶系統(tǒng)的 建模與 設(shè)計(jì) 第 32 頁(yè)，共 54 頁(yè) 2FSK 調(diào)制的實(shí)現(xiàn) 1. FSK 的建模思想 FSK 調(diào)制的方框圖如圖 47所示 FPG