【正文】 elsim 軟件簡介 ................................. 5 論文安排 ......................................... 5 第二章 增量調(diào)制原理 .............................. 7 增量調(diào)制簡介 ...................................... 7 增量調(diào)制編碼介紹 .................................. 7 增量調(diào)制的基本框圖 ................................ 8 第三章 增量解調(diào)原理 ............................. 10 增量解調(diào)簡介 ..................................... 10 增量解調(diào)基本框圖與原理 ........................... 10 增量調(diào)制的抗噪聲性能 ............................. 10 量化噪聲 ........................................ 12 過載噪聲 ........................................ 12 第四章 增量調(diào)制與解調(diào)的設(shè)計實現(xiàn) ................. 14 積分器 .......................................... 14 比較電路 ........................................ 14 雙穩(wěn)判決器 ....................................... 14 脈沖發(fā)生器 ....................................... 14 第五章 仿真實現(xiàn) ................................. 15 Verilog 語言簡介 ................................. 15 Quartus II 軟件簡介 .............................. 17 Modelsim 軟件簡介 ................................ 18 增量調(diào)制在 Quartus Ⅱ上實現(xiàn)的電路圖 ............... 19 2 測試程序 ........................................ 21 運行結(jié)果 ........................................ 24 結(jié)果分析 ........................................ 26 第六章 總結(jié) ..................................... 27 參考文獻(xiàn) .......................................... 28 附錄 .............................................. 29 外文資料 中文譯文 致謝 天津大學(xué)仁愛學(xué) 院 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第一章 緒論 課題背景 人類通信的歷史悠久而漫長，最遠(yuǎn)的通信可追溯到幾千年前的古代。人類通信歷史雖然久遠(yuǎn)，但是人類真正進(jìn)入現(xiàn)代通信信息社會不過一百多年的歷史。 現(xiàn)代通信技術(shù)融入了計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號處理以及 EDA 技術(shù)等多方面成果，使通信這個領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。最早是由法國工程師 De Loraine 于 1946 年提出來的，其目的在于簡化模擬信號的數(shù)字化方法。 隨著微電子設(shè)計技術(shù)與工藝的發(fā)展，數(shù)字集成電路從電子管、集體管、中小規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路逐步發(fā)展到今天的專門集成電路 （ ASIC）。但 ASIC 因設(shè)計周期長、改版投資大、靈活性差等缺陷制約著它的應(yīng)用范圍。 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array） ，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(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。 通信系統(tǒng)簡介 通信系統(tǒng)用以完成信息傳輸過程的技術(shù)系統(tǒng)的總稱。當(dāng)電磁 波的波長達(dá)到光波范圍時，這樣的電信系統(tǒng)特稱為光通信系統(tǒng)，其他電磁波范圍的通信系統(tǒng)則稱為電磁通信系統(tǒng)，簡稱為電信系統(tǒng)。一般電磁波的導(dǎo)引媒體是導(dǎo)線，按其具體結(jié)構(gòu)可分為電纜通信系統(tǒng)天津大學(xué)仁愛學(xué) 院 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 和明線通信系統(tǒng)；無線電信系統(tǒng)按其電磁波的波長則有微波通信系統(tǒng)與短波通信系統(tǒng)之分。由于人們對通信的容量要求越來越高，對通信的業(yè)務(wù)要求越來越多樣化，所以通信系統(tǒng)正迅速 向著寬帶化方向發(fā)展，而光纖通信系統(tǒng)將在通信網(wǎng)中發(fā)揮越來越重要的作用。到 70 年代中、末期，各國相繼把脈碼調(diào)制成功地應(yīng)用于同軸電纜通信、微波接力通信、衛(wèi)星通信和光纖通信等中、大容量傳輸系統(tǒng)。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)?是二進(jìn)制光脈沖 “0”碼和 “1”碼，它由二進(jìn)制數(shù)字信號對光源進(jìn)行編碼調(diào)制而產(chǎn)生。這種電的數(shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號，由 PCM 電端機(jī)產(chǎn)生。 PCM 最初并非傳輸計算機(jī)數(shù)據(jù)用的，而是使交換機(jī)之間有一條中繼線不是只傳送一條電話信號。 中國采用的是歐洲的 E1 標(biāo)準(zhǔn)。 脈沖編碼調(diào)制可以向用戶提供多種業(yè)務(wù)，既可以提供從 2M 到 155M 速率的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)專線業(yè)務(wù)，也可以提供話音、圖象傳送、遠(yuǎn)程教學(xué)等其他業(yè)務(wù)。 脈沖編碼調(diào)制就是把一個時間連續(xù)，取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數(shù)字信號后在信道中傳輸。抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號，抽樣必須 遵循奈奎斯特抽樣定理。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。 量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示 ,通常是用二進(jìn)制表示。量化誤差在接收端表現(xiàn)為噪聲，稱為量化噪聲。 為使量化噪聲盡可能小而所需碼位數(shù)又不太多，通常采天津大學(xué)仁愛學(xué) 院 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 用非 均勻量化的方法進(jìn)行量化。 一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。然而，實際上量化是在編碼過程中同時完成的，故編碼過程也稱為模 /數(shù)變換，可記作A/D。對于電話， CCITT 規(guī)定抽樣率為 8KHz，每抽樣值編 8 位碼，即共有 2∧ 8=256 個量化值，因而每話路 PCM 編碼后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)碼率是 64kb/s。 在實際中使用的是兩種對數(shù)形式的壓縮特性： A 律和 U 律 ， A 律編碼主要用于 30/32 路一次群系統(tǒng)， U 律編碼主要用于 24 路一次群系統(tǒng)。 增量調(diào)制應(yīng)用發(fā)展與技術(shù)介紹 增量調(diào)制簡稱 ΔM或增量脈碼調(diào)制方式（ DM） ，它是繼 PCM 后 出現(xiàn)的又一種模擬信號數(shù)字化的方法。主要在軍事通信和衛(wèi)星通信中廣泛使用，有時也作為高速大規(guī)模集成電路中的 A/D 轉(zhuǎn) 換器使用。已調(diào)脈沖序列以脈沖的有、無來表征差值的正負(fù)號，也就是差值只編成一位二進(jìn)制碼。早期的語言增量調(diào)制編碼器是由分立元件組成的。 增量調(diào)制獲得廣泛應(yīng)用的原因主要有以下幾點： ? 在比特率較低時，增量調(diào)制的量化信噪比高于 PCM 的量化信噪比； 天津大學(xué)仁愛學(xué) 院 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 ? 增量調(diào)制的抗誤碼性能好。 增量調(diào)制最主要的特點就是它所產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼表示模擬信號前后兩個抽樣值的差別 (增加、還是減少 )而不是代表抽樣值本身的大小，因此把它稱為增量調(diào)制。收端譯碼器每收到 一個 1 碼 ，譯碼器的輸出相對于前一個時刻的值上升一個量化階，而收到一個 0 碼 ，譯碼器的輸出相對于前一個時刻的值下降一個量化階。如果在設(shè)計中間階段需要一些額外的性能，則可以利用FPGA 中現(xiàn) 有的硬件資源來加速軟件代碼中的瓶頸部分。因此， 僅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板級變動 (前提是 FPGA 中 的邏輯單元足夠用 )。 使用帶可配置處理器的 FPGA 可獲得設(shè)計靈活性。此外，還可以通過添加定制的硬件而獲取比現(xiàn)成微處理器更好的性能。算法可以用軟件，也可用硬件實現(xiàn)。軟件可以優(yōu)化，但有時是不夠的。 FPGA 使 軟件模塊和硬件模塊的相互交換更加簡便，不必改變處理器或進(jìn)行板級變動。利用 FPGA 可以 設(shè)計定制的嵌入式系統(tǒng)，以增加新的功能特性及優(yōu)化性能。 Verilog HDL和 VHDL 是目前世界上最流行的兩種硬件描述語 言，都是在 20 世紀(jì) 80 年 代中期開發(fā)出來的。兩種 HDL 均為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。所以，我們在這 用 Verilog 語言 對其進(jìn)行編程。 Quartus II 軟 件簡介 Quartus II 是 Altera公司的綜合性 PLD/FPGA開發(fā)軟 件，支持原理圖、 VHDL、VerilogHDL 以及 AHDL（ Altera Hardware Description Language） 等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD 設(shè)計流程。具有運行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點。它采用直接優(yōu)化的編譯技術(shù)、 Tcl/Tk 技術(shù)、和單一內(nèi)核仿真技術(shù)，編譯仿真速度快，編譯的代碼與平臺無關(guān)，便于保護(hù) IP 核 ，個性化的圖形界面和用戶接口，為用戶加快調(diào)錯提供強(qiáng)有力的手段，是 FPGA/ASIC 設(shè)計的首選仿真軟件。 本文的內(nèi)容安排如下： 第一章：緒論。 第二章：增量調(diào)制的調(diào)制原理。 第三章：增量解調(diào)原 理。 第四章：增量調(diào)制與解調(diào)的設(shè)計實現(xiàn)。 第六章：總結(jié)。 天津大學(xué)仁愛學(xué) 院 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第二章 增量調(diào)制原理 增量調(diào)制簡介 增量調(diào)制簡稱 ΔM，它是繼 PCM 之后出現(xiàn)的又一 種模擬信號數(shù)字化方法。在以后的三十多年間有了很大發(fā)展，特別是在軍事和工業(yè)部門的專用通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信中得到廣泛應(yīng)用，不僅如此，近年來在高速超大規(guī)模集成電路中已被用作 A/D 轉(zhuǎn) 換器。能工作于誤碼率為 ～ 的信道中，而PCM 要求誤比特率通常為 ～ ； ? 增量調(diào)制的編譯碼器比 PCM 簡單。在增量調(diào)制系統(tǒng)的發(fā)端調(diào)制后的二進(jìn)制代 碼 1 和 0 只 表示信號這一個抽樣時刻相對于前一個抽樣時 刻是增加 (用 1 碼 )還是減少 (用 0 碼 )。 增量調(diào)制編碼介紹 我們知道，一位二進(jìn)制碼只能代表兩種狀態(tài)，當(dāng)然就不可能表示模擬信號的抽樣值。因此，采用一位二進(jìn)制碼去描述模擬信號是完全可能的。σ 的階梯波 形 x180。只要 Δt足 夠小，即抽樣頻率 fs = 1/Δt 足夠高，且 σ 足 夠小，則 x180。在這里把σ 稱 作量化階， Δt=Ts 稱 為抽樣間隔。(t)逼近 x(t)的物理過程是這樣的：在 時刻用 x(t)與 x180。(t)，就讓 x180。(t)下降一個量階段，同時 ΔM 調(diào)制器輸出二進(jìn)制 “ 0” 。除了用階梯波 x180。而鋸齒波 xo(t)也只有斜率為正 (σ/Δt)和斜率為負(fù) （ σ/Δt)兩種情況，因此也可以用 “ 1” 碼表示正斜率和 “ 0” 碼表示負(fù)斜率，以獲得一個二進(jìn)制代碼序列。 f′(iΔt_)是第 i 個抽樣時刻前一瞬間的量化值。 f′(iΔt_)可以由編碼輸出的二進(jìn)制序列反饋到一個理想的積分器以后得到。 f(iΔt)和 f′(iΔt_)的差值，可以用一個比較電路（減法器）來完成。具體調(diào)制過程描述如下： 設(shè) f′(0)=0（即 t=0 時 刻前一瞬間的量化值為零），因此有 t=0 時 ， e(0)=f(0)f′(0)0，則 Po(0)=1； t=Δt 時 ， e(Δt)=f(Δt)f′(Δt_)0，則 Po(Δt)=1； t=2Δt 時， e(2Δt)=f(2Δt)f′(2Δt_)0，則 Po(2Δt)=0； t=3Δt 時， e(3Δt)=f(3Δt)f′(3Δt_)0，則 Po(3Δt)=1； t=4Δt 時， e(4Δt)=f(4Δt)f′(4Δt_)0，則 Po(4Δt)=0； t=5Δt 時， e(5Δt)=f(5Δt)f′(5Δt_)0，則 Po(5Δt)=1； t=6Δt 時， e(6Δt)=f(6Δt)f′(6Δt_)0，則 Po(6Δt)=1； 以此類推，即可得到如圖 23 所示的波形。其實，圖 21 的階梯波只是為了形象地說明增量調(diào)制原理，而實際積分器的輸出波形如圖 23（ d）所示 圖 23 增量調(diào)制過程示意圖 t? t0 2 ? t 3 ? t 4 ? t 5 ? t 6 ? t 7 ? t 8 ? t 9 ? t 10 ? t 11 ? t12 ? t13 ?