基于FPGA的FSK调制与解调有详细代码和注释毕业论文.docx
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基于FPGA的FSK调制与解调有详细代码和注释毕业论文
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目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
第二章EDA技术简介3
2.1、QuartusII简介3
2.1.1、QuartusII开发系统的特点3
2.2、VHDL语言简介4
2.2.1、VHDL语言的特点4
2.2.2、VHDL语言的基本结构5
2.3、本章小结6
第三章2FSK调制解调基本原理7
3.1、2FSK的调制原理7
3.2、2FSK的解调原理8
3.3、本章小结9
第四章基于VHDL语言的2FSK调制解调设计10
4.1、2FSK调制器设计10
4.1.1、基于VHDL语言的调制程序10
4.2、2FSK解调器设计12
4.2.1、基于VHDL语言的解调程序12
4.3、分频器与信号发生器设计17
4.3.1、基于VHDL语言的分频程序17
4.3.2基于VHDL语言的信号发生器程序18
4.4、本章小结20
第五章基于VHDL语言的2FSK调制解调的仿真21
5.1、2FSK调制器波形仿真21
5.2、2FSK解调器波形仿真22
5.3、分频器与信号发生器波形仿真23
5.3.1、分频器波形仿真23
5.3.2、信号发生器波形仿真23
5.4、本章小结23
第六章上机测试25
6.1、程序下载25
6.2、波形测试25
6.3、本章小结27
总结28
参考文献29
致谢30
第一章绪论
在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。
信息作为一种资源，只有通过广泛地传播与交流，才能产生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出巨大的经济效益。
而通信作为传输信息的手段或方式，与计算机技术相互融合，已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。
通信的目的就是从一方向另一方传送信息，给对方以信息，但是消息的传送一般都不是直接的，它必须借助于一定形式的信号才能便于远距离快速传输和进行各种处理。
虽然基带信号可以直接传输，但是目前大多数信道不适合传输基带信号。
现有通信网的主体为传输模拟信号而设计的，基带数字信号不能直接进入这样的通信网。
基带信号一般都包含有频率较低，甚至是直流的分量，很难通过有限尺寸的天线得到有效辐射，因而无法利用无线信道来直接传播。
对于大量有线信道，由于线路中多半串接有电容器或并接有变压器等隔直流元件，低频或直流分量就会受到很大限制。
因此，为了使基带信号能利用这些信道进行传输，必须使代表信息的原始信号经过一种变换得到另一种新信号，这种变换就是调制。
在无线通信中和其他大多数场合，调制一词均指载波调制。
载波调制，就是用调制信号去控制载波参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。
调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。
未受调制的周期性振荡信号称为已调信号，它可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。
载波调制后称为已调信号，它包含有调制信号的全部特征。
而解调（也称检波）则是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。
二进制数字调制所用调制信号由代表“0”“1”的数字信号脉冲序列组成。
因此，数字调制信号也称为键控信号。
二进制振幅调制、频率调制和相位调制分别称为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。
数字调制产生模拟信号，其载波参量的离散状态是与数字数据相对应的，这种信号适宜于在带通型的模拟信道上传输。
频移键控是利用载波的频率变化来传输信息的，其中最简单的一种方式是二进制频移键控（2FSK）调制，它是继振幅键控信号之后出现比较早的一种调制方式。
由于它的抗衰减性能优于ASK，设备又不算复杂，实现也比较容易，所以一直在很多场合，例如在中低速数据传输，尤其在有衰减的无线信道中广泛应用。
二进制频移键控（2FSK）用靠近在载波的两个不同频率表示两个二进制数。
FSK信号有两种产生方法：
载波调频法和频率选择法。
载波调频法产生的是相位连续的FSK信号，相位连续FSK信号一般由一个振荡器产生，用基带信号改变振荡器的参数，使震荡频率发生变化，这时相位是连续的。
频率选择法一般是相位不连续的FSK信号，相位不连续的FSK信号一般由两个不同频率的振荡器长生，由基带信号控制着两个频率信号的输出。
由于这两个振荡器是相互独立的因此在转换或相反的过程中，不能保证相位的连续。
传统的FSK调制解调器采用“集成电路+连线”的硬件实现方式进行设计，集成块多、连线复杂且体积较大，特别是相干解调需要提取载波，设备相对比较复杂，成本高。
本文基于FPGA芯片，采用VHDL语言，利用层次化、模块化设计方法，提出了一种2FSK调制解调器的实现方法。
VHDL语言作为一种标准的硬件描述语言，具有结构严谨、描述能力强的特点，支持从系统级到门级所有层的设计。
进行逻辑电路设计时，不需考虑特定电路制造工艺的影响，其设计覆盖所有的逻辑电路形式。
从而有效的缩小了系统体积，提高了可靠性，并具有良好的可移植性。
第二章EDA技术简介
EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。
EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
应用可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice,PLD）实现数字系统设计和单片系统的设计[2]，是目前利用EDA技术设计数字系统的潮流。
这种设计方法以数字系统设计软件为工具，将传统数字系统设计中的搭建调试用软件仿真取代，对计算机上建立的系统模型，用测试码或测试序列测试验证后，将系统实现在PLD芯片或专用集成电路上，这样最大程度地缩短了设计和开发时间，降低了成本，提高了系统的可靠性。
利用EDA技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点：
（1）用软件的方式设计硬件；
（2）用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；（3）设计过程中可用有关软件进行各种仿真；（4）系统可现场编程，在线升级；（5）整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。
因此，EDA技术是现代电子设计的发展趋势。
2.1、QuartusII简介
QuartusII是Altera公司自行设计的CAE软件平台，提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的要求，是单片可编程系统（SOPC）设计的综合环境性环境和SOPC开发的基本设计工具，并为AlteraDSP开发包进行系统模块设计提供了集成综合环境。
QuartusII可以在多钟平台上运行，其图形界面丰富，加上完整的、可即时访问的在线文档，使设计人员可以轻松地掌握软件的使用。
2.1.1、QuartusII开发系统的特点
（1）、界面开放
QuartusII虽然是Altera公司设计的EDA软件，但它可以与其他工业便准的设计输入、综合与校验工具想连接，设计人员可以使用Altera或标准EDA工具设计输入工具来建立逻辑设计，用QuartusII编译器（Compiler）对Altera器件设计进行编译，并使用Altera或其他EDA校验工具进行器件或扳级仿真。
目前，QuartusII支持与Candence、Exemplarlogic、MetroGraphics、Synopsys等公司所提供的EDA工具接口。
（2）、与结构无关
QuartusII系统的核心编译器支持Altera公司的FLEX10K、FLEX8000、FLEX6000、MAX9000、MAX7000、Classic、StratixII等可编程逻辑器件系列，提供了与结构无关的可编程逻辑环境。
QuartusII的编译器还提供了强大的逻辑综合与优化功能，使用户可以容易地把设计集成到器件中。
（3）、丰富的设计库
QuartusII提供丰富的库单元供设计者调用，其中包括74系列的全部器件和其他多种逻辑功能部件，调用库元件进行设计，可以大大减轻设计人员的工作量，缩短设计周期。
此外，QuartusII含有许多用来构建复杂系统的参数化宏功能模块和LPM模块，它们可以与QuartusII普通设计文件一起使用，使非专业设计人员完成SOPC设计成为可能。
（4）、模块化工具
设计人员可以从各种设计输入、处理和校验选项中进行选择，从而使QuartusII可以满足不同用户的需要，根据需要，还可以添加新功能。
2.2、VHDL语言简介
数字系统的设计输入方式有多种，通常是由线信号和表示基本设计单元的符号连在一起组成线路图，符号取自器件库，通过信号（或线条）连接在一起，信号使符号互连，这样设计的系统形成的设计文件是若干张电路元结构图，在图中详细标注了各逻辑单元、器件的名称和相互间的信号连接关系。
对于小系统，这种原理电路图只要几十至几百张。
但如果系统比较大，这样的原理电路图可能要几千张、几万张甚至更多。
因此，人们考虑使用硬件描述语言进行硬件电路设计。
VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,诞生于1982年。
1987年底，VHDL被IEEE代了原有的非标准的硬件描述语言和美国国防部确认为标准硬件描述语言。
其语句结构上吸取了Fortran和C等计算机高级语言的语句，只要具备高级语言编程技能和数字逻辑电路的设计基础，就可以在较短时间内学会VHDL语言。
2.2.1、VHDL语言的特点
（1）VHDL语言功能强大，设计方式多样
VHDL语言具有强大的语言结构，只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。
同时，它还具有多层次的电路设计描述功能。
此外，VHDL语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。
VHDL语言设计方法灵活多样，既支持自顶向下的设计方式，也支持自底向上的设计方法；既支持模块化设计方法，也支持层次化设计方法。
（2）VHDL语言具有强大的硬件描述能力
VHDL语言具有多层次的电路设计描述功能，既可描述系统级电路，也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。
同时，VHDL语言也支持惯性延迟和传输延迟，这样可以准确地建立硬件电路的模型。
VHDL语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型。
VHDL语言既支持标准定义的数据类型，也支持用户定义的数据类型，这样便会给硬件描述带来较大的自由度。
（3）VHDL语言具有很强的移植能力
VHDL语言很强的移植能力主要体现在：
对于同一个硬件电路的VHDL语言描述，它可以从一个模拟器移植到另一个模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。
（4）VHDL语言的设计描述与器件无关
采用VHDL语言描述硬件电路时，设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。
这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化，而不需要考虑其他的问题。
当硬件电路的设计描述完成以后，VHDL语言允许采用多种不同的器件结构来实现。
（5）VHDL语言程序易于共享和复用
VHDL语言采用基于库（library）的设计方法。
在设计过程中，设计人员可以建立各种可再次利用的模块，一个大规
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