基于FPGA调制解调器的设计.docx

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基于FPGA调制解调器的设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

基于FPGA的数字通信系统调制解调器的设计

摘要：

本设计简单介绍二进制振幅键控（ASK）、二进制频移键控（FSK）、二进制相位键控（PSK）的调制和解调原理。

其中，相位键控分为绝对调相（CPSK）和相对调相（DPSK）两种。

CPSK是利用载波的不同去直接传送数字信息是一种方式；DPSK则是用载波相位的相对变化来传送数字信号，即利用前后码之间的载波相位的变化表示数字基带信号。

使用FPGA在EDA技术开发软件QuartusⅡ上实现三种调制信号的调制与解调，系统采用ALTERA公司生产的CycloneIIEP2C35F672C6型号的FPGA和EPCS16系列的配置驱动，使用VHDL硬件描述语言实现。

根据系统的总体功能与硬件特点，设计总体框图，VHDL语言的特点，对VHDL建模并进行具体语言设计，让系统的解调结果准确，进行波形仿真与调试完成调制解调任务。

关键词：

FPGA；ASK；PSK；CPSK；DPSK

DesignofmodedigitalcommunicationsystembasedonFPGA

Abstract:

Thisdesignintroducesthebinaryamplitudeshiftkeying（ASK）,binaryfrequencyshiftkeying（FSK）,binaryphaseshiftkeying（PSK）modulationanddemodulationprinciple.Amongthem,thephaseshiftkeyingisdividedintoabsolutephasemodulation（CPSK）andrelativephasemodulation（DPSK）twokinds.CPSKistousedifferentcarriertotransmitdigitalinformationdirectlyisakindofway;DPSKisusingcarrierphaserelativechangestotransmitdigitalsignals,itisusingcodecarrierphasechangebetweenbeforeandafterthedigitalbasebandsignal.UsingFPGAintheEDAtechnologytodevelopsoftwareQuartusⅡimplementedonthreekindsofmodulationsignalmodulationanddemodulation,thesystemUSESALTERAcompanyproducestheCycloneIIEP2C35F672C6FPGAandEPCS16seriesmodelswiththeconfigurationofthedrive,usingVHDLhardwaredescriptionlanguagetorealize.Basedonthesystem'soverallfunctionandhardwarecharacteristic,thedesignoftheoverallblockdiagram,VHDLlanguage,thecharacteristicsofthespecificlanguagedesignandVHDLmodeling,thesystemofthedemodulationresultsareaccurate,waveformsimulationanddebuggingformodemtasks.

Keywords:

FPGA;ASK;PSK;CPSK;DPSK

引言

如今社会通信技术的发展速度可谓日新月异，计算机的出现在现代通信技术的各种媒体中占有独特的地位，计算机在当今社会的众多领域里不仅为各种信息处理设备所使用，而且它与通信向结合，使电信业务更加丰富。

随着人类经济和文化的发展，人们对通信技术性能的需求也越来越迫切，从而又推动了通信科学的发展。

在通信理论上，先后形成了“过滤和预测理论”、“香浓信息论”，“纠错编码理论”，“信源统计特性理论”，“调制理论”等。

通信作为社会的基本设施和必要条件，引起的世界各国的广泛关注，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[6]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较低的频率，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。

实际中一般选正弦信号为载波信号。

代表所传信息的原始信号，是调制载波的信号。

数字调制传输在现代通信中发挥着越来越重要的作用，主要是因为数字通信有以下优点:

（1）数字信号便于存储、处理、抗干扰能力强；

（2）数字信号便于交换和传输；

（3）可靠性高，传输过程中的差错可以设法控制；

（4）数字信号易于加密且保密性强；

（5）通用性和灵活性好

经过调制后，各路信号可已搬移到更高不重叠的频段去传输，从而避免多路传输中的相互干扰。

基于这种目的，信号经调制后再传输的方式又称为频带传输。

现场可编程门阵列（FPGA）[1]是在专用ASIC的基础上发展出来的，它克服了专用ASIC不够灵活的缺点。

与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。

随着VLSI（VeryLargeScaleIC，超大规模集成电路）工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA/CPLD芯片的规模也越来越大，目前，FPGA的容量已经跨过了百万门级，使得FPGA成为解决系统级设计的重要选择方案之一。

和其他通用DSP相比，FPGA在处理方式上和设计编程上有很大的区别，它更强调数据的平行处理和流水线处理并且有更强的灵活性和可编程型，所以FPGA在定点数据处理方面有很大的优势。

FPGA/CPLD可容纳上百万个晶体管，芯片的规模也越来越大。

为了满足设计需求，以可编程门阵列FPGA为代表的器件得到了广泛的应用，器件的集成度和运行速度都在高速增长。

基于FPGA的数字调制解调器与模拟电路调制解调器相比，具有功耗低、结构简单、性能优越等特点，故在实际工程中得到了广泛的应用。

针对传统用硬件实现数字调制解调的方法,特别是相干解调需要提取载波，设备相对复杂、成本较高的特点,研究了基于FPGA芯片的调制解调系统，即通过QuartusII软件，采用VHDL硬件描述语言，利用DE2开发板设计并实现ASK，FSK，PSK的调制解调器。

由于FPGA的调制解调技术在通信系统中占据非常重要的地位，它的优劣决定了通信系统的性能。

第一章绪论

1.1EDA技术简介

EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）[6]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技术就是依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA或专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）芯片中，实现既定的电子电路设计功能。

EDA技术可把数字通信技术，微电子技术和现代电子设计自动技术结合起来，实现硬件设计软件化，加速了数字通信系统设计的效率，降低了设计成本。

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。

1.2QuartusII简介

QuartusII[6]是Altera公司继MAX＋PLUSII后，所提供的FPGA/CPLD开发集成环境，主要针对本公司新器件和大规模FPGA的开发。

QuartusII提供一个容易适应特定设计所需要的完整的多平台设计环境。

它不仅包括FPGA/CPLD设计所有阶段的解决方案，而且也提供可编程片上系统（SOPC）设计的综合性环境。

QuartusII除了保留有MAX＋PLUSII[11]的特色外，也可以利用第三方的综合工具，如Synopsys、NativeLink仿真工具ModelSim等。

设计者可以通过传统原理图输入法[9]（GDF）或硬件描述语言[13]（VHDL）设计一个数字系统，通过软件仿真我们可以事先验证设计正确性，在PCB完成后还可以利用CPLD的在线修改能力随时修改设计而不必改动硬件电路。

电路设计与输入是指通过某些规范的描述方式，将工程师电路构思输入给EDA工具。

常用的设计方法有硬件描述语言（HDL）和原理图设计输入方法等。

原理图设计输入法在早期应用的比较广泛，它根据设计要求，选用器件、绘制原理图、完成输入过程。

这种方法的优点是直观、便于理解、元器件库资源丰富。

但是在大型设计中，这种方法的可维护性较差，不利于模块构造与重用。

更主要的缺点就是当所选用芯片升级换代后，所有的原理图都要做相应的改动。

目前进行大型工程设计时，最常用的设计方法是HDL设计输入法，其中影响最为广泛的HDL语言是VHDL和Verilog。

他们的共同特点是利用由顶向下设计，利于模块的划分与复用，可移植性好，通用性好，设计不因芯片的工艺与结构不同而变化，更利于向ASIC的移植。

波形输入和状态机输入方法是两种常用的辅助设计输入方法：

使用波形输入时，绘制出激励波形与输出波形，EDA软件就能自动地