基于FPGA的FSK调制解调器的设计.docx

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基于FPGA的FSK调制解调器的设计

大连交通大学信息工程学院

毕业设计（论文）

题目基于FPGA的FSK调制解调器的设计

学生姓名李元开专业班级信工09-2班

指导教师徐佳职称讲师

所在单位电气工程系信息工程教研室

教研室主任石桂名

完成日期2013年6月28日

摘要

传统的模拟无线通信一般采用调频（FM）和调幅（AM）两种方式，它们已不能适应高速数据通信的要求。

进入80年代后，数字无线通信方式以其便于传输和交换，便于存储、处理、抗干扰能力强，差错可控等优点成为主流，其调制方式有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和相移键控（PSK），其中频移键控（FSK）是用不同频率的载波来传送数字信号。

FSK信号具有抗干扰能力强、传输距离远等优点，在日常生活和工业控制中被广泛采用。

本课题主要研究设计基于FPGA使用EDA开发软件QuartusⅡ上实现以正弦信号为载波的FSK调制信号调制和解调。

设计出FSK调制解调器的总体方案，满足外围电路简单，效率高，执行速度高，实用性高等特点，实现简化传统调制解调器设计的目的。

文中介绍了FSK调制解调的基本原理，用VHDL语言实现了2FSK调制解调器的设计，整个系统设计在QuartusⅡ开发平台上进行编译仿真，最后在EPM7032LC44-15目标芯片上实现。

仿真结果表明此设计方案是可行的，系统具有较高的实用性和可靠性。

关键词:

现场可编程门阵列频移键控调制解调器超高速集成电路硬件描述语言

Abstract

Simulationoftraditionalwirelesscommunicationusingfrequencymodulation（FM）andamplitudemodulation（AM）intwoways,theycan'tadapttotherequirementsofhigh-speeddatacommunication.Afterthe1980s,Thedigitalwirelesscommunicationbecomemainstreambecauseofiteasytotransportingandswitching,storing,processing,andstronganti-interferenceability,erroreasytocontrol,etc.Ithasthreekindsofmodulation.Theyareamplitudeshiftkeying（ASK）,frequencyshiftkeying（FSK）andphaseshiftkeying（PSK）.Frequencyshiftkeying（FSK）usedifferentcarrierfrequencytotransmitdigitalsignals.FSKsignalhassomestrongpointssuchasinterferenceability,longtransmissiondistance.Itiswidelyusedinindustrialcontrolandindailylife.ThemainsubjectofstudydesignbasedonFPGAusingQuartusⅡEDAsoftwaredevelopmenttoachieveasinusoidalsignalthatFSKmodulatedcarriersignalmodulationanddemodulation.TheoveralldesignoftheFSKmodemsolutionstomeetexternalcircuitissimple,highefficienceed,andhighavailability,toachievethepurposeofsimplifyingthetraditionalmodemdesign.ThispaperintroducesthebasicprincipleofFSKmodulationandmodulation.BasedonVHDL,thedesignof2FSKmodemisrealized.ThewholesystemdesigniscompiledandsimulatedbasedonthedevelopmentplatformQuartusⅡ.Finallythesystemisimplementedontheobjectchip,EPM7032LC44-l5.Thesimulationresultsindicatethatthisdesignschemeisfeasible.Thissystemhashighpracticabilityandreliability.

Keywords:

FPGAFSKmodemVHDL

1前言

1.1课题来源及意义

随着社会的不断进步，通信的重要性渐渐地凸显出来。

对于通信技术来讲，通信的质量也就显得更为关键。

通信的根本任务是如何保证远距离传输信息的正确性，在这方面数字通信系统有着先天的优势。

这主要是因为数字通信系统中传输的是离散的数字信号，对于此类离散信号，只要是被噪声干扰后仍然没有超过门限，接收端就能够完全正确地判断出传输的信息；而对于模拟传输系统，只要有稍微的干扰都会使传输的信息产生错误。

也正是由于这样的原因，数字通信系统才能在各方面逐渐代替模拟通信系统成为现代通信的最基本方式。

为了便于区别信号与噪声，使通信不失真和不受干扰，往往给测量信号赋以一定特征，这就是调制的主要功能。

调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。

再将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。

为了更好地利用通信信道的带宽并使信号能够传送更大的距离，在数字载波通信中，我们采用了三种解调方式:

幅移键控（ASK）频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

移频键控（FrequencyshiftKeying，FSK）是一种常用的数字调制方式，由于具有抗噪声性能好、传输距离远、误码率低等优点，在中低速数据传输中得到了广泛的应用[1]。

以往的键控移频调制解调器采用“固定功能集成电路+连线”方式设计；集成块多，连线复杂，容易出错，且体积较大，本次设计采用的FPGA芯片型号是EPM7032LC-15，可以有效地缩小线路板面积，增加系统的可靠性，同时也大大的降低了成本；采用VHDL语言进行设计，具有良好的可移植性。

使用EPM7032LC-15芯片，可随时在线更改逻辑设计及有关参数，充分体现现场可编程器件的优越性。

1.2课题的设计要求

本课题主要研究设计基于FPGA使用EDA开发软件QuartusⅡ上实现以正弦信号为载波的FSK调制信号调制和解调。

首先，对FSK调制解调器进行研究；其次，完成FSK调制解调器的总体方案的设计。

使其满足外围电路简单，效率高，执行速度高，实用性高等特点，实现简化传统调制解调器设计的目的。

同时掌握FSK的编、译码的原理，了解EDA技术，加深对通信电子专业知识的理解，运用基于FPGA的可编程芯片开发技术将相关的信号处理电路进行硬件描述，并选用相对应的芯片完成硬件设计。

1.3课题可行性分析

通信在当今社会中非常广泛，无线通信类书籍随处可见，这使得本课题拥有可靠的理论基础。

而且现在的无线产品大多应用射频模块，占用高频信道，具有抗干扰能力强，通信距离远的优点，在处理这些产品使用过程中所产生的信号时都离不开调制解调器。

通过对现在的调制解调器市场调查得知：

在效率，执行速度，实用性三个角度考虑，该课题研究对我国调制解调器发展有着重要的意义，并且发展前景非常广阔。

FSK调制解调器的单片机实现，解决了利用复杂的电路或者昂贵的调制解调模块来实现FSK的调制与解调的问题。

在实现课题作品的过程中，学院能够为我们提供完备的实验设备（数字示波器、万用表、电烙铁等），实验室向我们全天开放，为课题设计提供便利的条件。

对于相关资料，学校图书馆提供大量的信息资源，方便课题研究分析；对于一些的特定的电子元器件，我们可以通过网上购买来得到，这些为课题设计实现提供保障。

另外，学校提供了相应的经费，为课题实现中需要解决的问题提供了经济帮助，有利于进度的正常进行。

最重要的是我们拥有经验丰富的指导老师，在系统实现的过程中遇到难以解决的问题可以向老师请教，及时得到技术指导。

综上，此FSK调制解调器的设计具备完善的软硬件条件。

2EDA技术概述

2.1.1EDA简介

EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（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[2]。

EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。

利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。

20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较为先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。

在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。

这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。

这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。

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VHDL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。

EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。

包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。

目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。

例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。

本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。

EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。

2.1.2EDA的应用

EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。

在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了EDA课程。

主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。

一般学习电路仿真工具（如multiSIM、PSPICE）和PLD开发工具（如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统），为今后工作打下基础[3]。

科研方面主要利用电路仿真工具（multiSIM或PSPICE）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和ASIC设计等。

在产品设计与制造方面，包括计算机仿真，产品开发中的EDA工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的EDA技术应用、产品测试等各个环节。

如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的制作过程等。

从应用领域来看，EDA技术已经渗透到各行各业，如上文所说，包括在机械、电子、通信、航空航航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA应用。

另外，EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。

如AutoCAD软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图、汽车和飞机的模型、电影特技等领域。

2.1.3EDA技术的发展趋势

从目前的EDA技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。

中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PCB制板和小型ASIC领域，仅有小部分（约11%）的设计人员开发复杂的片上系统器件。

为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要引进和学习一些最新的EDA技术。

在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术，积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。

要大力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺（CAPP）、计算机机辅助制造（CAM）、产品数据管理（PDM）、制造资源计划（MRPII）及企业资源管理（ERP）等。

有条件的企业可开展“网络制造”，便于合作设计、合作制造，参与国内和国际竞争。

开展“数控化”工程和“数字化”工程。

自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合，形成测量、控制、通信与计算机（M3C）结构。

在ASIC和PLD设计方面，向超高速、高密度、低功耗、低电压方面发展。

外设技术与EDA工程相结合的市场前景看好，如组合超大屏幕的相关连接，多屏幕技术也有所发展。

中国自1995年以来加速开发半导体产业，先后建立了几所设计中心，推动系列设计活动以应对亚太地区其它EDA市场的竞争。

在EDA软件开发方面，目前主要集中在美国。

但各国也正在努力开发相应的工具。

日本、韩国都有ASIC设计工具，但不对外开放。

中国华大集成电路设计中心，也提供IC设计软件，但性能不是很强。

相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地开花并结果。

据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场，年夏合增长率分别达到了50%和30%。

2.2QuartusII

2.2.1QuartusII简介

AlteraQuartusII作为一种可编程逻辑的设计环境，由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。

该设计软件提供了完整的多平台设计环境，能够直接满足特定设计需要，为可编程芯片系统（SOPC）提供全面的设计环境[11]。

Altera的QuartusII软件含有FPGA和CPLD设计所有阶段的解决方案。

其可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。

该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。

软件为设计流程的每个阶段提供QuartusII图形用户界面、EDA工具界面以及命令行界面。

可以在整个流程中只使用这些界面中的一个，也可以在设计流程的不同阶段使用不同界面[11]。

Quartus平台与Cadence、ExemplarLogic、MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。

改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添了FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。

2.2.2QuartusII设计流程[4]

图2-1QuartusII设计流程图

QuartusII设计流程：

设计输入：

完成期间的硬件描述，包括文本编辑器、块与符号编辑器、MegaWizard插件管理器、约束编辑器和布局编辑器等工具；

综合：

包括分析和综合器以及辅助工具和RTL查看器等工具；

布局连线：

将设计综合后的网表文件映射到实体器件的过程，包括Fitter工具、约束编辑器、布局图编辑器、芯片编辑器和增量布局连线工具；

时序分析：

时序分析器和标准时序分析器可用于分析设计中的所有逻辑，并有助于指导Fitter达到设计中的时序要求；

仿真：

QuartusII提供了功能仿真和时序仿真两种工具；

器件编程与配置：

包括四种编程模式，即被动串行模式、JTAG模式、主动串行模式和插座内编程模式。

使用NewProjectWizard新建一个工程的过程：

1.制定工程的文件存放目录、工程名以及最顶层的设计实体名，在默认情况下，工程名与最顶层的设计实体名是相同的。

2.添加文件，包括最顶层的设计实体文件以及一些额外的电路模块描述文件或定制的功能库。

3.选择目标芯片，具体芯片最好让编译器根据工程设计的实际情况自动选择。

4.第三方EDA工具设定，包括设计输入与综合工具、仿真工具、时序分析工具等，默认为QuartusII自带的仿真器、综合器以及时序分析器。

5.最后一步系统将整体工程的各项参数和设置总结并显示出来，这时即可完成工程的创建。

这是一个完整的设计流程，在实际的设计过程中，其中的一些步骤可以进行简化。

简化的QuartusII设计流程如图2-2所示。

图2-2简化后的QuartusII设计流程图

2.3VHDL

2.3.1VHDL简介

VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。

它在80年代的后期出现。

最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。

VHDL翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言，主要是应用在数字电路的设计中。

目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。

当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。

VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。

除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。

VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。

在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。

这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本特点。

2.3.2VHDL特点

与其他硬件描述语言相比，VHDL具有以下特点：

1．功能强大、设计灵活

VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。

它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。

VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。

VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。

2．支持广泛、易于修改

由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，目前大多数EDA工具几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用奠定了基础。

在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构化，所以易于修改设计。

3．强大的系统硬件描述能力

VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。

而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。

另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。

VHDL支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。

4．独立于器件的设计、与工艺无关

设计人员用VHDL进行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。

当设计描述完成后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。

5．很强的移植能力

VHDL是一种标准化的硬件描述语言，同一个设计描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能。

6．易于共享和复用

VHDL采用基于库（Library）的设计方法，可以建立各种可再次利用的模块。

这些模块可以预先设计或使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中进行复用，可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。

2.3.3VHDL语言优势

1.与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。

强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。

2.VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。

3.VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。

符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。

4.对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。

5.VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。

其设计方法如图2-3所示:

图2-3VHDL语言设计方案

3FPGA概述

3.1FPGA技术及特点

FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

FPGA的基本特点主要有：

1.采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2.FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3.FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

4.FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之

一。

5.FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一[5]。

3.2FPGA的结构组成

FPGA的结构主要由三个基本块构成:

1.可编程逻辑块。

基本的可编程逻辑块有两种，一种是基于多路选择器的可编程逻辑模块，另外一种是基于查找表的可编程逻辑块。

2.可配置输入/输出模块。

可配置的输入/输出模块IOB为芯片外部封装管脚和内部逻辑提供连接接口。

每个IOB控制一个封装管脚，可配置成输入、输出或双向口。

3.可编程的互连资源。

通过可编程资源可以将CLB和CLB，CLB和I/O相互连接起来。

在FPGA中，一般有三类连线资源。

第一类为直线或短线，通过直线每个CLB可连接到与它相邻的CLB上。

另外一类连线资