聂媛媛论文可打印.docx

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聂媛媛论文可打印

2011年度本科生毕业论文（设计）

基于VHDL的FSK调制电路设计

学院：

电子信息工程学院

专业：

电子信息科学与技术

年级：

2007级

学生姓名：

聂媛媛

学号：

07406051018

导师及职称：

孙志雄（副教授）

2011年1月

2011AnnualGraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate

DesignofFSKModulation

CircuitBasedonVHDL

Department:

CollegeofElectronicsandInformationEngineering

Major:

Electronicinformationscienceandtechnology

Grade:

2007

Student’sName:

NieYuanyuan

StudentNo.:

07406051018

Tutor:

AssociateProfessorSunZhixiong

January,2011

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名：

日期：

毕业论文（设计）授权使用说明

本论文（设计）作者完全了解琼州学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。

有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。

学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。

保密的论文（设计）在解密后适用本规定。

作者签名：

指导教师签名：

日期：

日期：

聂媛媛毕业论文（设计）答辩委员会（答辩小组）成员名单

姓名

职称

单位

备注

张福金

教授

电子信息工程学院

组长

石焕玉

教授

电子信息工程学院

主席

林雄

教授

电子信息工程学院

组员

雷红

讲师

电子信息工程学院

组员（兼秘书）

杨伟

实验师

电子信息工程学院

组员

摘要

在通信传输中,数字通信以其独特的优势尽显无疑。

FSK是数字通信中用得较广的一种方式，在话带内进行数据传输。

FSK调制器的使用范围非常广泛，不仅局限在有线网络通信，它已经延伸到生物医学，无线电通信等领域。

FSK调制解调器的设计的模型简单，设计方式不仅建立在电器元件上，利用软件搭建模型也成为当前常用的方法。

而在数字通信、视频、网络、及图像处理领域，FPGA已成为数字信号处理高性能的关键性元件。

因此采用FPGA芯片设计并基于VHDL语言在QuartusII软件平台实现FSK调制电路具有很好的理论及应用价值。

设计采用2FSK调制系统。

可以实现基带数字信号的远距离传输，特别是在有线带宽的高频信道如无线或光纤信道传输时，对数字信号进行载波调制。

实现相位变化的连续性，从而减少频带占用带宽。

FSK是一种比较优越的调制方式，包络稳定，具有最小功率占用率和相位连续等优点，并且具有良好的频谱特性，能在给定的频带内传送很高的比特速率。

简单进行EDA实验箱的模块调用，使得一个复杂的电子系统设计变得相当容易而且直观。

它的实现成本低，可修改性强，实用范围广，将理论基础和实际应用结合。

关键词：

数字基带信号；2FSK；FPGA；VHDL

ABSTRACT

Incommunicationandtransmission,thedigitalcommunicationwithitsuniqueadvantagesallshowundoubtedly.FSKisdigitalcommunicationwithwider,inawaywithwordswithinthedatatransmission.FSKmodulator,usingrangeisverywide,notonlylimitedincablenetworkcommunication,ithasextendedtobiomedical,radiocommunicationetc.ThedesignofFSKmodemdesignmethodsofthemodelissimple,notonlybasedonelectricalcomponents,usingthesoftwarebuildmodelalsobecomethecommonlyusedmethod.Whileindigitalcommunication,video,network,andimageprocessingarea,FPGAdigitalsignalprocessinghighperformancehasbecomethekeycomponents.ThereforebasedonFPGAchipdesignandbasedonVHDLlanguageinQuartusIIsoftwareplatformandrealizeFSKmodulationcircuithasagoodtheoryandapplicationvalue.

Designuses2FSKmodulationsystem.Canrealizebasebanddigitalsignaloflong-distancetransmission,especiallyinthecablechannelsuchaswirelessbandwidthofhigh-frequencychannelsorfiberoptics,ofdigitalsignalcarriermodulation.Realizingthecontinuityofphasechange,thusreducingfrequencybandoccupybandwidth.FSKisacomparativelyadvantageousmodulationmethod,envelopestable,withaminimumpoweroccupancyrateandphasecontinuousetc,andhasgoodspectrumcharacteristics,caninagivenfrequencybandtransmithighbitrates.SimpleforEDAexperimentcasemodulescalls,makesacomplexsystemofelectronicsdesigntobecomequiteeasyandintuitive.Itsrealizationoflowcost,canbemodifiedtostrongsex,practicalscope,theoreticalbasisandpracticalapplicationofcombined.

Keywords:

Digitalbasebandsignal;2FSK;FPGA;VHDL

目录

第一章　绪言1

1.1课题研究背景1

1.2课题的研究工作3

第2章FSK数字调制原理5

2.1系统介绍5

2.1.1系统功能简介及性能指标5

2.1.2系统实现的原理7

2.2FSK信号的产生9

2.2.1直接调频法9

2.2.2频率键控法9

2.3调制系统的设计10

第3章FPGA概述和VHDL语言12

3.1FPGA的相关知识12

3.2硬件描述语言的选择13

第4章FSK调制电路的VHDL设计及仿真15

4.1程序算法设计15

4.2软件实现步骤16

第五章结论19

参考文献20

附录A21

附录B23

致谢33

第一章　绪言

本章阐述了通信系统中数字信号传输背景、现状以及发展，指出了当今通信系统所面临的问题以及数字通信系统的一些优点，数字通信传输的发展方向和前景。

1.1课题研究背景

通信按照传统的定义就是信息的传输与交换，可以用标记、符号、声音或图像来表示信息。

在当今社会，通信与传感、计算机技术的密切结合,成为整个社会的“高级神经中枢”。

电通信的历史并不是很长,至今只有160年的时间。

1838年有线电报的发明成为开始使用电通信的标志,而那时的通信距离只有70km。

1876年发明的有线电话被称作是现代通信的开端。

1878年世界上的第一个人工交换局只有21个用户。

无线电报于1896年实现,开创了无线电通信发展的道路。

1906年电子管的发明快速提高了无线通信及有线通信的水平。

随着通信技术的发展,通信科学在20世纪30年代起获得了突破性的进展,先后形成脉冲编码原理、信息论、通信统计理论等重要的理论体系。

1934年美国学者李佛西首次提出脉冲编码调制（PCM）的概念，从此之后通信数字化的时代可以说已经开始了，而50年代以来，模拟通信由于晶体管和集成电路的问世获得高速发展，并且促成了数字通信的形成，具有广阔的前景。

而在通信种类上，也相继出现脉码通信、微波通信、卫星通信、光纤通信、计算机通信等等。

尤其是通讯技术与计算机的结合,正在以前所未有的力度促使通信网、计算机网与综合业务网的高度发展。

随着时代的发展，用户不单满足于听到声音，而且还要看到图像；通信终端也不仅仅局限于单一的电话机，还有传真机和计算机等数据终端。

现有的微波中继、传输媒介电缆和卫星通信等等将更多地采用数字传输。

这些系统都使用到了数字调制技术。

贝尔和马可尼，他们所完成的开拓性工作不仅为现代信息时代奠定了基础，并且为未来电讯发展铺平了道路，可谓通讯事业的鼻祖。

随着现代科学技术的发展,当前使用最为广泛的是电通信方式,也就是电信号携带所需要传递的消息。

电通信能迅速而有准确的传递，经过电信道进行。

各种消息在变换成电信号的时候，消息与电信号间必须建立单一的对应关系，否则接收端就会无法得到原来的消息。

通常，消息被载荷在电信号的一个参量上，如果电信号的该参量是离散取值携带着离散消息，则该信号就称为数字信号。

如果电信号的参量是连续值，则这样的信号就称之为模拟信号。

通信的最基本形式是点对点之间建立的通信系统,其模型可以用图1-1表示。

噪声源

图1-1通信系统的一般模型

自从1886年5月24日Morse在华盛顿和巴尔的摩间发送世界上第一份电报以来，电报通信已经经历了150多年。

但由于长期以来电报通信不如电话通信方便，电报（作为数字通信的主要形式）比1876年Bell发明的电话发展要缓慢。

数字通信一直到20世纪60年代以后才兴盛起来，甚至现在出现了数字通信代替模拟通信的趋势。

数字通信迅速发展的原因是它更能适应对通信技术越来越高的要求，并且满足计算机的广泛应用，即要求传输大量数字信息。

可以用图1-2所示点对点的数字通信一般模型。

噪声源

（a）

信道

（b）

图1-2数字通信系统模型

数字传输系统可根据是否经过调制解调分为数字基带传输系统和数字频带传输系统。

虽然基带数字信号可在传输距离不远的情况下直接传送，但实际通信中不少信道还不能直接传送基带信号，只适合在低通型信道中传输，主要是因为数字基带信号的功率谱从零频开始并且集中在低频段。

如果要远距离传输时，尤其是在无线或光纤信道上传输时，则必须要通过调制将信号频谱搬移至高频处才能在信道中传输。

数字调制实质上是指将数字符号转换成适合在信道中传输特性的波形的过程。

基带调制中的信号波形通常是整形脉冲的形式，在带通调制中则利用整形脉冲去调制载波信号。

数字调制跟模拟调制一样，有调幅、调频和调相三种基本形式。

调频系统的对信道特性的变化敏感性不强，抗干扰能力强，因而在通信系统中得到了较为广泛的应用。

其中移频键控抗干扰性能仅次于移相键控，是不受所用器件电压的影响，通过比较几个数字信号的电压来决定各个载波的通断，因此是一种比较好的调制方法。

FSK通信方式是数据通信中使用较早的一种。

由于这种调制解调方式容易实现，传输距离远，抗噪声和抗衰减性能较强等优点，因而在中低速数据传输通信系统中得到了广泛的应用。

例如低速的Modem，CID（CallingIdentityDelivery）来电显示中也广泛使用FSK来传送各种控制信息。

美国贝尔通信研究室（BELLCORE）首先引入话音频带数据通信调制解调方式来实现CID业务，在1990年提出了相关技术建议（TR-TS-000031，ISUE3，1990年1月），并且该建议经多次修改后被称为Bell202建议。

它也被广泛应用于衰落信道（短波通信）中传输数据。

传输速率为1200波特以下的设备一般采用FSK方式传输数据，这是国际电报和电话咨询委员会（ITU-T）提出的建议。

1.2课题的研究工作

数字通信有很多模拟通信没有的好处，数字通信的作用主要表现在可以扩大市话中继线的容量是数字程控交换的组成部分可做数字卫星、数字微波、光纤通信的终端可做综合业务数字网的基本单元。

数字通信具有以下几个优点：

第一，数字传输抗干扰能力强，无噪声积累。

尤其在中继时，数字信号可以再生从而消除噪声积累；模拟通信中,需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大,从而提高信噪比。

同时，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大,而随着传输距离的增加,噪声积累越来越多,从而使传输质量严重恶化。

数字通信由于其信号为有限个离散值,传输过程中虽然也受到噪声的干扰,即便当信号恶化到一定程度时,适当距离采用判决再生的方法,再生成没有噪声干扰和原发送端一样的数字信号,因此可以实现长距离高质量的传输。

第二，差错传输可以控制，改善传输质量；

第三，便于使用现代化的数字信息处理技术来对数字信息进行处理；数字通信都是二进制代码,和计算机所用信号一致,因而便于用计算机对数字信号进行存储、交换和处理,与计算机联网，可使通信网的管理、维护实现自动化和智能化。

运用数字传输方式,实现传输和交换的综合，通过程控数字交换设备进行数字交换。

体积小,功耗低。

便于构成综合数字网和综合业务数字网。

第四，数字信号易于做高级保密性的加密处理。

第五，数字通信可通过综合传输各种消息，使得通信系统的功能增强。

第六，占用信道频带较宽。

一路模拟电话和数字电话的频带分别为4KHZ带宽和64KHZ带宽。

移频键控是非线性调制系统，它基本上不受信道特性变化的影响，是数字调制方法中比较简单的一种，特别适合用于信道特性变化较大的数字通信系统中,并且其实现方式也相当简单。

目前，无线电通信得到了充分的发展，进一步推动了频带通信的进步，它扩展到了通信的各个领域。

频移键控仍然是其中目前使用的最多的一种调制方法，虽然当今很多通信系统使用的是复合调制技术。

二进制频移键控作为一种最简单的频移方法，由于它的调制解调原理非常简单，也很有代表性，因此对进行其它频移调制的研究还是有深远意义。

二进制频移键控（2FSK）调制是指发送“0”时，发送一频率的正弦波；发送“1”时，发送另一个频率的正弦波。

由于2FSK传号及空号时采用两种频率的信号，不需要固定的比较电压。

因此即使在空号时也有足够的信号幅度，也不至于因噪声产生误码，另外就是其自身是一个调频系统，有较好的抗干扰能力，抗衰落性能强。

通过对它进行研究，在VHDL语言的基础上，期望能用最经济、最简单、实时性最好的电路设计出来。

这次设计是一种验证性的课题,不管是在理论还是在实践上能否实现,我都是本着学习的态度进行的。

当前对于数字调制的研究已经很多了,当然很多研究都具有开创性和实用性,在设计的时候需要有必借鉴他们宝贵的经验。

第2章FSK数字调制原理

2．1系统介绍

由于大多数基带信号频谱是低通型的，而实际信道多为带通型，数字基带信号不能直接在信道中传输，因此需要调制。

调制就是在发信端把数字基带信号的频谱搬移到带通型信道的频带之内，以便信号在信道内传输。

2.1.1系统功能简介及性能指标

频移键控（FSK）是采用不同频率的载波来传送数字信号，并用数字基带信号来控制载波信号的频率。

二进制频移键控（2FSK）则是用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平。

接收端收到不同的载波信号通过逆变换成为数字信号，完成信息传输的过程。

我们对各种二进制数字调制系统的性能进行总结、比较。

内容包括系统的误码率、频带宽度及频带利用率、对信道的适应能力、设备的复杂度。

1.误码率

表2-1二进制数字调制系统误码率及信号带宽

名称

2DPSK

2PSK

2FSK

2ASK

相干检测

（相干-码变换）

相干检测

（

）

（相干-码变换）

非相干

检测

带宽

备注

  在数字通信中，误码率是数字通信系统最重要的性能指标之一。

表2-1列出了各种二进制数字调制系统误码率公式。

注：

接收机输入端出现的噪声是均值为0的高斯白噪声；未考虑码间串扰的影响；采用瞬时抽样判决；计算误码率的公式都仅是的函数。

式中，是解调器输入端的信号噪声功率比。

对二进制数字调制系统的抗噪声性能做如下两个方面的比较：

（1）调制方式相同检测方法不同时的比较

对表2.1.1做纵向比较，非相干检测的抗噪声性能要低于相干检测。

而且随着信噪比

的增大，非相干与相干误码性能的相对差别越不明显。

此外，非相干检测系统的设备的复杂程度要比相干的低。

（2）检测方法相同调制方式不同时的比较

对表2.1.1做横向比较，可以得出：

1）相干检测时，误码率相同的条件下：

2ASK比2FSK的信噪比

大，而2FSK比2PSK的信噪比

大；

2）在非相干检测时，误码率相同的时候：

2ASK信噪比

最大，其次是2FSK，而2PSK的信噪比

最小。

 或者说，如果信噪比

一定的话，2PSK系统的误码率最小，其次是2FSK，再者是2ASK系统。

所以，从抗加性白噪声方面说，首先应选择2DPSK,其次是2FSK，最后则是考虑2ASK。

2.频带宽度

各种二进制数字调制系统的频带宽度也显示在表2-1中，其中

为传输码元的时间宽度。

    从表2-1我们可以看出，2PSK（2DPSK）系统和2ASK系统频带宽度相同，是码元传输速率

的两倍，都是

；2FSK系统的频带宽度近似为

，要大于2PSK（2DPSK）系统和2ASK系统的频带宽度。

因此，2FSK调制系统在频带利用率上最差。

3.对信道特性变化的敏感性

    信道特性变化的灵敏度对最佳判决门限有一定程度的影响。

在2FSK系统中，不需要人为对判决门限进行设置，它是通过比较两路解调输出的大小来做判决的。

2PSK系统的判决器最佳判决门限为0。

因而，判决门限并不跟随信道特性的变化而变化，即接收机总是能够工作在最佳判决门限的状态。

但是对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为

（当

时），即它与接收机输入信号的幅度

有关。

因此接收机输入信号的幅度将随信道特性发生变化而变化，从而会导致最佳判决门限随之而变。

所以，接收机不易保持在最佳判决门限状态，误码率也将会增大。

因此，2ASK调制系统从对信道特性变化的敏感程度上来看是最差的。

4.设备的复杂程度

 2ASK、2PSK及2FSK的复杂度相差不多，就发端设备来说，而接收端的复杂程度则要联系到调制方式。

对同一种调制方式，相干解调时的接收设备要比非相干解调的复杂；2DPSK的接收设备复杂程度最高，2FSK次之，而2ASK用到的设备最简单，如果都是非相干解调。

    通过从以上四个方面对各种二进制数字调制系统的比较可以看出，选择调制和解调方式时，要进行全方面的考虑。

只有抓住其中最主要的因素，对系统要求做全面的考虑，才能做出较为正确的选择。

将带宽作为最主要的因素考虑，应该考虑2PSK、相干2PSK、2DPSK以及2ASK，而将2FSK排除在外；将抗噪声性能作为最主要的因素来考虑，就要应考虑相干2PSK和2DPSK，将2ASK排除；考虑设备的复杂性时，则选择非相干方式。

如今，在高速数据传输中，相干PSK及DPSK用得较多，而在中、低速数据传输中，尤其是在衰落信道中，相干2FSK系统用得较为普遍。

由于这个设计只是一种模拟类型的设计，没有涉及到信号的接收，并且一般通信系统的误码率很低，需要通过做大量的工作，反复观察才能够得到，另外在实验室的条件下，基本上也没有噪声干扰，各种仪器都比较精密，误码率难以观察，因此我们很难给出具体的测试标准和参量，所以在这里我就不计算它的误差。

但是，在实际的应用中，噪声干扰是不可避免的，一定要注意。

2.1.2系统实现的原理

二进制频移键控是是信息传输中使用得较早的一种调制方式,利用载波的频率变化来传递数字信息，其主要优点是:

实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好，在中低速数据传输中得到了广泛的应用。

二进制频移键控如两个不同频率交替发送的ASK信号。

如果载波信号采用正弦型波,则FSK信号可表示为:

Umcosω1t,　　代表数字码元“1”

S（t）=

Umcosω2t,代表数字码元“0”

图2-1G（t）为1时FSK信号S（t）的频率为f1;G（t）为0时FSK信号S（t）的频率为f2,将S（t）分解为信号S1（t）与S2（t）之和,则有:

S（t）=S1（t）+S2（t）

根据相关的公式可求得FSK信号的带宽为:

BFSK=|f1-f2|+2B

式中:

f1为对应脉冲调制信号1的载波频率;

f2为对应脉冲调制信号0的载波频率;

B为数字基带信号的带宽。

这里

=2π

=2π

。

2FSK信号的波形如图2-1示，图2.1中所示的波形可以分解为图2-2中（a）和（b）所示的两组波形。

它们可以看成是交替发送两个不同频率的ASK信号，

G（t）

S（t）

（a）

图2-1FSK信号波形图

（b）

图2-2波形分解图

2FSK信号的调制可以看成是两个2ASK信号对应相加。

在2FSK调制过程中，用频率为f1的载波信号来表示二进制数字“1”，用频率为f2的载波信号来表示二进制数字“0”。

因此，2FSK信号的调制原理图如下图2-3示。

数字

图2-3FSK调制原理

2.2FSK信号的产生

2.2.1直接调频法

实现数字频率调制的方法一般有直接调频法和键控法。

将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某个参数，而达到改变振荡频率的目的，这是直接调频法。

实现直接调频法的电路有许多，一般采用的方法是：

当基带信号为正时（相当于“1”码），改变振荡器谐振回路的电容或电感数值，使振荡器的振荡频率为f1；当基带信号为负时（相当于“0”码），改变振荡器谐振回路的电容或电感值，使振荡器的振荡频