学位论文基于fpga的调制信号发生器设计论文研究.docx

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学位论文基于fpga的调制信号发生器设计论文研究

基于FPGA的调制信号发生器设计研究

摘要

直接数字频率合成技术在通信系统中被广泛采用。

在研究直接数字频率合成技术的基本原理的基础上，利用FPGA的DSP开发工具DSPBuilder对直接数字频率合成器进行了建模设计，仿真结果显示该DDS频率及相位可灵活调整，具有较高的频率分辨率，能够实现频率及相位的快速切换，并将其应用在模拟调制和数字调制系统中。

通过仿真分析证明设计方法的正确性和实用性。

本文对通信信号中的AM信号、FM信号、ASK信号、FSK信号、PSK信号等根据DDS的基本原理，利用Matlab/DSPBuilder进行建模,然后用Altera公司提供的SignalCompiler工具对其进行编译，产生QuartusII能够识别的VHDL源程序，并且给出了采用Altera公司的Cyclone系统的FGPA芯片EP1C3T144C8进行仿真，并用ModelSim进行功能仿真及用QuartusII进行时序仿真,以验证所设计的信号满足要求，通过仿真分析设计方法的正确性和实用性，并用EDA实验设备实现,在示波器上观测所设计的信号。

文中还简单应用了DSPBuilder设计中的层次化设计来完成调制集成系统的研究，有助于设计复杂的DSPBuilder模型。

关键字现场可编程门阵列，直接数字频率合成，模拟调制，数字调制，DSPBuilder

ABSTRACT

Directdigitalsynthesizertechnologyiswidelyappliedincommunicationsystem.Basedonstudyingthebasictheoryofdirectdigitalsynthesizertechnology,thispassagemakesmodeldesignofDDSwithDSPBuilderofFPGAandappliesDDStodigitalmodulationsystem.ThisDDS’sparameterscanbeadjustedflexibly,simulationresultshowsDDShashighresolutionandfastsettingtime.ThecorrectnessandfeasibilityofDDSwillbeprovedthroughsimulationanalysis.

thisarticletosignalsinthesignalcorrespondswhichisAM、FM、ASK、FSK、PSKsignalisaccordingtotheDDSbasicprinciple,establishedtheDDSbasicmodelusingMatlab/DSPBuilder,thentheSignalCompilertoolwhichprovidedusingtheAlteraCorporationtoitcarriesonthetranslation,hasVHDLsourceprogramwhichQuartusIIcoulddistinguishandproduceusesAlteraCorporationcycloneseriesFPGAchipEP1C3T144C8carriesthesimulation.UsingModelSimmakesthesimulationoffunction,andusingQuartusIImakesthesimulationoforderwhencarriesonverifythesignaldesignmeettherequirement.CorrectnessandpracticalitytodesignmethodisanalyzedbythesimulationAndtestwithEDAtheequipmentrealizeandobserveandanalyzeontheoscilloscopesignaldesign.InthearticlealsosimplyappliedDSPBuilderdesignhierarchicaldesigntocompletethemodulationintegrativesystem'sresearch.itwashelpfulindesigncomplexDSPtheBuildermodel.

KeywordsFPGA，DDS，AnalogModulation，DigitalModulation，

DSPBuilder

1绪论

1.1课题背景

无线电技术进行信息传输在现代电子应用中占有及其重要的地位,无线电通信,电视,雷达,遥控遥测等,都是利用无线电技术传输各种不同信息的方式。

在这些信息的传递过程中,都要用到调制技术。

所谓调制是在传送信号的一方将所要传送的信号“附加”在高频振荡波上,再由发送装置进行传送。

本设计对通信信号中的AM信号、FM信号、ASK信号、FSK信号、PSK信号、正交幅度调制电路等进行设计,在设计中选用ALTERA公司现场可编程门阵列CYCLONE系列的器件。

通过近20年的发展，通信己成为市场最活跃、份额最高的产业，也成为国际上市场竞争最激烈的部分。

随着调制技术在仪表和通信系统中的广泛应用，一种从参考频率源生成多种频率的数字控制方法应运而生，这种技术就是DDS（即直接数字合成）。

DDS技术是一种从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字频率合成技术。

目前，各大芯片制造厂商都相继推出采用先进CMOS工艺生产的高性能、多功能DDS芯片，为电路设计者提供了多种选择。

然而在某些场合，专用DDS芯片在控制方式、置频速率等方面与系统的实际要求存在很大差距，这时可以采用高性能FPGA来设计符合具体需要的DDS电路。

DDS（直接数字合成）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法。

这种方法简单可靠、控制方便，且具有很高的频率分辨率和转换速度，非常适合快速跳频通信的要求。

目前不断发展的数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）技术迅速地扩展到了其应用领域，如3G移动通信、网络会议、多媒体系统、雷达卫星系统、医学仪器、实时图像识别与处理、联合战术无线电系统、智能基站以及民用电器等。

所有这一切在功能实现、性能指标与成本方面都在不断增加其要求。

在过去很长一段时间，DSP处理器（如TI的TMS320系列）是DSP应用系统核心器件的惟一选择。

尽管DSP处理器具有通过软件设计能适用于实现不同功能的灵活性，但面对当今迅速变化的DSP应用市场，特别是面对现代通信技术的发展，DSP处理器早已显得力不从心。

例如其硬件结构的不可变性导致了其总线的不可改变性，而固定的数据总线宽度，已成为DSP处理器一个难以突破的瓶颈。

DSP处理器的这种固定的硬件结构特别不适合于当前许多要求能进行结构特性随时变更的应用场合，即所谓面向用户型的DSP系统，或者说是用户可定制型，或可重配置型的DSP应用系统（CustomizedDSP或ReconfigurableDSP等），如软件无线电、医用设备、导航、工业控制等方面。

至于在满足速度要求方面，由于采用了顺序执行的CPU架构，DSP处理器则更加不堪重负。

FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。

使用FPGA器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入，更吸引人的是，采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进行在线修改，因此有时人们也把FPGA称为可编程的ASIC在这些FPGA中，一般都内嵌有可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等DSP模块。

今天大容量、高速度的FPGA的出现，克服了上述方案的诸多不足。

它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，知道达到预期的结果。

用FPGA来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和速度问题，而且其灵活的可配置特性，使得FPGA构成的DSP系统非常易于修改、易于测试及硬件升级。

在利用FPGA进行DSP系统的开发应用上，已有了全新的设计工具和设计流程。

DSPBuilder就是Altera公司推出的一个面向DSP开发的系统级工具。

它是作为MATLAB的一个Simulink工具箱（ToolBox）出现的。

MATLAB是功能强大的数学分析工具，广泛应用于科学计算和工程计算，可以进行复杂的数字信号处理系统的建模、参数估计、性能分析。

Simulink是MATLAB的一个组成部分，用于图形化建模仿真。

随着数字技术在仪表和通信系统中的广泛应用，一种从参考频率源生成多种频率的数字控制方法应运而生，这种技术就是DDS（即直接数字合成）。

DDS技术是一种从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字频率合成技术。

目前，各大芯片制造厂商都相继推出采用先进CMOS工艺生产的高性能、多功能DDS芯片，为电路设计者提供了多种选择。

然而在某些场合，专用DDS芯片在控制方式、置频速率等方面与系统的实际要求存在很大差距，这时可以采用高性能FPGA来设计符合具体需要的DDS电路。

现场可编程门阵列（FPGA）设计无线电和调制解调器与DSP芯片比较，虽然FPGA可轻而易举地实现如卷积编码器等复杂逻辑功能，但在实现大量复杂计算方面却有很大的缺陷。

FPGA在通信领域的应用，大大改善了现代通信系统的性能，FPGA的应用也极大的推动了SOC的发展，随着DSP和FPGA技术的不断发展，无线电技术必将成为移动通信中的主流技术，其发展远景非常可观。

1.2设计要求

课题根据直接数字频率合成原理对通信信号中的AM信号、FM信号、ASK信号、FSK信号、PSK信号、用DSPBuilder进行建摸,并用ModelSim进行功能仿真及用QuartusII进行时序仿真,以验证所设计的信号满足要求，并用EDA实验设备实现,在示波器上观测所设计的信号。

基于FPGA的调制信号发生器的设计主要采用了FPGA的硬件设计和DSPBuilder系统级（或算法级）设计工具来实现。

利用DSPBuilder进行建摸,同时又通过SignalCompiler可以把Matlab/Simulink的设计文件（.mdl）转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件（.vhd），以及用于控制综合与编译的TCL脚本，而对后者的处理可以由FPGA/CPLD开发工具QuartusII来完成。

这样我们就可以用ModelSim进行功能仿真及用QuartusII进行时序仿真,以验证所设计的信号满足要求。

并用EDA实验设备实现,在示波器上观测所设计的信号。

2DDS的基本原理

实现调幅调频信号的核心是正弦波信号的产生。

频率控制、模拟幅度调制信号、模拟频率调制信号等功能都是围绕该信号展开的。

在设计中采用DDS技术产

生不同频率的正弦波，以实现调幅调频信号。

DDS（DirectDigitalSynthesizer）即直接数字合成器，是一种新型频率合成技术，具有较高的频率分辨率，可以实现快速的频率切换，并且在频率改变

时能够保持相位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的数控调制。

以正弦信号发生器为例进行讨论，它的输出可以用下式来描述：

式（2.1）

其中

是指该信号发生器的输出信号波形，

指输出信号对应的频率。

上式的表述对于时间t是连续的，为了用数字逻辑实现该表达式，必须进行离散化处理。

用基准时钟

进行抽样，令正弦信号的相位：

　　式（2.2）

在一个

周期

内，相位的变化量为：

　　　式（2.3）

其中

指基准时钟频率，对于

，可以理解成“满”相位。

为了

对进行数字量化，把切割成2N份，由此，每个

周期的相位增量可用量化值来表述为：

式（2.4）

且

为整数，可得：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（2.5）

信号发生器的输出可描述为：

式（2.6）

其中，

指前一个clk周期的相位值，同样可以得出：

式（2.7）

由上面的推导可以看出，只要对相位的量化值进行简单的累加运算，就可以得到正弦信号的当前相位值，而用于累加的相位增量量化值

决定了信号的输出频率

，并呈现简单的线性关系。

直接数字合成器DDS就是根据上述原理而设计的数字控制频率合成器。

DDS是以数控的方式产生频率、相位和幅度可以控制的正弦波，图2.1所示是一个基本的DDS结构，主要由相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表和D/A构成。

图中的相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表是DDS结构中的数字部分，由于具有数控频率合成的功能，又合称为NCO（NumericallyControlledOscillators）。

图2.1基本DDS结构

DDS系统的核心是相位累加器，它由一个累加器和一个N位相位寄存器组成。

每来一个时钟脉冲fr，相位寄存器以步长M增加。

相位寄存器的输出与相位控制字相加，其结果作为正（余）弦查找表地址。

当相位累加器累加满量程，就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就合成信号的一个周期，累加器的溢出频率也就是DDS的合成信号频率。

在原理框图中，正（余）弦查找表由ROM构成，内部存有一个完整周期正（余）弦波的数字幅度信息，每个查找表的地址对应正（余）弦波幅度信号，同时输出到数模转换器（DAC）输入端，DAC输出的模拟信号经过低通滤波器（LPF）可以得到一个频谱纯净的正（余）弦波。

相位累加器是整个DDS的核心，在这里完成上文原理推导中的相位累加功能。

相位累加器的输入是相位增量

，又由于与输出频率

是简单的线性关系：

式（2.8）

故相位累加器的输入又可称为频率字输入，事实上，当系统基准时钟

是

时，

就等于

。

频率字输入还经过了一组同步寄存器，使得当频率字改变时不会干扰相位累加器的正常工作。

相位调制器接收相位累加器的相位输出，在这里加上一个相位偏移值，主要用于信号的相位调制，如PSK（相移键控）等。

在不使用时可以去掉该部分，或者加一个固定的相位字输入。

相位字输入也需要用同步寄存器保持同步。

需要注意的是，相位字输入的数据宽度M与频率字输入N往往是不相等的，一般M

正弦ROM查找表完成

的查表转换，也可以理解成相位到幅度的转换，它的输入是相位调制器的输出，事实上就是ROM的地址值，输出送往D/A，转化成模拟信号。

由于相位调制器的输出数据位宽M也是ROM的地址位宽，因此在实际的DDS结构中N往往很大，而M总为10位左右。

M太大会导致ROM容量的成倍上升，而输出精度受D/A位数的限制未有很大改善。

因此，在实际应用中，对于ROM容量的缩小，人们提出了很多解决方法。

基本DDS结构的常用参量计算。

1） DDS的输出频率

由DDS工作原理推导的公式中很容易得出输出频率的计算：

式（2.9）

是频率输入字，

是系统基准时钟的频率值，N是相位累加器的数据位宽，也是频率输入字的数据位宽。

2）DDS的频率分辨率

或称频率最小步进值，即

为１时，可用频率输入值步进一个最小间隔对应的频率输出变化量来衡量。

式（2.10）

3） DDS的频率输入字的计算

的计算公式如下：

式（2.11）

3设计工具

3.1FPGA性能结构

随着微电子技术的飞速发展，可编程逻辑器件的发展取得了长足的进步，FPGA（现场可编程门阵列）与CPLD（复杂可编程逻辑器件）都是可编程逻辑器件。

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）和FPGA（FieldProgrammableGateArray）已成为目前在电子系统设计中应用最广泛的可编程逻辑器件。

它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。

与同门阵列等其它ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。

本文的设计中用到了Altera公司的FPGA芯片，因此以下将主要介绍FPGA的结构、原理及设计。

FPGA器件是由大量逻辑宏单元构成的。

通过配置可以使这些逻辑宏单元形成不同的硬件结构，从而构成不同的电子系统，完成不同的功能。

正是FPGA的这种硬件重构的灵活性，使得设计者能够将硬件描述语言（如VHDL或Verilog）描述的电路在FPGA中实现。

这样以来，同一块FPGA能实现许多完全不同的电路结构和功能。

如DSL布线器、数字调制解调器、JPEG编码器、数字通信系统以及网络接口等等。

简化的FPGA的结构由4部分组成：

输入/输出模块、二维逻辑阵列模块、连线资源和内嵌存储器模块。

输入/输出模块是芯片与外界的接口，完成不同电气特性下的输入输出功能要求。

二维逻辑阵列模块是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变连接与配置，以完成不同的逻辑功能，FPGA的二维逻辑阵列模块是基于可编程的查找表（LookUpTable,LUT）结构的，LUT是可编程的最小逻辑构成单元，连线资源连接所有的二维阵列模块和输入输出模块线长度和工艺决定着信号在连线上驱动能力和传输速度。

内嵌存储器结构可以在芯片内部存储数据。

现场可编程门阵列（FPGA）是由掩膜可编程门阵列（MPGA）和可编程逻辑器件二者演变而来的，将它们的特性结合在一起，既有门阵列的高逻辑和通用性，又

有可编程逻辑器件的用户可编程特性。

FPGA通常由布线资料分隔的可编程逻辑单元（或宏单元）构成阵列，又由可编程YO单元围绕阵列构成整个芯片。

其内部资源是分段互连的，因而延时是不可预测的，只有编程完毕后才能实际测量。

FPGA建立内部可编程逻辑连接关系的编程技术有三种：

1）基于反熔丝技术的器件只允许对器件编程一次，编程后不能修改。

其优点是集成度、工作频率和可靠性都很高，适用于电磁辐射干扰比较强的恶劣环境。

2）基于EEPROM存储器技术的可编程逻辑芯片能够重复编程100次以上，系统掉电后编程信息也不会丢失，编程方法分为在编程器上编程和用下载电缆编程。

用下载电缆编程的器件，只要先将器件装焊在印刷电路板上，通过PC、SUN工作站、ATE（自动测试仪）或嵌入式微处理系统，就能产生编程所用的标准5V、3.3V或2.5V的逻辑电平信号，也称为ISP（InSystemProgrammable）方式编程，其调试和维护也很方便。

3）基于SRAM技术的器件编程数据存储于器件的RAM中，具有用户设计的功能。

在系统不加电时，编程数据存储在EPROM、硬盘或软盘中；系统加电时将这些编程数据即时写入可编程器件中，从而实现板级或系统级的动态配置。

FPGA作为新一代的可编程逻辑器件，由于其基本原理的特殊性，除了具有一般可编程逻辑器件的特点之外，在电子系统设计中还具有一些自己的特点：

1）编程方式简便灵活。

对于基于SRAMLUT结构的FPGA器件由于SRAM的掉电易失性，其编程采用ICR方式即在线可重配置方式。

对于ICR方式的实现有多种选择，在调试时可使用PC机并行口实现，在实际应用中可使用专用配置器件或者微处理器等来实现ICR。

2）开发工具和设计语言标准化，开发周期短。

由于EDA开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的FPGA器件的硬件结构没有关系，所以从而使得片上系统的产品设计效率大幅度提高，开发周期大大缩短。

3）功能强大，应用广阔。

目前，FPGA可供选择范围很大，可根据不同的应用选用不同容量的芯片。

利用它们可实现几乎任何形式的数字电路或数字系统得设计。

随着达数百万门高密度的FPGA的出现，FPGA在原有的高密度的逻辑宏单元的基础上嵌入了许多面向DSP的专用硬核模块，结合大量可配置于FPGA硬件结构中的参数化的DSPIP软核，DSP开发者能十分容易地将整个DSP应用系统实现在一片FPGA中，从而实现了所谓的可编程SOC系统，即SOPC。

现代大容量、高速度的FPGA的出现，克服了上述方案的诸多不足。

FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。

它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，知道达到预期的结果。

使用FPGA器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入。

更吸引人的是，采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进行在线修改，因此有时人们也把FPGA称为可编程的ASIC在这些FPGA中，一般都内嵌有可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等DSP模块。

用FPGA来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和速度问题，而且其灵活的可配置特性，使得FPGA构成的DSP系统非常易于修改、易于测试及硬件升级。

在利用FPGA进行DSP系统的开发应用上，已有了全新的设计工具和设计流程。

DSPBuilder就是美国Altera公司推出的一个面向DSP开发的系统级工具。

它是作为MATLAB的一个Simulink工具箱（ToolBox）出现的。

MATLAB是功能强大的数学分析工具，广泛应用于科学计算和工程计算，可以进行复杂的数字信号处理系统的建模、参数估计、性能分析。

Simulink是MATLAB的一个组成部分，用于图形化建模仿真。

现场可编程门阵列（FPGA）设计无线电和调制解调器与DSP芯片比较，虽然FPGA可轻而易举地实现如卷积编码器等复杂逻辑功能，但在实现大量复杂计算方面却有很大的缺陷。

FPGA在通信领域的应用，大大改善了现代通信系统的性能，FPGA的应用也极大的推动了SOC的发展，随着DSP和FPGA技术的不断发展，无线电技术必将成为移动通信中的主流技术。

FPGA在通信领域的应用，大大改善了现代通信系统的性能，FPGA的应用也极大的推动了SOC的发展。

FPGA在通信领域的应用，大大改善了现代通信系统的性能，FPGA的应用也极大的推动了SOC的发展。

FPGA中的面向DSP的嵌入式模块有可配置RAM、DSP乘加模块和嵌入式处理器等，使FPGA能很好地适用于DSP功能的实现。

乘法器的带宽决定了整个DSP的带宽，而FPGA的DSP带宽比DSP处理器要宽得多。

此外，绝大部分的DSP处理器应用系统是用外部存储器来解决大数据量的处理的。

然而FPGA的嵌入式高速可配置存储器在大多数情况下都能满足相类似的数据处理要求。

FPGA中的嵌入式处理器进一步提高了FPGA的系统集成和灵活性，使之成为一个软件与硬件联合开发和灵活定制的结合体，可使设计者既能在嵌入式处理器中完成系统软件模块的开发和利用，也能利用FPGA的通用逻辑宏单元完成硬件功能模块的开发。

Altera的FPGA器件还为用户提供了嵌入式处理器软核与硬核的选择。

现代的FPGA中含有十分灵活的、针对特定算法的加速器模块。

与传统的DSP处理器中的加速器模块不同，FPGA中实现的硬件加速器是可以针对不同应用的，这可以使设计者针对不同的DSP任务实现硬件功能。

3.2基于EDA工具的FPGA设计流程

3.2.1