1、基于 FPGA 的数字调制解调器设计基于 FPGA的数字调制解调器设计摘要本设计使用 FPGA 在 EDA 技术开发软件 Quartus 上实现以正弦信号为载波的三种调制信号 ASK、FSK 、PSK 的调制和解调。系统采用 ALTERA公司生产的 DE2 开发板，Cyclone II EP2C35F672C6 型号的 FPGA 和 EPCS16系列的配置驱动，使用 VHDL 硬件描述语言实现，系统时钟为 50MHZ，经四分频产生一路时钟信号经过 DDS 波形发生器形成 ASK，PSK 及 FSK 的一路载波，FSK 的另一路载波由系统时钟经八分频后经过 DDS 波形发生器后产生。由于 ASK
2、 和 PSK 调制特性相近，载波都为一路信号。因此在设计时将 ASK 和 PSK 调制放在同一模块里设计，用一个选择键和两个基带信号控制端来控制。系统时钟经过 512 分频后经过随机信号模块产生一路周期为 15的伪随机序列作为数字调制的基带信号。在解调时，用非相干解调法解调ASK 和 PSK 信号，用过零检测法解调 FSK 信号。经过功能仿真和验证后，测试输出信号与基带信号是否相符。关键词：FPGA, ASK, PSK, FSKDigital modulation and demodulation based on FPGAAbstractThis design uses FPGA on ED
3、A technology development platform Quartus to achieve the generation and the demodulation of three modulation signalASK,FSK,PSK as carrier through sinusoidal signals.The system uses the ALTERA companys DE2 development board,FPGA of Type Cyclone II EP2C35F672C6FPGA and driver configuration of EPCS16 s
4、eries.This system is realized in VHDL hardware description language,whose ASK,PSK and FSK carrier is generated when the four frequency produces a clock signal through the DDS waveform generator,and the system clock is 50MHZ.Because the characteristics of ASK and PSK modulation are similar to each ot
5、her,which means their carrier are both one way signal,the modulation of ASK and PSK are put on the same model when designed,with a selection key and the two baseband signal control ends controlling.System clock generates pseudo random sequence baseband signals whose one road cycle is 15 as baseband
6、signals through random signal model after the 512 frequency division.When in modulation,we use non coherent demodulation to demodulate ASK and PSK signal,and the zero crossing detection method for FSK signal demodulation.After the system is tested through the function simulation and verification,whe
7、ther the output signal and the baseband signal are conformed to each other or not will be testedKey words: FPGA, ASK, PSK, FSK目录1 绪论.11.1 课题背景与研究现状 .11.1.1 数字调制解调背景知识.11.1.2 FPGA 背景知识.21.2 课题的主要研究工作 .41.3 本论文的结构 .42.EDA 技术简介 .62.1 QUARTUS II 简介 .62.1.1 Quartus II 的使用及主要设计流程.72.1.2 Quartus II 的原理图输入设
8、计流程.102.1.2 SignalTap II 逻辑分析仪的使用.112.2 VHDL 语言简介 .132.2.1 VHDL 的基本结构.142.2.2 VHDL 的基本语法.193.数字调制解调原理.213.1 ASK 的调制与解调 .213.1.1 ASK 调制原理.213.1.2 ASK 解调原理.233.2 PSK 的调制与解调 .233.2.1 PSK 调制原理.233.2.2 PSK 解调原理.253.3 FSK 的调制与解调 .263.3.1 FSK 调制原理.263.3.2 FSK 解调原理.274 硬件模块方案设计与实现 .304.1 DDS（直接数字式频率合成器） .30
9、4.1.1 DDS 原理.304.1.2 硬件模块设计图.314.1.3 频率控制模块 .324.1.4 波形选择模块 .324.1.5 波形存储模块 .334.1.6 顶层实体模块 .344.1.7 程序及仿真结果分析 .354.2 M序列发生器 .364.2.1 m 序列原理.364.2.2 m 序列发生器设计.384.2.3 m 序列产生模块.414.2.4 m 序列仿真结果分析.414.3 分频器设计 .434.4 ASK/PSK 调制与解调 .434.4.1 ASK/PSK 调制方案.434.4.2 ASK/PSK 调制模块.444.4.3 ASK/PSK 调制仿真结果分析.454.
10、4.4 ASK/PSK 解调方案.464.4.5 ASK/PSK 解调模块.474.4.6 ASK/PSK 解调仿真结果分析.484.5 FSK 调制与解调 .494.5.1 FSK 调制方案.494.5.2 FSK 调制模块.504.5.3 FSK 仿真结果分析.504.5.4 FSK 解调方案.514.5.5 FSK 解调模块.524.5.6 FSK 解调仿真结果分析.525 系统调试.545.1 系统电路图 .545.2 系统仿真结果 .54结论.57致谢.58参考文献.59附录：源代码.46外文资料翻译(附原文).6611 绪论1.1 课题背景与研究现状 1.1.1数字调制解调背景知识
11、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
12、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，2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
13、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: 数字信号便于存储、处理 、抗干扰能力强； 数字信号便于交换和传输； 可靠性高，传输过程中的差错可以设法控制； 数字信号易于加密且保密性强； 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。二进制数字调制所用调制信号由“0”和“1”代表的数字信号脉冲序列组成。因此，数字调制信号也成为键控信号。在二进制振幅调制、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
14、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。虽然三种调制解调的原理比较简单，但作为数字通信原理的入门学，理解 ASK，PSK，FSK 后可以容易理解其他更复杂的调制系统，为以后的进一步发展打下基础。1.1.2 FPGA背景知识现场可编程门阵列（FPGA）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3电路的修改和维护很方便。随着VLSI(Very Large Scale IC，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
15、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
16、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Quartus II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。本设计用到的是 Altera 公司的 FPGA 器件 EP2C35F672C6，该器件隶属于Cyclone II 系列，具有更大的容量和极低的单位逻辑单元成本。从结构上看，该器件具有多达 150 个嵌入 1818 乘法器，适合于实现低成本数
17、字信号处理（DSP）应用；它包含每块具有 4608 bit 的 M4K 存储块，提供高达 1.1Mbit的片内存储器，支持多种配置；它能以 688 Mbps 的速率同 DDR、DDR II 和SDR SDRAM 器件及 QDRII SRAM 器件相连接，并支持多种单端和差分 I/ O 标准；支持 Nios II 系列嵌入式处理器，具有低成本和完整的软件开发工具。4Altera 也为 Cylcone II 器件客户提供了 40 多个可定制 IP 核，Altera和 Altera Megafunction 伙伴计划(AMPPSM)合作者提供的不同的 IP 核是专为Cyclone II 架构优化的，
18、包括：Nios II 嵌入式处理器；DDR SDRAM 控制器；FFT/IFFT；PCI 编译器；FIR 编译器；NCO 编译器；POS-PHY 编译器；Reed Solomon 编译器；Viterbi 编译器等。1.2 课题的主要研究工作课题主要研究二进制 ASK，PSK ，FSK 调制解调系统的实现，完成对数字信号的调制与解调，在简化系统的前提下，根据系统的总体功能与硬件特点，设计总体框图，根据 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。本系统设计的重点在于作为载波的正弦波，由正弦信号发生其产生，在一个周期内完成
19、 256 次采样。另外，三种数字信号的解调方法也不完全相同。由于利用相干解调方法需要本地载波参与解调，会使系统复杂且准确度降低，因此采用非相干解调，以正确解调出基带信号。1.3 本论文的结构第一章阐述了数字调制解调的背景知识和现状，以及 FPGA 的基本概念。第二章介绍了 EDA 以及开发 FPGA 的软件的基本知识和主要使用方法，并介绍了 VHDL 语言的设计流程和基本语法。第三章分析了 ASK，PSK ，FSK 的调制解调原理理论分析。5第四章结合硬件平台进行方案选择，设计数字调制解调系统，包括程序的编写及硬件模块设计，以及仿真结果。第五章给出了调制解调器调制解调信号的测试结果和程序仿真结果。第六章为本论文的结束语。
