1、 沈阳大学毕业设计（论文）基于 VHDL 的 DPSK 载波传输系统设计专业：电子信息工程班级：2007 级 1 班姓名：郭义斌沈阳大学毕业设计（论文）目 录引 言 .31 VHDL 概述 .61.1 硬件描述语言(VHDL) .61.1.1 VHDL 语言的发展 .61.1.2 VHDL 语言的特点 .81.1.3 VHDL 语言的建模 .101.1.4 VHDL 的设计流程 .111.1.5 支持 VHDL 研发的软件工具 .121.2 MAX+PLUSII 简介 .131.2.1MAX+PLUSII 的特点 .131.2.2 Max+plus设计流程 .142 载波传输系统原理 .162
2、.1 载波传输系统的基本构成 .162.2 PSK 载波传输系统调制原理 .162.2.1 数字调制 .162.2.2 二进制相移键控（PSK）的调制 .182.3 差分相移键控 DPSK 调制 .202.3.1 差分相移键控 .202.3.2 DPSK 调制原理 .212.4 绝对码相对码(差分编码) .212.5 DPSK 载波传输系统解调原理 .222.5.1 相干解调法 .222.5.2 相位比较法 .243 DPSK 载波传输系统的建模 .263.1 DPSK 的总体设计思想 .263.2 CPSK 调制电路的 VHDL 建模 .283.3 CPSK 解调电路的 VHDL 建模 .2
3、83.4 绝对码转化成相对码的 VHDL 建模 .293.5 相对码转化成绝对码电路的 VHDL 建模 .304 DPSK 载波传输系统的设计实现及程序设计 .314.1CPSK 调制电路的设计实现及程序设计 .314.1.1CPSK 调制的 VHDL 设计 .31沈阳大学毕业设计（论文）4.1.2CPSK 调制的 VHDL 程序 .324.2CPSK 解调电路的设计实现及程序设计 .334.2.1CPSK 解调的 VHDL 设计 .334.2.2CPSK 解调的 VHDL 程序 .344.3 绝对码相对码转化电路的设计实现及程序设计 .354.3.1 绝对码相对码转换的 VHDL 设计 .3
4、54.3.2 绝对码相对码转换的 VHDL 程序 .364.4 相对码绝对码转化电路的设计实现及程序设计 .364.4.1 相对码绝对码转换的 VHDL 的设计 .364.4.2 相对码绝对码转换的 VHDL 程序 .374 .5DPSK 载波传输系统的总体 GDF 模块图 .385 DPSK 载波传输系统的仿真结果分析 .395.1CPSK 调制 VHDL 程序仿真分析 .395.2 CPSK 解调 VHDL 程序仿真分析 .405.3 绝对码相对码转换的 VHDL 程序仿真分析 .405.4 相对码绝对码转换的 VHDL 程序仿真分析 .415.5 DPSK 调制解调器的总体仿真波形 .4
5、1结 论 .43致 谢 .44参考文献 .45沈阳大学毕业设计（论文） No. 1摘 要调制解调技术是通信系统的灵魂,其性能直接影响到整个系统的通信质量。由于数字技术的大量应用,数字调制解调技术得到了广泛的应用。随着软件无线电思想的发展,将整个系统尽可能地集成于一个芯片的设计方法已经呈现出强大的发展潜力,成为系统设计发展的主要方向。基于这种思想,介绍一种在单片 FPGA 上实现的全数字 DPSK 调制解调器的设计方法。整个设计基于ALTERA 公司的 MAX+PLUSII 开发平台，并用单片 FPGA 芯片实现。本设计采用自顶向下的设计方法，主要思想是对数字系统进行模块划分。本文重点介绍 DP
6、SK 调制解调器中的各个模块的具体实现和相应的 VHDL 程序。顶层设计中各个模块是作为元件来引用的，因此需要将它们设计成独立实体的形式。 本设计以 MAX+plusII 为设计平台，从 FPGA 芯片的结构出发编写了VHDL 程序，并对程序进行了仿真运行，结果表明设计是符合要求的，本次设计基本达到了预期的目标。基于 FPGA 技术设计并实现了 2DPSK 调制解调器。调制解调器主要包括码型转换和 PSK 调制模块的设计,解调采用差分相干解调,所有设计基于 VHDL 语言编程,整个系统的功能在 Max+plusII 上调试通过,并在芯片上硬件实现,具有较好的实用性和可靠性。关键词：FPGA；V
7、HDL ；DPSK；调制；解调沈阳大学毕业设计（论文） No. 2AbstractModem technology has been the soul of communication systems and its performance directly affects the quality of Communication Systems.With the development of the digital technology,digital modulation and demodulation technology is being used widely.With the d
8、evelopment of software radio,the design method integrating whole system into one chip shows us great potential .Based on this idea ,the paper introduces us a digital DPSK modem realized on one FPGA chip. Based on the plat form of MAX+PLUSII of ALTERA,the whole design adopts FPGA chips.This design us
9、es a top-down design method, the main idea is to divide the digital system modules. This article focuses on modem of DPSK specific implementation of each module and the corresponding VHDL program. Top-level design of each module is referenced as a component, therefore, they need to be designed to fo
10、rm an independent entity.MAX+plusII has been a platform for the design. The paper has the VHDL procedure from the structure of the FPGA chip and has operated the procedure. The result indicates our designing is qualified，and this designing has reached the anticipated goal basically. We designed and
11、implemented a 2DPSK Modem based on the FPGA technology. The modulator primarily includes code-conversion and PSKmodulator module designs. The modem adopts differential coherent demodulation . Programming for all the designs is in VHDL. The functions of the entire system passed tests performed on Max
12、+plusII and were hardware implemented chip, bringing high practicability and reliability .Key words: FPGA; VHDL; DPSK; modulation ; demodulation;沈阳大学毕业设计（论文） No. 3引 言现 代 通 信 系 统 要 求 通 信 距 离 远 、 通 信 容 量 大 、 传 输 质 量 好 。 作 为 其 关键 技 术 之 一 的 调 制 解 调 技 术 一 直 是 人 们 研 究 的 一 个 重 要 方 向 。 一 个 系 统 的通 信 质 量 , 很
13、大 程 度 上 依 赖 于 所 采 用 的 调 制 方 式 1。 因 此 ,对 调 制 方 式 的研 究 , 将 直 接 决 定 通 信 系 统 质 量 的 好 坏 。 随 着 超 大 规 模 集 成 电 路 的 发 展 , 尤 其 是 微 电 子 技 术 和 计 算 机 技 术 的 迅 猛 发 展 和 广 泛 应 用 , 数 字 化 成 为 目前 通 信 技 术 发 展 的 趋 势 , 它 具 有 可 靠 性 高 、 灵 活 性 强 、 易 大 规 模 集 成 等 优点 , 日 益 受 到 重 视 。 目 前 , 数 字 化 的 手 段 主 要 有 专 用 集 成 电 路 (ASIC)和通
14、用 数 字 信 号 处 理 器 (DSP)。 现 场 可 编 程 门 阵 列 ( FPGA)提 供 了 实 现 数 字信 号 处 理 的 第 三 种 解 决 方 案 , 它 结 合 了 以 上 两 种 方 式 的 优 势 , 具 有 开 发周 期 短 、 设 计 方 案 修 改 方 便 、 成 本 低 、 投 资 不 存 在 风 险 问 题 等 。随 着 通 信 技 术 日 新 月 异 的 发 展 ， 尤 其 是 数 字 通 信 的 快 速 发 展 ， 越 来 越普 及 ， 研究人员对其相关技术投入了极大的兴趣。为使数字信号能在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制，其调制方式与模拟信号
15、调制相类似。根据数字信号控制载波的参量不同也分为调幅、调频和调相三种方式。因数字信号对载波参数的调制通常采用数字信号的离散值对载波进行键控，故这三种数字调制方式被称为幅移键控（ASK ） 、频移键控（FSK）和相移键控（PSK ） 2。数字信号对载波相位调制称为相移键控（或相位键控） ，即 PSK（Phase-Shift Keying） 。数字相位调制是用数字基带信号控制载波的相位，使载波的相位发生跳变的一种调制方式。PSK 调制解调器是卫星通信的重要设备 ,在调制解调器中解调基带算法与工程实现一直是国内研究的重点与难点。也是近沈阳大学毕业设计（论文） No. 4年来应用日趋广泛的载波传输方式
16、。PSK 分为绝对相移和相对相移。由于绝对移相方式存在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式。它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。FPGA 器件是八十年代中期出现的一种新概念,是倍受现代数字系统设计工程师欢迎的新一代系统设计方式。FPGA 器件可反复编程，重复使用，没有前期投资风险，且可以在开发系统中直接进行系统仿真，也没有工艺实现的损耗。因此在小批量的产品开发、研究场合，成本很低。基于DSP&FPGA 嵌入式系统不仅具有其他微处理器和单片机嵌入式系统的优点和技术特性，而且还可能用并行算法操作，具有高速数字信号处理的能力，为实
17、现系统的实时性提供了有利的支持，DSP&FPGA 单片机系统必将成为现代电子技术，计算机技术和移动通信技术的重要支柱 3。本设计主要实现基于 FPGA 的 DPSK 载波传输的数字通信系统。与模拟通信系统相比，数字调制和解调同样是通过某种方式，将基带信号的频谱由一个频率位置搬移到另一个频率位置上去。不同的是，数字调制的基带信号不是模拟信号而是数字信号。在大多数情况下，数字调制是利用数字信号的离散值实现键控载波，对载波的幅度，频率或相位分别进行键控，便可获得ASK、FSK、PSK 等。这三种数字调制方式在误码率，要求信噪比和抗噪声性能等方面，以 PSK 性能最佳，因而，PSK 在中、高速传输数据
18、时得到广泛应用 4。在本设计中，我们研究基于 FPGA 的 DPSK 载波调制解调的实现。在设计过程中，通过对通信原理的回顾和总结，以及查阅相关的信源信道编码以及模数，数模转换相关知识，达到设计有线相移载波传输的目的，在不沈阳大学毕业设计（论文） No. 5断学习新的知识以及归纳复习老的知识的同时，提高自身对电子线路的设计能力。DPSK 作为一种在通讯领域广泛采用的调制技术。由于 DPSK 的诸多优点，DPSK 技术被大量使用，一般来说，因为信号波形间的相关性导致了DPSK 中错误的传播(相邻码元之间)，所以 DPSK 信号的效率要低于 PSK。造成 PSK 和 DPSK 这种差异的原因是，前
19、者是将接收信号与原始的无噪声干扰的参考信号比较，而后者则是两个含噪信号之间的比较。因此， DPSK 误码率大约为 PSK 的 2 倍，随着信噪比的增加，这种恶化程度也迅速增加。但是性能的损失换来了系统复杂性的降低，而且性能的损失完全可以在技术上弥补。此外，在 PSK 的解调过程中有可能会出现相位模糊，即相干载波的相位与已调信号反相出现倒 现象，致使在接收端无法正确地解调出原始信号。因此，就出现了 DPSK 调制方式。VHDL 程序的设计是本文最重要的部分。VHDL 硬件描述语言的 FPGA技术在电子信息工程领域具有重要作用，VHDL 作为当今非常流行的硬件描述语言，已经随着可编程逻辑器件在国内
20、迅猛发展，深深吸引了广大电子硬件工程师。用 VHDL 编程实现传统的电路功能已经成为广大电子硬件工程师的首选。用 VHDL 硬件描述语言做电路设计具有开发周期短、设计易于修改、电路简单、成本低廉等优点，对那些外形结构要求小巧的微电子系统，可以直接利用 FPGA 器件的可编程特性来大大减少芯片的使用量，从而提高外形结构设计灵活性和系统可靠性 5。沈阳大学毕业设计（论文） No. 61 VHDL 概述1.1 硬件描述语言(VHDL)1.1.1 VHDL 语言的发展EDA 技术是现代电子设计技术的核心。它以 EDA 软件工具为开发环境，采用硬件描述语言（HDL），以可编程器件为实验载体，以实现源代码
21、编程，自动逻辑编译，逻辑简化，逻辑综合，布局布线，逻辑优化和仿真功能等，并以 ASIC,SOC 芯片为目标器件，是以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化的设计技术 6。现代计算机技术和微电子技术进一步发展和结合使得集成电路的设计出现了两个分支。一个是传统的更高集成度的集成电路的进一步研究；另一个是利用高层次的 VHDL/VerilogHDL 等硬件描述语言对新型器件 FPGA/CPLD进行专门的设计，使之成为专用集成电路（ASIC），这不仅大大节省了设计和制造的时间，而且设计者必考虑集成电路制造工艺，对设计者的利用十分方便，现已成为系统及产品设计的一项新技术 7。在 HDL（硬件描述语言）形
22、成发展之前，已经有了许多程序语言，如汇编、C 语言等。这些语言运行在不同的硬件平台和操作环境中，它们适合于描述过程和算法，不适合做硬件描述。任何一种 EDA 工具，都需要一种硬件描述语言来作为其工作语言。这些众多的 EDA 工具软件开发者，各自推出了自己的 HDL。此后，便出现了标准的 VHDL 语言。VHDL 是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Language 的缩写，最初是美国国防部为其超高速集成电路研究计划（VHSIC）提出的硬件描述语言，作为各合同商之间提交复杂电路设计文档的一种标准方案；1985 年完沈阳大学毕业设计（论文）
23、No. 7成了该标准方案的第一版，1987 年成为 IEEE 标准，即 IEEE-1076 标准（VHDL87） 。1988 年，美国国防部规定所有官方的 ASIC 设计必须以VHDL 为设计描述语言（美国国防部标准 MIL-STD-454L） 。1993 年，IEEE对 VHDL 标准作了若干修改和更新，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展 VHDL 的内容，升级为新的 IEEE-1164（VHDL93 ） 。1996 年，IEEE 将电路综合的标准程序与规格 VHDL，成为 VHDL 综合标准 IEEE-1076.3。一个完整的 VHDL 程序通常包括实体（Entity） 、结构体（Architecture） 、配置（Configuration） 、程序包（Package）和库（Library ）五个部分 8。其基本结构如图 1 所示。图 1 VHDL 程序的结构VHDL 作为 EDA 的重要组成部分，提供了借助计算机进行数字系统设计的一种很好的手段，用 VHDL 设计有许多优点，它的硬件描述能力强，可以用于从门级、电路级直至系统级的描述、仿真、综合和调试。利用 VHDL
