毕业设计报告基于CPLD的移动通信调制编码技术的研究

目录第一章绪论.......................................................11.1研究背景......................................................11.2研究思路和方案分析............................................11.3论文的主要工作................................................3第2章可编程片上系统开发技术................................42.1可编程逻辑器件简介............................................42.2可编程片上系统开发软件........................................42.3硬件描述语言VHDL简介.........................................6第三章系统的组成及工作原理..................................73.1M序列产生器.................................................73.2QPSK调制解调.................................................83.2.1多进制相移键控基本原理......................................83.2.2QPSK调制...................................................93.2.3QPSK解调..................................................133.2.4调制解调系统...............................................143.3卷积码编码译码...............................................153.3.1纠错编码基础...............................................153.3.2卷积码编码.................................................153.3.3卷积码的解码...............................................173.3.4卷积码编码译码系统.........................................223.4小型移动通信系统.............................................23第四章硬件部分................................................24第五章总结.....................................................27参考文献.........................................................28致谢...........................................................29附录1............................................................30附录2............................................................39南昌航空大学学士学位论文1第一章绪论1.1研究背景近年来，随着半导体工艺技术和设计方法的迅速发展，系统级芯片SOC(System-on-Chip)的设计得以高速发展。但是，由于SOC产品设计具有开发周期相对较长、高成本和高风险等特点，对市场的变化非常敏感，这使得SOC在消费电子、汽车电子、工业设计领域的发展进程仍然缓慢。与此同时，当今的制造工艺能够提供更多更高速的逻辑、更快的I/O和更低价位的新一代可编程逻辑器件，现场可编程门阵列CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)己然进入嵌入式应用领域，高性能CPLD也不再局限于引进系统粘合逻辑，也可作为SOC平台。由于CPLD的现场可编程特征，它己成为更具灵活性和广泛性发展前景的工业设计平台。与传统电路设计方法相比，CPLD具有功能强大、开发过程投资小、周期短、便于修改及开发工具智能化等特点。使用CPLD器件设计数字电路，不仅可以简化设计过程，而且可以降低整个系统的体积和成本，增加系统的可靠性。CPLD可轻易地被修改变更、修复缺陷，或在用户需要升级和配合市场发展时去创制未来的衍生产品。它们无需花费传统意义下制造集成电路所需大量时间和精力，避免了投资风险，成为电子器件行业中发展最快的一族。1.2研究思路和方案分析设计调制解调器，可以考虑用通用DSP芯片的方案。这种方案的通用DSP具备灵活的可编程性和高效的性能，有的甚至还集成了通用微控制器。方框图如图1-1所示：南昌航空大学学士学位论文2图1-1通用DSP方案通用DSP都是按程序循序执行，即串行构架，这限制了通用DSP不能达到很高的速度。但是调制和编码单元中往往用到滤波器，乘法器，直接频率合成器等需要高速时钟的器件。虽然通用DSP具有哈佛结构，多重总线，超标量流水线，分支预测等先进的技术，但是都不可能从本质上改变程序循序执行的缺点，在需要高速应用的场合通用DSP往往不能胜任。而使用专用DSP虽然能解决好速度的问题但是可编程能力有限。下面我们用CPLD代替上面方案中的通用DSP和变频器。方框图如图1-2所示：图1-2CPLD方案CPLD内部有丰富的资源能配置成各种形式的电路。用CPLD代替通用DSP后不仅灵活性没有降低，性能却有极大的提高。CPLD内部能被编成将所有的功能以并行方式执行大大加快了速度。对于要求更高性能使还能使用流水线设计进一步提高数据吞吐量。CPLD可以设计多个并行模块的系统，速度高，同时具有高度灵活甚至能改变系统构架。Pc机通用微控制器通用DSP数字变频器D/A接口层配置层处理层Pc机通用微控制器CPLDD/A接口层配置层处理层南昌航空大学学士学位论文3前一种通用DSP方案主要是指目前己广泛使用的DSP处理器的解决方案，包括一系列软硬件技术与开发技术。采用DSP处理器(如TI的TMS32OC系列)的解决方案日益面临着不断增加的巨大挑战，而自身的技术瓶颈(如运行速度、吞吐量、总线结构的可变性、系统结构的可重配置性、硬件可升级性等等)致使这种解决方案在DSP的许多新的应用领域中的道路越走越窄;后一种CPLD方案则是基于SOPC（可编程片上系统）技术、EDA技术与CPLD实现方式的DSP技术，是现代电子技术发展的产物，它有效地克服了传统DSP技术中的诸多技术瓶颈，在许多方面显示了突出的优势，如高速与实时性，高可靠性，自主知识产权化，系统的重配置与硬件可重构性，单片系统的可实现性，以及开发技术的标准化和高效率。因此我们采用后面一种方案完成系统设计，进行数字调制解调和编码译码技术的研究，使用VHDL硬件描述语言可以快速高效地设计出具有复杂结构和算法的系统，同时优化算法和结构达到节省硬件资源和高效率开发的特点。1.3论文的主要工作本文的调制解调和编码译码方法的是基于CPLD的开发技术，利用CPLD完成调制解调和编码译码的过程。开发手段是QuartusII工具软件的应用。论文安排如下：第1章：概括了调制解调器的研究背景，明确了本文的研究思路和所用方案，对本文的主要工作和文章安排进行了介绍。第2章：介绍了可编程逻辑器CPLD、可编程片上系统开发软件QuartusII及硬件描述语言VHDL。第3章：介绍了系统的理论基础及一般原理，整个系统采用模块化设计，详细介绍M序列、调制、解调、编码、译码五个模块的设计。第4章：硬件部分，画出了整个系统的硬件原理图，显示并分析了测试到的波形。第5章：总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题。南昌航空大学学士学位论文4第2章可编程片上系统开发技术2.1可编程逻辑器件简介可编程逻辑器PLD(Progr~ableLogicDeviees)从20世纪70年代发展到现在，己形成了许多类型的产品，其结构、工艺、集成度、速度和性能都在不断的改进和提高。PLD又可分为简单低密度PLD和复杂高密度PLD。可编程阵列逻辑器件PAL(ProgranunableArrayLogic)和通用阵列逻辑器件GAL(GenerioArrayLogic)都属于简单PLD，结构简单，设计灵活，对开发软件的要求低，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。随着技术的发展，简单PLD在集成度和性能方面的局限性也暴露出来。其寄存器、I/O引脚、时钟资源的数目有限，没有内部互连，因此包括复杂可编程逻辑器件CPLD(ComPlexPLD)和现场可编程门阵列器件FPLD(FieldProgrammableGateArray)在内的复杂PLD迅速发展起来，并向着高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活、适用范围更广阔的方向发展。CPLD具备阵列型PLD的特点，结构又类似掩膜可编程门阵列，因而具有更高的集成度和更强大的逻辑实现功能，使设计变得更加灵活和易实现。相对于CPLD，它还可以将配置数据存储在片外的EPROM或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现场可编程。所以CPLD得到了更普遍的应用。使用CPLD器件设计数字电路，不仅可以简化设计过程，而且可以降低整个系统的体积和成本，增加系统的可靠性。它们无需花费传统意义下制造集成电路所需大量时间和精力，避免了投资风险，成为电子器件行业中发展最快的一族。2.2可编程片上系统开发软件Altera的QuartusII开发平台，它囊括了从设计输入、综合、布局布线、仿真、时序分析、下载验证等所有设计流程，是一个完整的开发平台，能满足多种设计的需要，是SOPC设计的综合环境和SOPC开发的基本设计工具，并为AlteraDSP开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。QuartusII设计工具完全支持VHDL，Verilog的设计流程，其内部嵌有VHDL，Verilog逻辑综合器。QuartusII可以进行基于CPLD的DSP系统开发，是DSP硬件系统实现的关键EDA工具。Quartusll包括模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析综合器、适配器、装配器、时序分析器、设计辅助模块、EDA网表文件生成器、编辑数据接口等。以南昌航空大学学士学位论文5通过选择startComPilation来运行所有的编译器模块，或通过选择ComPilerTool，在ComPilerTool窗口中运行该模块来启动编译器模块。此外，QuartusII还包含许多十分有用的LPM(LibraryofparameterizedModules)模块，他们是复杂或高级系统构建的重要组成部分，在SOPC设计中被大量应用，也可与QuartusII普通文件一起使用。Altera提供的可参数化宏功能模块和LPM函数均基于Altera器件的结构作了优化设计。在许多使用情况中，必须使用宏功能模块才可以使用某些特定器件硬件功能，如DSP模块，片上存储器，PLL等。这可以通过QuartusII中的MegawizardPlug-inManager来建立Altera宏功能模块、LPM函数和IP函数，用于QuartusII综合工具中的设计。一般设计流程如图2-1所示图2-1QuartusII一般设计流程设计准备功能仿真时序仿真器件测试器件编程设计输入原理图硬件描述语言波形图设计处理优化、综合布局、布线南昌航空大学学士学位论文62.3硬件描述语言VHDL简介硬件