基于FPGA的FSK调制解调系统设计..

安徽理工大学毕业设计I基于FPGA的FSK调制解调系统设计摘要数字调制技术作为通信技术领域中极为重要的一个方面，得到了迅速发展。随着数字调制技术的出现，在有限的带宽内传输高速的数据已成为可能。在数字传输系统中，数字信号对高频载波进行调制，变为频带信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。FSK是数据通信中使用较早的一种通信方式。由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输通信系统中得到较为广泛的应用。本文首先介绍了2FSK调制与解调的工作原理，以及VHDL程序设计和仿真方法。在此基础上，本文给出了2FSK调制与解调的具体实现方法以及实验结果，并进行了分析和讨论。然后详细介绍了基于FPGA的2FSK信号发生器的设计方法，提供了VHDL源代码在QuartusⅡ环境下的仿真结果。整个系统的功能在EDA技术开发平台上调试通过，具有较高的实用性和可靠性。关键词：FPGA，CPLD，调制，解调，2FSK安徽理工大学毕业设计IITHEDESIGNOFFSKMODEMBASEDONFPGAABSTRACTDigitalmodulationtechniquesinthefieldofcommunicationtechnologyasaveryimportantaspecthasbeendevelopingrapidly.Withtheemergenceofdigitalmodulationtechniques,inthelimitedbandwidthandhigh-speeddatatransmissionpossible.Indigitaltransmissionsystems,digitalsignalmodulationofhigh-frequencycarrier,intoabandsignaltransmissionthroughthechannelinthereceiverdemodulationintoadigitalsignalaftertheresumption.FSKisusedindatacommunicationsasameansofcommunicationearlier.Asaresultofthisapproacheasytoimplementmodem,anti-noiseandanti-decaypropertiesofstrong,solow-speeddatatransmissioninthecommunicationsystemtobemorewidelyused.Thisarticleintroducedthefirstmodulationanddemodulation2FSKworkingprinciple,aswellastheVHDLdesignandsimulationmethods.Onthisbasisthen,thispaper2FSKspecificmodulationanddemodulationmethodandexperimentalresultsandananalysisanddiscussion.DetailsofFPGA-basedsignalgenerator2FSKthedesignmethodology,VHDLsourcecodeprovidedintheQuartusⅡsimulationenvironment.TheentiresystemtechnologydevelopmentinEDAplatformdebuggingthroughhighpracticalityandreliability.KEYWORDS:FPGA,CPLD,modulation,demodulation,2FSK安徽理工大学毕业设计III目录摘要......................................................................I1绪论....................................................................11.1研究背景............................................................11.2研究思路和方案分析..................................................11.3主要研究内容........................................................32可编程片上系统开发技术..................................................52.1可编程逻辑器件及硬件描述语言VHDL....................................52.1.1可编程逻辑器件简介...............................................52.1.2硬件描述语言VHDL简介............................................62.2可编程片上系统技术..................................................82.3QUARTUSⅡ介绍.......................................................103FSK调制解调原理.......................................................123.1二进制频移键控信号的调制原理.......................................123.2二进制频移键控信号的解调原理.......................................143.3载波信号发生器原理.................................................154调制解调器系统的实现...................................................184.1系统整体分析.......................................................184.2调制部分...........................................................194.2.1四位可预置二进制减计数器.......................................194.2.2正弦波合成器...................................................204.2.3调制仿真.......................................................214.3解调部分...........................................................224.3.1同步脉冲发生器.................................................224.3.2计数器.........................................................234.3.3判别锁存电路...................................................244.3.4解调仿真.......................................................254.4本章小结...........................................................265总结与展望.............................................................27参考文献.................................................................28致谢.....................................................................29安徽理工大学毕业设计11绪论1.1研究背景通信技术融入计算机和数字信号处理技术以后发生了革命性的变化，它和计算机技术、信号处理技术结合是现代通信技术的标志。一个世纪以来，通信的发展大致经历了三大阶段：以发明电报（莫尔斯电码）为标志的通信初级阶段；以香农提出的信息论开始的近代通信阶段；以光纤通信为代表的协议综合业务数字网迅速崛起为代表的现代通信阶段。光纤通信技术、卫星通信技术和移动通信技术成为现代通信技术的三大主要发展方向。数字调制技术作为通信技术领域中极为重要的一个方面，得到了迅速发展。随着数字调制技术的出现，在有限的带宽内传输高速的数据已成为可能，并且与过去使用的模拟调制，如调幅（AM）和调频（FM）、开关键控（OOK）、脉宽调制（PWM）、脉位调制（PPM）、脉幅调制（PAM）等技术相比有更高的可靠性和抗干扰性。数字调制解调器专用集成电路使得通信传输中的发送和接收设备可以更加紧凑，成本更低，减少功耗并大大提高设备的可靠性。目前国内的调制解调器已有一些研究成果和芯片问世。但是，国内的产品大多基于通用DSP实现，支持的速率比较低。由于运算量较大和硬件参数的限制，采用通用DSP或普通算法无法胜任高速率调制解调的任务。FSK是数据通信中使用较早的一种通信方式。由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输通信系统中得到较为广泛的应用。根据国际电报和电话咨询委员会（ITU-T）的建议，传输速率为1200波特以下的设备一般采用FSK方式传输数据。在衰落信道（短波通信）中传输数据时，它也被广泛应用。FSK信号具有抗干扰能力强，传输距离远等有点，在日常生活和工业控制中被广泛采用。例如CID(CallingIdentityDelivery)来电显示，低速的Modem，铁路系统和电力系统的载波通信中也广泛使用他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的调制解调方式来实现CID业务，并在1990年提出了相关技术建议（TR-TS-000031，ISUE3，1990年1月），该建议经过多次修改后被称为Bell202建议。数据传送采用了移频键控（FSK）方式，通常称为移频键控方式。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，这种方案借鉴软件无线安徽理工大学毕业设计2电的思想实现。上世纪90年代发展起来的软件无线电SDR（SoftwareRadio/Software-DefinedRadio）的基本思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能用软件完成。这是一种全新的思想，它一经提出就得到了广泛的重视。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：通用DSP都是按程序循序执行，说到底都是串行构架，这限制了通用DSP不能达到很高的速度。但是调制解调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，正所谓鱼和熊掌不能兼得。下面我们用FPGA代替上面方案中的通用DSP和变频器。FPGA内部有丰富的资源能配置成各种形式的电路。用FPGA代替通用DSP后不仅灵活性没有降低，