基于FPGA的FSK调制波形产生器仿真及设计.doc

1、 1 基于 FPGA的 FSK调制波形产生器仿真及设计 草鱼 一 草鱼 草鱼 实验目的 ： pork草鱼 熟悉 QUARTUS 草鱼 II的使用方法 ， 鲤鱼 学习 VHDL编程方法 、 porkFPGA硬件资源的使用及控制以及 D/A转换器件的应用 ， 鲤鱼 进一步将数字电路 、 pork模拟电路 、 porkEDA技术等课程的理论知识进行综合应用 。 草鱼 综合运用编解码技术 、 porkFSK调制解调 、 porkDDS正弦载波合成技术及 VHDL编程仿真技术等 ， 鲤鱼 完成基于 FPGA的 FSK调制波形发生器的设计和实现 。 草鱼 草鱼 二 草鱼 草鱼 实验仪器 、 pork设备

2、： pork草鱼 GW48-CK 草鱼 EDA开发系统 、 porkPC机 、 pork20MHz示波器等 草鱼 三 实验内容及要求（具体内容祥见附录） ： p ork草鱼 1、 p ork 设计基于 FPGA的 FSK调制波形产生器的硬件原理图 ； p o rk草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （提示 ： pork应包含输入按键 、 porkFPGA芯片 、 porkD/A、 pork滤波器 、 porkLED数码显示等） 草鱼 2、 p ork EDA工具采用 QUARTUS 草鱼 II； pork草鱼 3、 p ork FPGA芯片 ： p orkEPD1K30T144-3;pork草鱼 4、 p

3、 ork D/A芯片 ： p orkDA0832（ 8bit） ;pork草鱼 5、 p ork 输出信号波形 ： porkFSK调制信号 ， 鲤鱼 其中正弦载波 f1=625Hz表示 “1”； pork 草鱼 正弦载波 f2=125Hz表示 “0”。草鱼 草鱼 6、 p ork 输出数据内容 ： pork7+学号后三位（共 4位 ， 鲤鱼 每位都用 BCD码表示 ， 鲤鱼 位间用 1bit的低电平表示） 。草鱼 草鱼 7、 p ork 输出信号幅度 ： p ork 草鱼 5V, 草鱼 9V 草鱼 草鱼 可用按键控制切换 ； pork草鱼 8、 p ork 输出信号码率 ： p ork24 草

4、鱼 bit/s； pork草鱼 24 草鱼 bit/S-96 草鱼 bit/s可调 （ 8 草鱼 bit步进 ， 鲤鱼 选作 ） 草鱼 9、 p ork 要求在 QUARTUS 草鱼 II上完成 FSK调制波形产生器设计 ， 鲤鱼 包括各模块输出仿真波形和资源利用情况 ， 鲤鱼 最后在实验系统上用示波器测试波形 。 草鱼 草鱼 FPGA芯片配置说明 草鱼 本次信号发生器设计采用 VHDL语言设计并通过 QUARTUS 草鱼 II 草鱼 软件编译 、 pork仿真完成后 ， 鲤鱼 需将生成的配制文件下载到 EDA实验箱中测试输出波形 。 草鱼 有关配制情况说明如下 ： pork草鱼 1实验平台

5、： p orkGW48系列 EDA/SOC实验开发系统 草鱼 2 草鱼 FPGA芯片型号 ： porkAltera 草鱼 草鱼 EP1K30TC144-3草鱼 3芯片管脚分配 ： p ork 草鱼 草鱼 草鱼 (实验模式设置 : 草鱼 草鱼 5 草鱼 ) 信号名称 (参考 ) EP1K30TC144-引脚 信号含义 实验箱中接口 CLK 126 时钟 RESET 19 复位 键 8 SEL0 8 状态选择 0 键 1 SEL1 9 状态选择 1 键 2 SEL2 10 状态选择 2 键 3 DO0 41 数据输出位 0 D/A-D0 DO1 42 数据输出位 1 D/A-D1 DO2 65 数

6、据输出位 2 D/A-D2 DO3 67 数据输出位 3 D/A-D3 DO4 68 数据输出位 4 D/A-D4 DO5 69 数据输出位 5 D/A-D5 DO6 70 数据输出位 6 D/A-D6 DO7 72 数据输出位 7 D/A-D7 四 草鱼 草鱼 实验原理 ： pork草鱼 简介 ： pork系统以 FPGA为核心 ,辅以必要的模拟电路 ,构成了两路基于 DDS技术的正弦信号发生器 。 草鱼其主要模块有正弦波生成 、 pork幅度控制 、 porkD/A转换和后级处 理等功能 。 草鱼 草鱼 同时通过 VHDL语言编程在2 FPGA上实现基带信号的产生 、 porkBCD编码

7、、 pork同步编码 ， 鲤鱼 然后送入 FSK调制模块进行调制 ， 鲤鱼 调制后一方面通过 QUARTUS 草鱼 II软件仿真 ， 鲤鱼 验证其正确性 ， 鲤鱼 同时送出到 FPGA片外进行 D/A转换处理 ， 鲤鱼 再采用低通 滤波器和功率放大电路来提高波形质量和负载能力 ,最终得到所要求的 FSK调制信号 。 草鱼 草鱼 FPGA 草鱼 调制解调器 草鱼 草鱼 FSK(Frequeney-Shift 草鱼 Keying， 鲤鱼 频移键控 )是用不同频率的载波来传送数字信号 。 草鱼 FSK信号具有抗干扰能力强 、 pork传输距离远等优点 ， 鲤鱼 在只常生活和 工业控制 中被广泛采用

8、。 草鱼 例如 CID(Calling 草鱼Identity 草鱼 Delivery)来电显示 ， 鲤鱼 低速的 Modem， 鲤鱼 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 。 草鱼 以往的 FSK调制解调器 采用 “ 集成电路 +连线 ” 方式设计 ， 鲤鱼 集成块多 、 pork连线复杂且体积较大 。 草鱼 本 文基于 FPGA芯片 ， 鲤鱼 采用 VHDL语言 ， 鲤鱼 利用层次化 、 pork模块化设计方法 ， 鲤鱼 提出了一种 FSK调制解调器的实现方法 。 草鱼 草鱼草鱼 1 草鱼系统整体结构框图 草鱼 本文设计的 FSK调制解调器采用了 ALTERA公司的

9、EP1C3T144C8芯片 ， 鲤鱼 系统主 时钟 频率为 20 草鱼 MHz(芯片外部有源晶振 )， 鲤鱼 “0” ， 鲤鱼 “1” 数字信号由伪随机信号 (m序列 )发生器产生 。 草鱼 为完成 FSK调制器和解调器的发送与接收 ， 鲤鱼 由 FPGA芯片完成的系统整体逻辑功能框图如图 1所示 。 草鱼 草鱼 2系统的具体设计与实现 草鱼 2.1 草鱼 伪随机序列的产生 草鱼 最大长度线性移位寄存器序列 (m序列 )是数字通信中非常重要的 、 pork应用十分广泛的一种伪随机序列 。 草鱼 由于他具有随机性 、 pork规律性及较好的自相关性和互相关性 ， 鲤鱼 而且要求设备简单 ， 鲤鱼

10、 易于实现 ，鲤鱼 成本低的特点 ， 鲤鱼 本系统采用 m序列作为数字基带信号进行程序调试 。 草鱼 草鱼 m序列是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种二进制序列 。 草鱼 线性反馈移位寄存器的一般结构如图 2所示 。 草鱼 他是由 n级移位寄存器 ， 鲤鱼 若干模二加法器组成线性反馈逻辑网络和 时钟 脉冲产生器连接而成 。 草鱼 草鱼 由于带有反馈 ， 鲤鱼 因此在移位脉冲作用下 ， 鲤鱼 移位寄存器各级的状态将不断变化 ， 鲤鱼 通常将移位寄存器的最后一级作为输出 ， 鲤鱼 由此所产生的输出序列为 ： porkak=a0a1 ak-1。 草鱼 草鱼 输出序列是一个周期序列 ， 鲤鱼

11、 其特性由移位寄存器的级数 、 pork初始状态 、 pork反馈逻辑及 时钟 频率 (决定着输出码元的宽度 )所决定 。 草鱼 当移位奇存器的级数及 时钟 一定时 ， 鲤鱼 输出序列就由移位寄存器的初始状态及反馈逻辑完全确定 ；p ork当初始状态为全零状态时 ， 鲤鱼 移位寄存器输出全 0列 。 草鱼 因此初始状态不能为全零状态 。 草鱼 草鱼 本系统选用 m序列的级数为 n=7， 鲤鱼 序列长度为 m=27-1=127， 鲤鱼 若选用的反馈系数的八进制数值为 235，鲤鱼 转换成二进制数值为 10011101， 鲤鱼 即 c0=c2=c3=c4=c7=1， 鲤鱼 c1=c5=c6=0。

12、草鱼 仿真波形如图 3所示 。 草鱼 3 2.2 草鱼 FSK调制 草鱼 本系统是利用 2个独立的分频器来改变输出载波频率 ， 鲤鱼 以数字键控法来实现 FSK捌制 。 草鱼 草鱼 数字键控法也称为频率选择法 ， 鲤鱼 他有 2个独立的 振荡器 ， 鲤鱼 数字基带信号控制转换开关 ， 鲤鱼 选择不同频率的高频振荡信号实现 FSK调制 。 草鱼 键控法产生的 FSK信号频率稳定度可以做到很高并且没有过渡频率 ， 鲤鱼 他的转换速度快 ， 鲤鱼 波形好 ， 鲤鱼 频率键控法在转换开天发生转换的瞬刚 ， 鲤鱼 2个高频振荡的输出电压通常不相等 ， 鲤鱼 于是已调信号在基带信息变换时电压会发生跳变 ，

13、 鲤鱼 这种现象称为相位不连续 ， 鲤鱼 这是频率键控特有的情况 。 草鱼 草鱼 本文设计的 FSK调制系统方框图如图 4所示 。 草鱼 2.3 草鱼 FSK解调 草鱼 过零检测法与其他解调方法相比较 ， 鲤鱼 最明显的特点就是结构 简单 ， 鲤鱼 易于实现 ， 鲤鱼 对增益起伏不敏感 ， 鲤鱼 特别适用于数字化实现 。 草鱼 他是一种经济 、 pork实用的最佳数字解调方法 。 草鱼 其方框图如图 5所示 。草鱼 他利用信号波形在单位时间内与零电平轴交义的次数来测定信号频率 。 草鱼 输入的已调信号经限幅放大后成为矩形脉冲波 ， 鲤鱼 再经微分电路得到 l圾向尖脉冲 ， 鲤鱼 然后整流得到单

14、向尖脉冲 ， 鲤鱼 每个尖脉冲表示信号的一个过零点 ， 鲤鱼 尖脉冲的重复频率就是信号频率的 2倍 。 草鱼 将尖脉冲去触发一单稳态电路 ， 鲤鱼 产生一定宽度的矩形脉冲序列 ， 鲤鱼 该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比 ， 鲤鱼 即与输入频 率信号成正比 。 草鱼 所以经过低通滤波器输出平均量的变化反映了输入信号的变化 ， 鲤鱼 这样就完成了频率 -幅度变换 ， 鲤鱼 把码元 “1” 与 “0” 在幅度上区分开来 ， 鲤鱼 恢复出数字基带信号 。 草鱼 草鱼 本文设计的 FSK解调方框图如图 6所示 。 草鱼 3 草鱼系统仿真与实验结果分析 草鱼 整个设计使用 VHDL编写 ， 鲤鱼 以

15、EP1C3T144CS为下载的目标芯片 ， 鲤鱼 在 Quartus 草鱼 II软件平台上进行布局布线后进行波形仿真 ， 鲤鱼 可得到如图 7所示的波形图 。 草鱼 其中 ： porkclk为输入主 时钟 信号 ； porken为置位信号 ； porkclks为 clk经过 200分频器的输出信号 ； porkps7为 时钟 源经过 n=7的伪随机发生器产生的伪随机(m序列 )信号 ； p orkfsk为 ps7经过 FSK调制器后的已调信号 ； porkq为 fsk经过 FSK解调器后的解调信号 。 草鱼 4 在实际硬件电路上进行测试 ， 鲤鱼 用示波器观察各个模块的工作过程 ， 鲤鱼 得到

16、如图 8和图 9所示的波形图 。 草鱼 其中 ， 鲤鱼 圈 8中 Ch1 为已调信号 ， 鲤鱼 Ch2 为数字基带信号 。 草鱼 图 9中 Ch1 为数字基带信号 ， 鲤鱼 Ch2 为解调信号 。 草鱼 草鱼 由上面的软件和硬件的测试结果可知 ： p ork草鱼 (1)本系统的 FSK 调制解调器功能已经实观 ， 鲤鱼 结果正确无误 ， 鲤鱼 经验证满足预期的设计指标要求 ，鲤鱼 且其整个工作过程可通过软件波形仿真 ， 鲤鱼 或是实际硬件电路通过示波器来直观 、 pork清晰观察 。 草鱼 草鱼 (2)传统的调制解调方式可以采用软件与硬件结合的方式来实现 ， 鲤鱼 符合未来通信技术发展的方向

17、。 草鱼 草鱼 在数字 通信系统 中 ，鲤鱼 数字调制与解调技术占有非常重要的地位 。草鱼 文中介绍了 FSK 调制解调的基本原理 ，鲤鱼 用 VHDL 语言实现了 2FSK 调制 解调器 的设计 ，鲤鱼 整个系统设计在MAX+plusII 开发平台上进行编译仿真 ，鲤鱼 最后在 EPM7032LC44-15 目标 芯片 上实现 。草鱼 仿真结果表明此设计方案是可行的 ，鲤鱼 系统具有较高的实用性和可靠性 。草鱼 草鱼 在通信系统中 ，鲤鱼 基带数字信号在远距离传输 ，鲤鱼 特别是在有限带宽的高频信道如无线或 光纤 信道上传输时 ，鲤鱼 必须对数字信号进行载波调制 ，鲤鱼 这在日常生活和工业控

18、制中被广泛采用 。草鱼 数字信号对载波频率调制称为频移键控即 FSK。草鱼 FSK 是用不同频率的 载波来传送数字信号 ，鲤鱼 用数字基带信号控制载波信号的频率 ，鲤鱼 是信息传输中使用较早的一种调制方式 。草鱼 它的主要特点是 ： pork 抗干扰能力较强 ，鲤鱼 不受信道参数变化的影响 ，鲤鱼 传输距离远 ，鲤鱼 误码率低等 。草鱼 在中低速数据传输中 ，鲤鱼 特别是在衰落信道中传输数据时 ，鲤鱼 有着广泛的应用 。草鱼 但传统的 FSK 调制解调器 采用 “集成电路 +连线 “的硬件实现方式进行设计 ，鲤鱼 集成块 多 、 pork 连线复杂且体积较大 ，鲤鱼 特别是相干解调需要提取载波

19、 ，鲤鱼 设备相对比较复杂 ，鲤鱼 成本高 。草鱼 本文基于 FPGA 芯片 ，鲤鱼 采用 VHDL 语言 ，鲤鱼 利用层次化 、 pork 模块化设计方法 ，鲤鱼 提出了一种 2FSK 调制 解调器 的实现方法 。草鱼 草鱼 调制信号是二进制数字基带信号时 ，鲤鱼 这种调制称为二进制数字调制 。草鱼 在二进制数字调制中 ，鲤鱼 载波的幅度 、 pork 频率和相位只有两种变化状态 。草鱼 相应的调制方式有二 进制振幅键控 (2ASK)，鲤鱼 二进制频移键控 (2FSK)和二进制相移键控 (2PSK)。草鱼 2FSK 就是用两种不同频率的载波来传送数字信号 。草鱼 特别适合应用于衰落信道 ，鲤

20、鱼 其占用频带较宽 ，鲤鱼 频带利用率低 ，鲤鱼 实现起来较容易 ，鲤鱼 抗噪声与抗衰减的性能较好 ，鲤鱼 在中低速数据传输中得到了广泛的应用 。草鱼 草鱼 1 草鱼 调制解调的基本原理 草鱼 FSK 就是利用载波信号的频率变化来传递数字信息 。草鱼 草鱼 在 2FSK 中 ，鲤鱼 载波的频率随二进制基带信号在 f1和 f2 两个频率点之间变化 。草鱼 故其表达式为 ： pork 草鱼 5 草鱼 也就是说 ，鲤鱼 一个 2FSK 信号可以看成是两个不同载频的 2ASK 信号的叠加 。草鱼 因此 ，鲤鱼 2FSK 信号的时域表达式又可以写成 ： pork 草鱼 草鱼 在移频键控中 ，鲤鱼 草鱼

21、和 草鱼 不携带信息 ，鲤鱼 通常可以令和 草鱼 为零 。草鱼 因此 ，鲤鱼 2FSK 信号的表达式可简化为 ： pork 草鱼 草鱼 其中 ： pork 草鱼 草鱼 2FSK 信号的产生方法主要有两种 。草鱼 一种可以采用模拟调频电路来实现 ，鲤鱼 另一种可以采用键控法来实现 ，鲤鱼 即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过 开关 电路对两个不同的独立频率源进行选通 ，鲤鱼 使其在每个码元 Ts 期间输出 f1或 f2 两个载波之一 。草鱼 这种方法产生 2FSK 信号的差异在于 ： pork 由调频法产生的 2FSK 信号在相邻码元之间的相位是连续变化的 。草鱼 而键控法产生的 2FSK 信

22、号 ，鲤鱼 是由 电子 开关 在两个独立的频率源之间转换形成 ，鲤鱼 故相邻码元之间的相位不一定连续 。草鱼 草鱼 针对 FSK信号的特点 ，鲤鱼 我们可以提出基于 FPGA的 FSK调制器 的一种实现方法 -分频法 ，鲤鱼 这种方法是利用数字信号去控制可变 分频器 的分频比来改变输出载波频率 ，鲤鱼 产生一种相位连续的 FSK 信号 ，鲤鱼 而且电路结构简单 ，鲤鱼 容易实现 。草鱼 在 2FSK 信号中 ，鲤鱼 载波频率随着二元数字基带信号 (调制信号 )的 “1“或 “0“而变化 ，鲤鱼 “1“对应于频率为 f1 的载波 ，鲤鱼 “0“对应于频率为 f2 的载波 。草鱼 2FSK 的已调

23、信号的时域表达式为 ： pork 草鱼 草鱼 2FSK 信号的常用解调方法是采用非相干解调和相干解调 。草鱼 其解调原理是将 2FSK 信号分解为上下两路 2ASK 信号分别进行解调 ，鲤鱼 然后进行判决 。草鱼 这里的抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小 ，鲤鱼 可以不专门设置门限 。草鱼 草鱼 判决规则应与调制规则相呼应 ，鲤鱼 调制时若规定 “1“符号对应载波频率 f1，鲤鱼 则接收时上支路的样值较大 ，鲤鱼 应判为 “1“，鲤鱼 反之则判为 “0“。草鱼 草鱼 2 草鱼 2FSK 调制器 设计 草鱼 2.1 草鱼 分频法实现 2FSK 调制器 草鱼 键控法也常常利用数字基带信号去控制

24、可变分频器的分频比来改变输出载波频率 ，鲤鱼 从而实现 FSK 的调制 。草鱼 实现 2FSK 调制的原理方框图如图 1 所示 。草鱼 草鱼 草鱼 图 1 草鱼 2FSK 调制实现原理框图 草鱼 其中 FSK 调制的核心部分包括分频器 、 pork 二选一选通开关等 ，鲤鱼 图中的两个分频器分别产生两路数字载波信号 ； pork 二选一选通开关的作用是以基带信号作为控制信号 ，鲤鱼 当基带信号为 “0“时 ，鲤鱼 选通载波 f1； pork 当基带信号为 “1“时 ，鲤鱼 选通载波 f2。草鱼 从选通6 开关输出的信号就是数字 FSK 信号 。草鱼 这里的调制信号为数字信号 。草鱼 草鱼 2.

25、2 草鱼 仿真结果 草鱼 整个设计使用 VHDL语言编写 ，鲤鱼 以 EPM7032LC44-15为下载的目标芯片 ，鲤鱼 在 MAX+PLUS 草鱼 II 软件平台上进行布局布线后进行波形仿真 ，鲤鱼 其中 clk 为输入主时钟信号 ； porkSTart为起始信号 ，鲤鱼 当 start 为 “1“的时候 ，鲤鱼 开始解调 ； porkq1 为载波信号 f1 的分频 计数器 ，鲤鱼 q2 为载波信号 f2 的分频 计数器 ； porkf1、 porkf2 为载波信号 ； porkx 为基带信号 ； porky为经过 FSK 调制器后的调制信号 ； pork 当输入的基带信号 x=0时 ，鲤

26、鱼 输出的调制信号 y 为f1，鲤鱼 当输入的基带信号 x=1时 ，鲤鱼 输出的调制信号 y 为 f2。草鱼 仿真结果如图 2 所示 。草鱼 草鱼 草鱼 图 2 草鱼 2FSK 调制器仿真结果 3 草鱼 2FSK 解调器设计 草鱼 3.1 草鱼 分频法实现 2FSK 解调器 草鱼 过零检测法与其他方法比较 ，鲤鱼 最明显的优点就是结构简单 、 pork 易于实现 ，鲤鱼 而且对增益起伏不敏感 ，鲤鱼 特别适用于数字化实现 。草鱼 它是一种经济 、 pork 实用的最佳数字解调方法 。草鱼 草鱼 其方框图如图 3 所示 。草鱼 草鱼 草鱼 图 3 草鱼 FSK 过零检测法 。草鱼 草鱼 它利用信

27、号波形在单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率 。草鱼 输入的已调信号经限幅放大后成为矩形脉冲波 ，鲤鱼 再经微分电路得到双向尖脉冲 ，鲤鱼 然后整流得到单向尖脉冲 ，鲤鱼 每个尖脉冲代表信号的一个过零点 ，鲤鱼 尖脉冲重复的频率是信号频率的两倍 。草鱼 将尖脉冲去触发一单稳态电路 ，鲤鱼 产生一定宽度的矩形脉冲序列 ，鲤鱼 该序列的平均分量与脉冲重复频率 ，鲤鱼 即输入频率信号成正比 。草鱼 所以经过低通 滤波器 的输出平均量的变化反映了输入信号的变化 ，鲤鱼 这样就完成了频率 -幅度的变换 ，鲤鱼 把码元 “1“与 “0“在幅度上区分开来 ，鲤鱼 恢复出数字基带信号 。草鱼 实现 2

28、FSK 解调器的原理方框图如图 4 所示 。草鱼 草鱼 草鱼 图 4 草鱼 2FSK 解调实现原理框图 。草鱼 草鱼 3.2 草鱼 仿真结果 草鱼 在 MAX+PLUS 软件平台上进行布局布线后进行波形仿真 ， 鲤鱼 其中 clk 为输入主时钟信号 ；porkstart 为起始信号 ，鲤鱼 当 start 为 “1“的时候 ，鲤鱼 开始解调 ； porkx 为输入信号 ，鲤鱼本文中在调制阶段的被调制信号 ，鲤鱼 即是调制信号中的输出信号 ，鲤鱼 y 为输出信号 ，鲤鱼在正常情况下 y 就是在调制信号中的输入信号 ，鲤鱼 在 q=11 时 ，鲤鱼 m 清零 。草鱼 在 q=10 时 ，鲤鱼 根据

29、 m 的大小 ，鲤鱼 进行对输出基带信号 y 的电平的判断 。草鱼 在 q 为其它值时 ，鲤鱼 计数器 m 计下 xx(寄存 x 信号 )的脉冲数 。草鱼 输出信号 y 滞后输入信号 10 个 clk。草鱼 仿真结7 果如图 5 所示 。草鱼 草鱼 草鱼 图 5 草鱼 FSK 解调仿真结果 。草鱼 草鱼 4 草鱼 2FSK 调制解调器 整体设计 草鱼 在整体设计过程中 ，鲤鱼 整体电路如图 6 所示 ，鲤鱼 其中 x 为基带信号 ，鲤鱼 y 为经过调制解调后的解调信号 。草鱼 草鱼 草鱼 图 6 草鱼 整体电路 。草鱼 草鱼 调制解调器设计仿真结果如图 7 所示 。草鱼 比较输入信号 x 与输

30、出信号 y，鲤鱼 完全一样 ，鲤鱼 只是系统仿真结果有一定的延时 。草鱼 仿真结果表明 ，鲤鱼 系统设计正确 草鱼 。草鱼 草鱼 草鱼 图 7 草鱼 整体仿真结果 。草鱼 草鱼 主要介绍了二进制移频键控 FSK 通信过程中利用 FPGA 进行伪随机序列加密的实现方法 。草鱼 移频键控是信息传输中使用较早的一种调制方式 ，鲤鱼 它具有实现容易 ，鲤鱼 抗噪声与抗衰减性能较好的优点 ，鲤鱼 在中低速数据传输中得到了广泛的应用 。草鱼 直接利用 FPGA 产生伪随机序列的方法可以为系统设计或测试带来极大的便利 。草鱼 给出了基于线性反馈移位寄存器电路 ，鲤鱼 设计一种简洁的伪随机序列发生器的方法 。

31、草鱼 这种方法所产生的随机序列不仅可具有极长的周期 ，鲤鱼 而且还具有良好的随机特性 。草鱼 由于该伪随机序 列可以被设计成任意长度 ，鲤鱼 所以设计过程比较灵活 。草鱼 介绍了加密的设计理论 、 pork 设计过程和硬件实现 ，鲤鱼 该电路可进行下栽生成实际电路 ，鲤鱼 并应用到信息安全领域中 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 随着技术的发展 ，鲤鱼 上世纪 90 年代初期出现了 FP GA(Field 草鱼Programmahie 草鱼 Gate 草鱼 Array)，鲤鱼 这是一种比较复杂的可编程逻辑器件 。草鱼 就当时的情况而言 ，鲤鱼 工程师们必须了解各种逻辑器件的特性 ，鲤鱼 再将逻辑

32、器件组合成电路图 ，鲤鱼 一个简单的逻辑电路 ，鲤鱼 也许需要数十个分散的 TTL 器 件组合成的一块电路板 。草鱼 用VHDL 语言完成需要的功能模块的设计和仿真是一种集多种优点于一身的方法 ，鲤鱼 例如它的保密性强 、 pork 资源占用量相对少等 ，鲤鱼 因此对这种设计方法进行研究 ，鲤鱼 并与其他设计方法进行比较 ，鲤鱼 为以后自主研发产品做出必要的准备 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 目前在数字电路设计中 ，鲤鱼 FPGA 发挥着越来越重要的作用 。草鱼 从简单的接口电路设计到复杂的状态机 ，鲤鱼 甚至系统级芯片 ，鲤鱼 FPGA 所扮演的角色已经不容忽视 。草鱼 它的可编程特性带来

33、了电路设计的灵活性 ，鲤鱼 缩短了产品上市的时间 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 随着网络的快速发展 ，鲤鱼 信息安全越来越引起人们的关注 ，鲤鱼 加密8 技术作为信息安全的利器 ，鲤鱼 正发挥着重大作用 。草鱼 通过在硬件设备中添加加密功能 ，鲤鱼 可使存储和传输的数据具有较高的安全性 。草鱼 传统的加密工作是通过在主机上运行加密软件实现的 ，鲤鱼 这种方法除占用主机资源外 ，鲤鱼 其运算速度较硬件加密要慢 ，鲤鱼 密钥以明文的方式存储在程序中 ，鲤鱼 或者以加密的方式存储在文件或数据库中 ，鲤鱼 重要数据会在某一时刻以明文形式出现在计算机的内存或磁盘中 ，鲤鱼 安全性较差 。草鱼 而硬件加

34、密是通过独立于主机系统外的硬 件加密设备实现的 ，鲤鱼 所有关键数据的存储 、 pork 运算都通过硬件实现 ，鲤鱼 不占主机资源 、 pork 速度快 、 pork 安全性较高 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 采用可编程逻辑门阵列 FPGA 具体实现加密功能 ，鲤鱼 设计者自己可以对芯片内部单元进行配置 ，鲤鱼 设计比较灵活 ，鲤鱼 只需改变配置就可实现安全不同的功能 ，鲤鱼 大大缩短了设计周期和开发时间 ，鲤鱼 同时经过优化可以达到较高的性能 。草鱼 另外 ，鲤鱼有多种 EDA 开发软件支持 FPGA 的设计 ，鲤鱼 因而用 FPGA 器件进行开发研制其自由度较大 。草鱼 在进行数据传输的

35、时候 ，鲤鱼 不仅要保证 高速的数据传输 ，鲤鱼 还要保证数据传输的稳定与完整 ，鲤鱼 因此本电路要重点解决数据在加密过程中产生的脉冲现象 ，鲤鱼 使最终能得到较好的加密数据输出波形 。草鱼 草鱼 1 草鱼 FPGA 加密技术算法 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 大多数通信系统都采用数据流密码保护相关的信息 ，鲤鱼 如图 1 所示 。草鱼 利用 X0R 函数模 2 的特性 ，鲤鱼 纯文本 P 可以在接收器端重构 ，鲤鱼 这是因为 ： pork 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 对于 XOR 草鱼 LFSR，鲤鱼 存在全是零字的可能性 ，鲤鱼 但是这种情况应该永远也不会出现 。草鱼 如果循环是从非零字

36、开始的 ，鲤鱼 则循环长度总是 2t 一 1。草鱼 通常 ，鲤鱼 如果 FGPA 是在全零字状态被唤醒 ，鲤鱼 就会更加方便地使用 “ 镜像 ” 或翻转的 LFSR 电路 。草鱼 如果全零字是一种正确模式 ，鲤鱼 并且生成了精确的转置序列 ，鲤鱼 就需要用一个 “ 非XOR” 或 XNOR 门代替 XOR 门 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 LFSR 仿真局部放大图如图 2 所示 。草鱼 其中时钟周期为 10 草鱼 ns，鲤鱼 当 LFSR 通过所有可能的位模式时 ，鲤鱼 生成的最大序列长度为 63。草鱼 其中 elk 为时钟 ，鲤鱼 z 为 LFSR 寄存器中的

37、内容 ，鲤鱼 y 为 LFSR的输出 。草鱼 草鱼 9 草鱼 2 草鱼 基于 FPGA 的二进制数字通信平台 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 为了更加清晰地展现 FPGA 的加密过程 ，鲤鱼 本文将为 FPGA 加密过程搭建一个基于 FPGA 的二进制数字通信平台 。草鱼 通过这一平台 ，鲤鱼 可以实现数字信号的加密 、pork 解密过程 ，鲤鱼 也能更加深入地了解 FPGA 器件的有关功能以及 VHDL 的编程方法 。草鱼 2 1 草鱼 FSK 调制通信平台设计 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 FSK 信号的产生方法主要有两种 ： pork 第一种方法是用二进制基带矩形脉冲去调制一个调频器 ，鲤鱼 使其输出

38、两个不同频率 的码元 。草鱼 这种方法产生的调频信号是相位连续的 ，鲤鱼 虽然实现方法简单 ，鲤鱼 但频率稳定度不高 ，鲤鱼 同时频率转换速度不能做得太快 ，鲤鱼 但是其优点是由调频器所产生的 FSK 信号在相邻码元之间的相位是连续的 。草鱼第二种方法是用一个基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出 ，鲤鱼 由于是独立的频率源 ，鲤鱼 所以信号频率稳定度可以做的很高并且没有过渡频率 ，鲤鱼 它的转换速度快 ，鲤鱼 波形好 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 FSK 调制方框图如图 3 所示 。草鱼 草鱼 草鱼 基于 FPGA 的 FSK加密通信 草鱼 草鱼 草鱼 草 鱼草鱼 2 2

39、 草鱼 FSK 解调通信平台设计 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 二进制 FSK 信号常用的解调方法是采用非相干解调法和相干解调法 ，鲤鱼 除此之外 ，鲤鱼 FSK 信号还有其他的解调方法 ，鲤鱼 比如鉴频法 、 pork 过零检测法及差分检测法 FSK 解调方框图如图 5 所示 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 FSK 解调 VHDL 程序仿真图如图 6 所示 。草鱼 草鱼 10 草鱼 3 草鱼 基于 FPGA 加密技术的 FSK 数字通信系统 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 数字通信传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号单元 ，鲤鱼 因此接收端必须按与发送端相同 的节拍接收 。草鱼 否则 ，鲤鱼

40、 会因收发节拍不一致而使接收性能变坏 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 FSK 数字通信系统模型如图 7 所示 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 FSK 数字加密通信系统 Quartus原理框图如图 8 所示 。草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 基于 FPGA 的 FSK 数字加密通信系统 Quartus仿真框图如图 9 所示 。草鱼 草鱼 草鱼 在通信领域 ，鲤鱼 经常需要将基带信号进行某种调制 ，鲤鱼 使其适合于信道传输 。草鱼 FSK、porkK 即为常用的两种数字调制方式 。草鱼 传统模拟调制系统中大量采用分 立元件 ，鲤鱼 体积较大 ，鲤鱼 电路复杂 。草鱼 由于模拟

41、元件自身参数的 .草鱼 在通信领域 ，鲤鱼 经常需要将基带信号进行某种调制 ，鲤鱼 使其适合于信道传输 。草鱼 FSK、porkK 即为常用的两种数字调制方式 。草鱼 传统模拟调制系统中大量采用分立元件 ，鲤鱼 体积较大 ，鲤鱼 电路 复杂 。草鱼 由于模拟元件自身参数的离散性和受环境温度 、 pork 湿度等因素影响 ，鲤鱼 导致系统稳定性较差 。草鱼 本文提出了一种基于 DDS 技术的 FSK K 调制的数字实现方法 ，鲤鱼 提高了系统的稳定性 ，鲤鱼 克服了模拟调制的弊端 。草鱼 1 草鱼 FSK K 调制原理 草鱼 频移 键控 (Frequency 草鱼 Shift 草鱼 Keying，鲤鱼 FSK)，鲤鱼 是利用载波的频率参量来携带数字信息的调制方式 。草鱼 常用的是二进制频率键控信号 ，鲤鱼 即 2FSK，鲤鱼 用载频 w1 表示数字信息 “ 1” ，鲤鱼 用载频 w2 表示数字信息 “ 0” ，鲤鱼 而 w1 和 w2 之间的变化是瞬间完成的 。草鱼 草鱼 草鱼 相移键控 (Phase 草鱼 Shift 草鱼 Keying，鲤鱼 K)，鲤鱼 它是受键控的载波相位按数字基带脉