1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 FPGA的通用调制解调器的设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 当 今电子系统的设计的一个趋势是以大规模 FPGA 为物理载体，以硬件描述语言为主要设计手段，借助以计算机平台的 EDA工具来进行。 数字调制与模拟调制相比，其原理并没有什么本质的区别。不过，模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端则对载波信号的调制参量进行连续的估值；而数字调制是用载波信号的某些离散取值来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。 本文介绍了一种通用数字调制解调器， 根据数
2、字信号调制和解调的工作原理 ， 采用层次化、模块化的方法设计了一种基于 FPGA 芯片的调制解调器 。 该调制解调器程序利用 Quartus工具软件完成了编译， 仿真和电路综合。 同时对 ASK、FSK、 PSK调制信号的实 现进行了较详细的介绍。 该方法可以及时发现子模块和系统中的错误并加以修改，提高了系统设计的效率，以实现 信息能高效传输的目的。 关键词： FPGA;调制解调；数字调制技术；现代通信原理 - 2 - Abstract The design of todays electronic system is a trend in large-scale FPGA as physic
3、al carrier, in the hardware description language as the main design tool, with the help of computer platforms EDA tools. Compared to the digital modulation and analog modulation, the principle is no essential difference. However, the analog modulation is the carrier signal modulated continuous param
4、eters, the receiver carrier signal is modulated on a continuous valuation parameters; and digitally modulated carrier signal is used to characterize certain discrete values of the transmitted information Also at the receiving end as long as the carrier signal detected discrete modulation parameters.
5、 This article describes a general modem, according to the working principle of digital signal modulation and demodulation. In the hierarchical, modular approach yo design modem which based on FPGA chip. The modem procedure use Quartus to complete the compilation, simulation and circuit synthesis. Me
6、anwhile, introducing the realization of ASK, FSK, PSK modulated signals detailed. The method can find the errors of sub-module and system in time and improve the efficiency of the system design to achieve the purpose of transport the information efficiently. Key Words:FPGA; modulation and demodulati
7、on; digital modulation techniques; modern communication theory - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 调制解调器实现方案 .2 2.1 设计任务 .2 2.2 实现方案 .2 2.1.1 基于 DSP 技术实现的通用调制解调器 .2 2.1.2 基于 FPGA 实现的通用调制解调器 .2 3 基于 VHDL 语言的调制解调器的设计 .4 3.1 ASK 调制解调 .4 3.1.1 ASK 调制 .5 3.1.2 ASK 解调及设计方案 .5 3.2 FSK 调制和解调 .7 3.2.1 FSK 调制 .8 3.2.2 FSK 解调
8、 .9 3.3 PSK 调制和解调 . 11 3.3.1 CPSK 调制 . 11 3.3.2 CPSK 解调 .13 3.3.3 DPSK 调制 .14 3.3.4 DPSK 解调 .16 3.4 选择译码器 .17 4 结论 .18 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .19 附录 1 系统实物图 .20 - 1 - 1 引言 调制解调器，是一种计算机硬件，它能把计算机的数字信号通过调制，变为频带信号，通过信号传输，被线路另一端的调制解调器接收， 并解调恢复成数字信号。 所谓调制，就是把数字信号转换成便于传输的模拟信号；解调，即把模拟信号转换成数字信号。正是通过这样一个“调制”与“
9、解调”的数模转换过程，从而实现了两台计算机之间的远程通讯。 数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调制类似，它同样可以控制正弦振荡的振幅，频率和相位的相对变化。但由于数字信号的特点 时间和取值的离散型，使受控参数离散化而出现“开关控制”，称为“键控法” 振幅键控 (ASK)：用数字调制信号控制载波的通断。如在二进制中 ,发 0时不发送载波 ,发 1时发送载波。有时也把代表多个符号 的多电平振幅调制称为振幅键控。振幅键控实现简单，但抗干扰能力差。 移频键控 (FSK)：用数字调制信号的正负控制载波的频率。当数字信号的振幅为正时载波频率为 f1，当数字信号的振幅为负时载波频率为 f2。有时也把代表
10、两个以上符号的多进制频率调制称为移频键控。移频键控能区分通路，但抗干扰能力不如移相键控和差分移相键控。 移相键控 (PSK)：用数字调制信号的正负控制载波的相位。当数字信号的振幅为正时，载波起始相位取 0；当数字信号的振幅为负时 ,载波起始相位取180 。有时也把代表两个以上符号的多相制相位调制称为移 相键控。移相键控抗干扰能力强，但在解调时需要有一个正确的参考相位，即需要相干解调。 差分移相键控 (DPSK)：利用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化来传递信息。 - 2 - 2 调制解调器实现方案 2.1 设计任务 掌握二进制振幅键控（ ASK)、二进制移频键控 (FSK)、二进制相位键控
11、 (PSK)的解调和调制原理，对其进行 VHDL 的建模，通过程序的设计和仿真实现一个多功能调制调制器。 基本要求： （ 1）实现二进制振幅键控调制解调。 (ASK) （ 2）实现二进制频移键控调制解调。 (FSK) （ 3）实现二进制相位键 控调制解调。 (PSK) 2.2 实现方案 2.1.1 基于 DSP 技术实现的通用调制解调器 设计通用调制解调器，可以使用 DSP 芯片的方案，这种方案借鉴了软件无线电的思想实现。 DSP 是一种具有特殊结构的微处理器。 DSP 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构 ,具有专门的硬件乘法器 ,广泛采用流水线操作 ,提供特殊的 DSP 指令 ,可以用来
12、快速地实现各种数字信号处理算法。 通用 DSP 一般是按程序循序执行，其本质仍是串行构架，受到串行指令流的限制使得 DSP 不能达到很高的速度。而调制解调器单元中往往都要用到滤波器，直接频 率合成器，乘法器等需要高速时钟的器件。虽然 DSP 采用数据和程序分离的改进的哈佛结构，片内多重总线，采用流水线，分支预测等先进技术，但这些皆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中 DSP 往往不能达到使用的需求。 2.1.2 基于 FPGA 实现的通用调制解调器 FPGA 是一种高密度的可编程逻辑器件 ,内部有丰富的资源能配置成各种形式的电路。通过 FPGA 来实现调制解调功能具有规
13、模大处理速度快，执行效率高- 3 - 的优点， FPGA 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。 第一种方案为当前己采用的 DSP 芯片处理器的解决方案，其包含了一系列的软硬件开发技术。当前采用 DSP 处理器的解决方案愈来愈面临着不断增加的巨大挑战，因其自身的技术瓶颈，使得这种解决方案在 DSP 的许多新的应用领域中的道路越走越窄 ;后一种方案则是基于 EDA 技术与 FPGA 实现方式的，是现代电子通信技术发展的产物，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
14、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。显然我们采 用后面一种方案完成系统设计。即基于 EDA 与 FPGA 的开发技术，对数字调制解调器进行设计，使用 FPGA 代替通用 DSP 后不仅灵活性没有降低，性能却有极大的提高，且编程灵活，方便，简单，可多次重复编程，达到了节省硬件资源和高效率开发的特点。 - 4 - 3 基于 VHDL 语言的调制解调器的设计 3.1 ASK 调制解调 ASK信号的实现有两种方法，乘法器实现法和键控法。在乘法器实现法中，输入随机信息序列 Ak,经过基带信号形成器，产生波形序列，然后通过乘法器实现频谱搬移，经过带通滤波器来滤除 高频谐波和低频干扰，
15、最终得到振幅键控的调制信号信号 UASK(t)， 该原理图如图 3-1所示。 AK U(t) UASK(t) Cos2ft 图 3-1 ASK乘法器原理图 ASK 的实现采用键控调制方法是用一个电开关键来控制载波振荡器的输出而获得。如图 3-2 所示。这种调制方式是根据信号的不同，调节正弦波的幅度。幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在 数字信号 1 或 0 的控制下通或断，在信号为 1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为 0的状态下，载波被中断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的 1和 0。对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二
16、进制基带信号宽度的两倍。使用该方法更为准确 ,故选用二进制调制方式。 UASK(t) 图 3-2 ASK键控法原理图 幅移键控法 (ASK)的载波幅度是随着调制信号而变化的，最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断， 此时又可称作开关键控法 (OOK) 1。 多电平 MASK调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用， 基带信号形成器 带通滤波器 - 5 - 3.1.1 ASK 调制 ASK调制电路中，数字 载波信号通过对高频时钟信号进行分频产生得到，基带信号作为键控信号，对与门进行控制完成调制输出，该结构框图如图
17、3-3所示。 图 3-3 ASK调制器框图 如图 3-4所示： clk为时钟信号， start为其实信号， x为载波信号， y为输出信号。 图 3-4 ASK调制元器件图 ASK调制器仿真图如图 3-5所示：当 start信号为高电平时，进行 ASK调制；载波信号 f通过系统时钟进行 4分频获得。当输入为 1时，输出载波信号，当输入为 0时，输出为低电平信号。 图 3-5 ASK 调制器仿真图 3.1.2 ASK 解调及设计方案 在接收端， ASK 的解调方法同样也有两种，即同步解调和包络解调。前者属clk Start 分频器 载波 与门 输出信号 基带信号 - 6 - 于相干解调，后者属于非
18、相干解调。 图 3-6 为包络解调法的结构 图，其中的整流器和低通滤波器构成一个包络检波器。将调制信号加入高斯白噪声后经带通滤波器，再送入包络检波器，经过低通滤波器和抽样判决其后获得基带信号。 S（ t） 图 3-6 包络解调结构图 图 3-7 为相干解调器的结构图，由于在相干解调中相乘电路需要有相干载波，该载波必须从接收信号中获取，并且与接收信号的载波信号具有相同的频率以及相同的相位，因此这种方法比包络解调法复杂。 S（ t） 图 3-7 相干解调结构图 解调器包括分频器、计数器、寄存器和判决器等，其原理图如图 3-8所示。分频器对时钟信号进行分频得到与发射端数字载波相同的数字载波信号；寄存器的功能是在时钟上升沿到来时把数字 ASK信号存入寄存器中；计数器利用分频器输出的载波信号作为计数器的时钟信号，在其上升沿来到时，对寄存器中的 ASK载波个数进行计数，当计数值大于 3时，输出为“ 1”，否则输出为“ 0”；判决器则以数字载波作为判决时钟，对计数器输出信号进行抽样判决，并输出解调后的基带信号。 图 3-8 ASK解调器原 理图 带通滤波 相乘电路 低通滤波 抽样判决 clk 分频器 start 调制信号 寄存器 计数器 判决器 基带信号 带通滤波 全波整流 低通滤波 抽样判决
