基于SOPC的FSK数字调制与解调器湖南工程学院应用技术学院

湖南工程学院应用技术学院毕业设计论文题 目： 基于 SOPC 的 FSK 数字调制与解调器 研究与实现 专业班级： 电子信息工程 1281 学生姓名： 杨浩然 学 号： 05 完成日期： 2016 年 5 月 24 日 指导教师： 贺富朋 讲师 评阅教师： 陈军根 讲师 2016 年 6 月 湖南工程学院应用技术学院毕业设计诚 信 承 诺 书本人慎重承诺和声明：所撰写的基于 SOPC 的 FSK 数字调制与解调器是在指导老师的指导下自主完成，文中所有引文或引用数据、图表均已注解说明来源，本人愿意为由此引起的后果承担责任。设计(论文)的研究成果归属本人和学校所有。学生(签名)年 月 日湖 南 工 程 学 院 应 用 技 术 学 院毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书设计（论文）题目： 基于 SOPC 的 FSK 数字调制与解调器研究与实现 姓名 杨浩然 专业 电子信息工程 班级 1281 学号 05 指导老师 贺富朋 职称 讲师 教研室主任 陈军根 一、 基本任务及要求：利用 SOPC 技术，设计一套 FSK 数字通信传输系统，要求建立 MFSK 的 SOPC 技术实现模型，主要完成 2FSK 调制器与解调器的编程，并通过软件仿真，且通过硬件实现与测试。重点研究内容：MFSK 的实现原理； SOPC 实现 2FSK 调制模型。 二、 进度安排及完成时间：第 1-3 周 查阅资料、撰写文献综述及开题报告 第 4-5 周 原理框图、总体方案设计 第 6-9 周 软、硬件部分设计 ,调试结果 第 10-11 周 撰写毕业设计说明书 第 12 周 指导老师检查毕业设计说明书 第 13 周 修改、装订毕业设计说明书、指导老师评阅 第 14 周 毕业设计答辩 基于 SOPC 的 FSK 数字调制与解调器研究与实现目 录摘 要: .2ABSTRACT： .3第一章 绪论 .11.1 历史发展： .11.2 基本定义 .11.3 基本原理 .21.4 主要研究内容 .2第二章 调制与解调器研究与实现 .32.1 概述 .32.2 二进制频移键控（FSK）的调制与解调 .32.2.1 FSK 信号的产生 .32.2.2 直接调频法 .32.2.3 频率键控法 .42.3 FSK 信号的解调 .62.3.1 同步解调法 .62.3.2 包络解调法 .62.3.3 过零检测法 .72.4 Verilog HDL 和 VHDL 简介 .7第三章 系统总体方案设计与 FPGA 设计开发 .93.1 FPGA 设计流程 .93.2 调制器设计 .113.2.1 调制原理 .113.2.2 调制器子模块设计 .133.2.3 调制程序 .173.2.4 调制程序仿真图及注释 .193.3 解调器设计 .203.3.1 解调原理 .203.3.2 解调器子模块设计 .223.3.3 MFSK 解调程序 .263.3.4 解调程序仿真图及注释 .28第五章 结论 .30参考文献 .31致 谢 .32基于 SOPC 的 FSK 数字调制与解调器研究与实现基于 SOPC 的 FSK 数字调制与解调器研究与实现摘 要:一直以来调制解调器都是学校数字信号调制教学的重点内容。但学生实验室中的 2FSK 调制与解调器采用整体电路的方式进行设计，电路板体积较大且灵活性较差。而此次毕业设计，按照各部分电路的不同功能，将 2FSK 调制与解调系统中的电路进行模块化，每个模块都设计出参数各异的小模块电路。关于信号的调制，有两种常用的方法，分别是直接调制和间接调制，其中间接调制则采用频移键控方法，直接调频则采用压控振荡法。信号的解调总体也可以分为两种方式，相关解调和非相干解调。在本次毕业设计当中，非相干解调使用了过零检测法，相干解调则采用了锁相解调法。使得用户在使用时，可根据需求，选择相应的模块进行拼接，从而完成不同方式、参数的 2FSK 调制解调器，这比传统的 2FSK 调制与解调器更加灵活和实用，也能使学生的动手能力得到很好的锻炼。关键词：数字调制与解调；调制与解调方式；FSK；SOPC基于 SOPC 的 FSK 数字调制与解调器研究与实现Based on the SOPC FSK digitalmodulation and modemABSTRACT：Modulation technology can be divided into analog modulation technology and the digital modulation technology, the main difference is: analog modulation is for continuous modulation of carrier frequency shift keying (2FSK) and phase-shift keying (2FSK) three ways, signal of certain parameters, at the receiving end of carrier signal modulation parameters for valuation, and the digital modulation is with some discrete state to represent the carrier signal transmitted information,only to the carrier signal at the receiving end of discrete modulation parameters for testing. And analog modulation system of amplitude modulation, frequency modulation and phase modulation, digital modulation system has amplitude keying (2FSK), including phase shift keying modulation method have strong ability to resist noise.Keywords：Digital modulation; demodulation method; FSK; SOPC基于 SOPC 的 FSK 数字调制与解调器研究与实现1第一章 绪论1.1 历史发展：Modem 起初是为 1950 年代的半自动地面防空警备系统（ SAGE）研制，用来连接不同基地的终端，雷达站和指令控制中心到美国和加拿大的 SAGE 指挥中心。SAGE 运行在专用线路上，但是当时两端使用的设备跟今天的 Modem 根本不是一回事。IBM 是 SAGE 系统中计算机和 Modem 的供货商。几年后美国航空(American Airlines)的首席执行官(CEO)与 IBM 一位区域经理的一次会晤促成了“mini-SAGE“这种航空自动订票系统。在这系统中，一个位于票务中心的 终端连接在中心电脑上，用来管理机票有效性和时间。这个系统，叫做 Sabre，是今天 SABRE 系统的早期原型。1960 年代早期，商业计算机的应用逐渐普及，以及上述技术成果，1958 年 AT&T 发布了第一个商业化 modem, Bell 103. 使用两个音调表示 1 和 0 的移频键控技术，103 已经能够实现 300 bit/s 的传输速度。很短时间后继版本 Bell 212就研制出来，转移到更稳定的移项键控技术把数据速率提高到 1200 bit/s。类似Bell 201 的系统用双向信号集在 4 对专用线路上实现了 2400 bit/s。贺氏智能 Modem 是一个重大的进步，1981 年贺氏通讯研制成功。智能Modem 是一个简单的 300bpsModem，使用的是 Bell103 信令标准，内置了一个小型控制器，可以让计算机发送命令来控制电话线，例如摘机，拨号，重拨，挂机等功能。在智能 Modem 之前，几乎所有的 Modem 都需要两个步骤来产生一个连接：第一步，人工在电话机上拨叫对方的号码，然后将听筒放在 Modem 附带的acoustic coupler 里，一个用两个橡胶杯组成的用来在声音信号和电信号之间转换的设备。使用智能 Modem 就不再需要 acoustic coupler，而是直接将 modem连接在标准电话线或插座上。然后电脑就能自动完成接通电话并拨叫号码的功能。1.2 基本定义调制解调器是 Modulator（调制器）与 Demodulator（解调器）的简称，中文称为调制解调器（港台称之为数据机），根据 Modem 的谐音，亲昵地称之为“猫”。它是在发送端通过调制将数字信号转换为模拟信号，而在接收端通过解调再将模拟信号转换为数字信号的一种装置。所谓调制，就是把数字信号转换成电话线上传输的模拟信号；解调，即把模拟信号转换成数字信号。合称调制解调器。调制解调器的英文是 MODEM，它的作用是模拟信号和数字信号的“翻译员”。电子信号分两种，一种是“ 模拟信号“ ，一种是“数字信号“。我们使用的电话线路传输的是模拟信号，而 PC 机之间传输的是数字信号 。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入 Internet 时，就必须使用调制解调器来“ 翻译“两种不同的信号。连入 Internet 后，当 PC 机向 Internet 发送信息时，由于电话线传输的是模拟信号，所以必须要用调制解调器来把数字信号“ 翻译“ 成模拟信号，才能传送到 Internet 上，这个过程叫做“ 调制“。当 PC 机从 Internet 获取信息时，由于基于 SOPC 的 FSK 数字调制与解调器研究与实现2通过电话线从 Internet 传来的信息都是模拟信号，所以 PC 机想要看懂它们，还必须借助调制解调器这个“翻译” ，这个过程叫作“解调”。总的来说就称为“ 调制解调”。1.3 基本原理一般人的语音频率范围是 3003400Hz，为了进行话音信号在普通的电话系统中传输，在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取 4KHz 为一个标准话路所占用的频带宽度。在这个传输过程中：语音信号以 3003400Hz 频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，这个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。计算机内的信息是由“0”和 “1”组成数字信号，而在电话线上传递的却只能是模拟电信号。不采取任何措施利用模拟信道来传输数字信号必然会出现很大差错（失真），故在普通电话网上传输数据，就必须将数字信号变换到电话网原来设计时所要求的音频频谱内（即 300Hz3400Hz）。调制就是用基带脉冲对载波波形某个参数进行控制，形成适合于线路传送的信号。解调就是当已调制信号到达接收端时，将经过调制器变换过的模拟信号去掉载波恢复成原来的基带数字信号。采用调制解调器也可以把音频信号转换成较高频率的信号和把较高频率的信号转换成音频信号。所以调制的另一目的是便于线路复用，以便提高线路利用率。基于载波信号的三个主要参数，可以把调制方式分为三种：调幅、调频和调相。1.4 主要研究内容利用 SOPC 技术，设计一套 FSK 数字通信传输系统，要求建立 MFSK 的SOPC 技术实现模型，主要完成 2FSK 调制器与解调器的编程，并通过软件仿真，且通过硬件实现与测试。重点研究内容：MFSK 的实现原理； SOPC 实现 2FSK 调制模型。基于 SOPC 的 FSK 数字调制与解调器研究与实现3第二章 调制与解调器研究与实现2.1 概述随着电子计算机的普及，数据通信技术正在迅速发展。数字频率调制是数据通信中常见的一种调制方式。频移键控（FSK）方法简单，易于实现，并且解调不须恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强。因此，FSK 调制技术在通信行业得到了广泛地应用，并且主要适用于用于低、中速数据传输。 数字频率调制又称频移键控（FSK） ，二进制频移键控记作 2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK 信号便是符号“ 1”对应于载频 f1，而符号 “0”对应于载频 f2（与f1 不同的另一载频）的已调波形，而且 f1 与 f2 之间的改变是瞬间完成的。 设计目的：熟练地掌握 matlab 在数字通信工程方面的应用；了解信号处理系统的设计方法和步骤；理解 2FSK 调制解调的具体实现方法，加深对理论的理解，并实现 2FSK 的调制解调，画出各个阶段的波形；学习信号调制与解调的相关知识；通过编程、调试掌握 matlab 软件的一些应用，掌握 2FSK 调制解调的方法。2.2 二进制频移键控（FSK）的调制与解调频移键控（FSK）使用不同频率的载波来传送数字信号，用书自己带信号控制载波信号的频率。二进制频移键控用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平。接收端收到不同的载波信号在进行逆变换成为两个数字信号，完成信息传输过程。 2.2.1 FS