刘阳阳-基于FPGA的ASK调制解调器的设计.doc

本科毕业论文（设计、创作）题 目： 基于FPGA的ASK调制解调器的设计 学生姓名： 刘 阳 阳 学号： 120102018 所在院系： 电子电气工程学院 专业： 电子科学与技术 入学时间： 2012 年 9 月导师姓名： 刘 同 怀 职称/学位 讲 师/副 教 授 导师所在单位： 安徽三联学院 完成时间： 2016 年 6 月安徽三联学院教务处 制安徽三联学院毕业论文基于FPGA的ASK调制解调器的设计摘要：随着当今科学技术的快速发展, 调制解调技术作为一项现代通信系统的关键技术，也一直是人们研究的重要方向之一。在数字传输系统中，数字信号把高频载波进行调制，使它变成频带信号，之后又在接收端进行解调，使其恢复原数字信号对载波的控制,就可以使用振幅调制即振幅键控（ASK）来实现。现场可编程门阵列（FPGA）在通信领域实现了普遍的应用，利用FPGA性能优越、使用方便的特点，可以实现振幅调制解调电路设计的简化，而且方便于程序的反复编写和修改。基于FPGA的ASK调制解调器的特点有：外围电路简单，效率高，执行速度快，实用性高等。因此，本文着重介绍了通过对VHDL语言的运用以及ASK相关知识的学习，用VHDL语言进行程序编写和软件仿真来完成基于FPGA的ASK调制解调器的设计。要求设计出相应硬件设计的电路原理图和软件程序设计并且得到仿真结果，完成二进制基带数字信号的调制和解调，并得到相应的调制信号和解调信号，从而完成基于FPGA的ASK调制解调器的设计。关键词：现场可编程门阵列; 振幅键控; VHDL; 调制解调ASK the modem design based on FPGAAbstract: With the rapid development of science and technology, modulation and demodulation technology is the key technology of a modern communication system, has also been one of the important research direction of the people. In digital transmission system, digital signal to high frequency carrier modulation and make it a signal frequency band, and later in the receiver demodulation, to restore the original digital signal to the carrier control, you can use amplitude modulation Amplitude Shift Keying (ASK). Field Programmable Gate Array (FPGA) in the field of communication realized universal application, using FPGA performance is superior, convenient to use, can realize the simplification of amplitude modulation and demodulation circuit design, and convenient to program repeatedly write and modify. The characteristics of ASK modem based on FPGA: a simple peripheral circuit, high efficiency, fast implementation, higher practicability. Therefore, this paper focuses on the use of the VHDL language and ASK related knowledge of learning, using VHDL language programming and software simulation to achieve the ASK based FPGA modem design. Design requirements the corresponding hardware design of the circuit principle diagram and the software program design and the simulation results are obtained, complete binary baseband digital signal modulation and demodulation, and get the corresponding modulation signal and demodulation signal, which based on FPGA ask modem design.Keywords：FPGA；ASK；VHDL；modulatoranddemodulator2安徽三联学院毕业论文目 录1.前言41.1课题研究的背景与意义41.1.1 通信的背景与意义41.1.2 ASK的背景与意义41.2本课题的结构及主要工作52.ASK调制解调系统的原理62.1 ASK调制的原理62.2 ASK解调的原理72.3 ASK的功率谱密度92.4 ASK系统的抗噪声性能93.软件平台介绍113.1 Quartus软件113.2 VHDL简介113.3 FPGACPLD简介133.4 ASK调制与解调系统的设计流程143.5 基于VHDL的ASK调制系统的仿真与分析153.6 基于 VHDL 的 ASK 解调系统的仿真与分析174.总结19参考文献20谢辞21附录22附录一22附录二23241.前言1.1课题研究的背景与意义1.1.1 通信的背景与意义“通信”一词按照我们传统的理解就是信息的传输1。通信就是为了传递消息中所包含的信息。事实上，通信是让信息进行时空转移，也就是把消息从甲方传送到乙方。在此认识的基础上可以说，“通信”就是“信息传输”或“消息传输”。古往今来可以进行通信的方式和手段有很多种，比如说肢体语言、旌旗、烽火台和击鼓传令，还有现代社会的电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、互联网和计算机通信等，这些都是消息传递的方式和信息交流的手段1 。随着人类的文明和科学技术的发展，电信技术的发展也是蒸蒸日上。如今，在自然科学领域涉及“通信”时，一般都是指“电通信”。现代通信系统的通信一般都是远距离的传输，还有很大的通信通信容量和很好的传输质量。作为其关键技术之一的调制解调技术也是人们研究的一个重要方向，通过调制不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，而且它对系统传输的有效性和可靠性有着很大的影响1。从模拟调制到数字调制，再从二进制发展到现在的多进制调制，虽然说调制方式变得多种多样，但最终的目的都是想使通信系统向更高速、更可靠的方向发展。1.1.2 ASK的背景与意义ASK（Amplitude Shift Keying）叫作振幅键控。它是根据控制信号的不同来去调节正弦波的幅度。因此，可以使用开关电路和乘法器来实现幅度键控。数字信号为1或者为0时可以控制载波信号的通或断：也就是数字信号为1时，载波信号接通，然后传输信道上会有载波出现；数字信号为0时，载波信号断开，此时传输信道上没有载波传送。我们可以依据接收端载波的有无还原出数字信号1或者0。幅移键控法(ASK)的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断，可称作开关键控法2。作为一种既简单高效便捷、易于实现, 又在通信领域中有着其特殊的地位的振幅键控，在基于ASK的通信系统的研究与应用中也是许多研究项目的一大热点3。现实应用中，大型、复杂的系统直接进行实验的话代价是非常昂贵的，不仅费时费力费资源，而且所得实验结果也不是很直观，而通信系统设计研究就是这样非常复杂的技术。由于通信系统设计研究的复杂性，在实验时通常为了节约实验成本，采用计算机仿真技术来进行系统分析和设计。但在实际的通讯过程当中也有许多的障碍，比如说有很多信道都是不能直接传送基带信号的,必须要借用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，让这些被控制的参量随基带信号的变化而变化，这样的方法就是正弦载波调制。1.2本课题的结构及主要工作本课题是研究设计基于FPGA的ASK调制解调器，实现数字信号对载波的调制和解调，熟练使用开发软件Quartus II自行编写程序，并熟练掌握数字信号载波调制解调的基本方式。尽量设计出ASK调制解调器的总体最优方案，并且还要满足外围电路简单、效率高、执行速度高、实用性高等这些特点，从而实现简化系统调制解调器设计的目的。在简化系统的前提下，根据系统的总体功能与硬件特性，设计出总体执行框图。根据EDA技术的语言特点，进行相关的具体语言设计，确保系统的解调结果跟调制前的结果一致，按要求进行波形仿真与调试,从而完成调制解调器的设计任务。本课题最为重要的还是要求设计出一种基于FPGA技术实现的ASK调制解调器硬件方案设计及软件设计。2.ASK调制解调系统的原理2.1 ASK调制的原理数字幅度调制又称振幅键控（ASK），也可以叫作 “开关键控”所以又记为OOK。二进制幅度键控也经常写成 2ASK。振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而频率和初始相位保持不变1。二进制振幅键控（2ASK）因为调制信号只有0或1两个电平，所以它们相乘的结果就相当于将载频要么断开要么接通。由此可见，实际上二进制振幅键控的意义是当调制的数字信号为“1”时有载波进行传输，当调制的数字信号为“0”时无载波传输。载波信号一般用余弦信号表示，而调制信号是把数字序列转换成单极性的基带矩形脉冲序列，而这个通断键控的作用就是把这个输出与载波相乘，就可以把频谱搬移到载波频率附近实现振幅键控（ASK）。OOK信号的一般表达式为： Acoswct 以概率P发送“1”时eOOK(t) = （2.1-1） 0 以概率1-P发送“0”时典型波形图如图2.1所示。可看出载波在二进制基带信号s(t)的控制下通断的变化情况。图2.1 2ASK/OOK信号时间波形一般得2ASK信号表达式可写为： e2ASK(t)=s(t)coswct (2.1-2)其中 s(t)=nan g ( t-nTs ) (2.1-3)式中：Ts为码元持续时间；g(t)为持续时间为T的基带脉冲信号。为了方便，一般设矩形脉冲g(t)的高度为1、宽度为Ts；an是第n个符号的电平取值，若取 an=1 概率为p0 概率为1-p （2.1-4）则相对应的2ASK信号就可以看作OOK信号。2ASK/OOK信号的产生方式一般有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法1，如下图2.2（a）就是一般的模拟幅度调制的方式-模拟相乘法，使用乘法器实现的；图2.2（b）是数字键控法，开关电路受基带信号s(t)的控制。图2.2 2ASK/OOK信号调制器原理框图1、乘法器利用乘法器实现ASK的基本原理与传统的模拟电路如图2.2（a），就是将基带信号s(t)和载波信号coswet相乘就能得到我们要输出的调制信号。乘法器是用来进行频谱搬移的，相乘后的信号通过带通滤波器过滤掉高频谐波和低频干扰，最后输出的信号就是振幅键控信号。2、开关键控开关键控就是一个选通开关电路。选通信号的一端是调制信号，另一端接地。选通控制信号相当于基带信号。设置当基带信号为“1”时，选通正弦调制信号；当基带信号“0”时，选通接地。因为我们得到的振幅键控的输出波形是断续的正弦波，所以也称为开关键控（OOK）调制，常见的实现方法是用一个开关控制载波振荡器的输出来得到调制信号的输出。2.2 ASK解调的原理与AM信号的解调方法一样。2ASK/OOK信号的解调方法也有两种：包络检波法和同步检测法，也是非相干解调和相干解调。1、非相干解调法（包络检波法）包络检波法的原理方框图如图2.3所示。带通滤波器正好使ASK信号完整地通过经包络检测后输出包络。低通滤波器可以滤除高频杂波，使基带信号包络通过。抽样判决器中包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲位同步信号的脉冲宽度很窄，一般都在每个码元的中间位置，它的重复周期与码元的宽度相等。带通滤波器的输出就是ASK信号（不计噪声影响），包络检波器输出为s(t)，经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列4带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2teASKabcd图2.3 非相干解调法原理框图2、相干解调法（同步检波法）接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，我们称其为同步载波或相干载波3。用同步载波与收到的已调信号进行相乘，再经低通滤波器滤除第二项高频分量后，即可输出s(t)信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。在此过程中由于噪声影响及传输特性不是很理想，导致低通滤波器输出波形有失真现象，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲4。带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2teASKtcwcos图2.4 相干解调法原理框图下图2.5给出了2ASK/OKK信号的非相干解调过程的时间波形。虽然2ASK信号中存在着载波分量，可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波,但这样的话会使接收设备变得复杂。因此，在实际应用时极少采用相干解调法来解调2ASK信号5。图2.5 2ASK/OKK信号的非相干解调过程的时间波形2.3 ASK的功率谱密度因为2ASK信号是随机的功率信号，所以它的功率频谱密度在其频谱特性里显的尤为重要。如图2.6中给出的2ASK信号的功率谱密度示意图图2.6 2ASK信号的功率谱密度示意图观察图2.6可知2ASK信号的功率谱组成是连续谱和离散谱。连续谱取决于线性调制后的矩形脉冲g(t)的双边带谱，而离散谱是由载波分量来确定。基带信号带宽是2ASK信号带宽的一半，要是只计算功率谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有式中fs = 1/Ts也就是说2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍6。2.4 ASK系统的抗噪声性能2ASK是20世纪初最早运用于无线电报中的数字调制方式之一。从上面ASK解调原理中我们也可以看出，ASK传输受噪声影响很大。因此通信系统的抗噪声性能在通信中就显得尤为重要。通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信系统中，信道噪声可能会使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。因此，与分析数字基带系统的抗噪声性能一样，分析数字调制系统的抗噪声性能，也就是求系统在信道噪声干扰下的总误码率。知道了系统通信时在信道中的误码率，就可以选择合适的通信系统来进行通信。同步检测法的抗噪声性能跟包络检波法的抗噪声性能，在信噪比相同时前者优于后者；但是在大信噪比时，两者的性能差距不大。图2.7 同步检测法的系统性能的分析模型如下图2.8包络检波法的系统性能分析模型，仅仅只需将相干解调器替换为包络检波器即相乘器换成整流器。带通滤波器整流器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出tcwcos2发送端信道)(tsT)(tni)(tyi)(ty)(txeP图2.8 包络检波法的系统性能分析模型3.软件平台介绍3.1 Quartus软件Quartus是由Altera公司研发提供的可编程逻辑器件的集成开发软件，是前一代可编程逻辑器件的集成开发软件MAX+plus的更新换代产品6。Quartus集成开发软件支持可编程逻辑器件开发的整个过程，它提供了一种与器件结构无关的设计环境，能使设计者很方便的进行设计输入、设计处理和器件编程。Quartus软件集成了Altera的FPGACPLD开发流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口2，使它变得功能强大、界面友好、使用便捷。Quartus集成开发软件的核心是模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析与综合器（Analysis Synthesis）、适配器（Fitter）、装配器（Assembler）、时序分析器（Timing Analyzer）、设计辅助模块（Design Assistant）及EDA网表文件生成器(EDA Net list Writer)等7。可编程逻辑器件所有的开发过程包括：设计的输入、综合、布线布局、验证仿真，以及可编程逻辑器件的编程和配置。时序逼近工程更改管理调试功耗分析编程和配置仿真时序分析布局布线综合设计输入图3.1 Quartus软件的具体开发流程73.2 VHDL简介VHDL是超高速集成电路硬件描述语言的英文简称，它的英文全称为Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,诞生于1982年8。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部认证为标准的硬件描述语言。但是从IEEE-1076（简称87版)后，有的EDA公司相继推出独立自主的VHDL设计环境，有的宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。1993年，IEEE对VHDL进行了修改和订正，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，并公布了最新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，简称93版9。VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，在电子工程领域,得到众多EDA公司的青睐，现在VHDL和Verilog已成为最通用硬件描述语言。硬件描述语言是数字电路的描述方法之一，它利用文本方式来描述电路输入和输出之间的关系。作为硬件描述语言的一种，由VHDL编写的源代码最终还必须转换成网表文件，这个转换工作是利用计算机来完成的。任意一种硬件描述语言的的基本格式包括：输入、输出的定义；输出如何响应输入的定义（工作原理）两个基本要素。标题例如2个输入与门的VHDL描述输入和输出的定义 a输出如何响应输入的定义y b图3.2 用电路图描述输入与输出的关系 图3.3 硬件描述语言的通用程序格式程序示例：-2个输入门的VHDL语言描述 ENTITY and_gate IS -定义程序名 PORT （a,b: IN BIT; -定义输入端口 y: OUT BIT）; -定义输出端口 END and_gate; -实体结束语句 architecture first OF and_gate IS -定义结构体 BEGIN -开始电路功能描述 y=3的时候则判定解调信号输出为1，否则为0。图3.13中的解调信号为101010011同输入信号1010100110进行对比可以看出解调信号和输入信号x基本相同，所以本模块的仿真相当成功。4.总结以上这些是我对基于FPGA的ASK调制解调器设计，选取了FPGA芯片结合VHDL语言，在Quartus软件平台上进行仿真研究以探究ASK的解调波形是否与调制波形相符。考虑到实际硬件的要求对此次仿真所采用的时钟周期为1us即时钟频率1MHz，而仿真结果与预期基本相同，即在FPGA上实现ASK的调制功能是完全可行的。在对ASK的解调模块设计时，为使结果更直观，对解调时钟采用与调制信号相同的时钟频率，并且将调制部分输出的调制信号作为解调部分的输入信号，对此信号进行解调，同时将解调信号与基带信号进行对比，以判断解调模块是否能按预期将基带信号还原。仿真结果符合预期，本次设计的ASK调制与解调系统运行稳定，在FPGA上实现ASK的解调也是完全可行的，本次对基于FPGA的ASK调制解调器的设计获得了比较满意的成果。参考文献1 樊昌信.曹丽娜.通信原理：精编本/樊昌信，曹丽娜(第六版)M.北京国防工业出版社，2015.22 樊昌信.张甫翊.徐炳祥.吴成柯.通信原理（第五版）M.北京：国防工业出版社.20013 苗长云.沈保锁.窦晋江.现代通信原理及应用（第二版M.北京：电子工业出版社 2009.84南利平.王亚飞.通信原理简明教程M.北京：清华大学出版社.20075 聂朝辉.现代移动通信技术M北京：国防工业出版社.2005.8.16 周景润.苏良碧.基于Quartus II 的FPGA/CPLD数字系统设计实例（第二版）.M.北京:电子工业出版社，2013.17 周景润.姜攀. 基于Quartus II的数字系统Verilog HDL设计实例详解（第二版）M.北京:电子工业出版社，2014.18 陈新华.EDA 技术与应用 M.机械工业出版社 ,2008.89 侯伯享.顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计（修定版）M.西安：西安电子科技大学出版社.2006.1210VHDLLanguageReferenceGuide.AldecInc.HendersonNVUSA.J199911潘松.黄继业.EDA技术与VHDLM.北京：清华大学出版社.200712 黄智伟.FPGA系统设计与实践M.北京：电子工业出版社.200513 王祺皓. Design and Implementation of FPGA Based If Multi-Channel Communication Platform .M.上海:上海交通大学出版社. 2011谢辞 大学的时光一步步接近尾声，在这最后的时间里做一篇毕业论文，让这美好的大学生活完美结束。在论文选完题之后我们的指导老师刘同怀老师，给我们讲了各个选题的工作，引导我们的思路给我们的论文准备打下了坚实的基础。虽说在实习的时候只能用一些零散的时间来构思论文，又遇到了很多新的的问题，有些问题经过自己查阅相关资料可以解决，但有些问题自己实在解决不了就咨询刘老师。在此次论文的程序方面具有很强的专业性，也多亏了刘同怀老师和负责实验室的蔡云老师的指教，给我们提供软件平台，以便于我们能在远离学校的情况下完成任务。在这里我非常感谢指导老师刘同怀老师，蔡云老师以及我的同学们，帮助我完成了这次的毕业设计的论文选题与构思方面的引导，在校期间又利用学校的实验室进行程序的编写与运行，最终得出结果。没做论文之前，我们学的知识都很散乱没有一个系统，这次论文的撰写把我们学到的东西都贯穿起来，让我意识到我所了解的只是皮毛，还有更深层次的内容等待着我们去了解。附录附录一1.基于FPGA的ASK调制系统程序LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY PL_ASK IS PORT(clk :in std_logic; -系统时钟 start :in std_logic; -开始调制信号 x :in std_logic; -基带信号 y :out std_logic); -调制信号 END PL_ASK; ARCHITECTURE BEHAV OF PL_ASK IS signal q:integer ran