[ARM作品] 【资料分享】基于FPGA的FSK调制解器器设计

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摘要
以往的移频键控调制解调器采用“固定功能集成电路+连线”方式设计，集成块多，连线复杂，容易出错，且体积较大。为解决上述问题，本文在EDA技术开发平台MAX+plus II上设计实现了一种新型的2FSK信号调制解调器,利用m序列的随机性和确定性来产生输入基带信号,用分频器把时钟信号分频成两个不同频率的信号。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MAX+plus II环境下的仿真结果。本设计采用的是Lattice公司的 FPGA 芯片，它有效地缩小了系统的体积，降低了成本，且电路简洁，增加了系统的可靠性。由于所用的器件在信号处理过程中有一定的延迟，所以不可避免的出现信号失真。这在实际应用中也是不可避免的。采用更好的调制解调方法和改进器件的信号处理速度可以使信号延迟得到改善。
关键字：现场可编程门阵列  移频键控  调制解调器  可移植性
Abstract
Themethod of integrated circuits of fixed function with lines had been adopted,but there are many integrated units, cmplicated lines, large volume in thissystem ,which makes errors easily. To resolve the problem, I design and achievea new FSK modem based on EDA technology development platforms of MAX+plus II,and use pseu-do-randomsequence to generate the importation of base-band signal,with crossoverfrequency of the clock signal into two different frequency signals.Provideddetails on the FPGA-based FSK signal generator design and simulation resultswith VHDL source code provided in theMAX+plus II environment.Because those devices used in the system always delay during the signalprocessing process, it is inevitable that the signal would be distortion. It isalso inevitable in the practical application. In order to improve the system,using better modulation methods and improving the signal processing speed ofthe devices are helpful.
Keywords:FPGA  FSK Modem  Portability


目录
第一章  绪  论... 1
1.1 课题背景及本文研究意义... 1
1.2 FSK应用现状[4] 1
1.2.1蓝牙(Bluetooth)通信设备... 1
1.2.2医学植入微电子器件... 1
1.2.3低速调制解调器[5] 1
1.2.4铁路信号控制系统中的移频自动闭塞系统[6] 1
1.2.5便携式消费电子... 1
1.3 本文内容... 1
第二章 FPGA的设计基础... 1
2.1 FPGA简介... 1
2.2 EDA设计平台选择... 1
2.2.1 设计输入... 1
2.2.2 项目编译... 1
2.2.3 项目校验... 1
2.2.4 器件编程... 1
2.3硬件描述语言的选择... 1
第三章 系统方案设计... 1
3.1系统的性能指标... 1
3.2系统实现原理... 1
3.3  2FSK若干种调制方式比较... 1
3.3.1用小逻辑器件实现... 1
3.3.2 用2ASK的调制方案来实现2FSK调制... 1
3.3.3 用可编程逻辑器件设计2FSK调制器... 1
3.3.4 几种方案的性能比较... 1
3.4 调制系统的设计... 1
3.5 解调系统的设计... 1
第四章 软件设计及仿真... 1
4.1 2FSK调制程序及仿真图... 1
4.1.1  2FSK调制VHDL程序... 1
4.1.2  2FSK调制仿真图及注释... 1
4.2 2FSK解调程序及仿真图... 1
4.2.1 2FSK解调VHDL程序... 1
4.2.2  2FSK解调仿真图及注释... 1
第五章 总结... 1
致谢... 1
参考文献... 1


第一章  绪  论
本章阐述通信系统中数字信号传输研究背景、FSK应用现状、本文研究意义以及本文的主要工作，明确指出了当今通信系统所面临的问题以及数字通信系统的若干优点，数字通信传输的发展方向和发展前景。
1.1 课题背景及本文研究意义
背景：通信按照传统的理解就是信息的传输与交换，其中信息可以用标记、符号、声音或图像来表示。在当今社会，通信与传感、计算机技术紧密结合,成为整个社会的“高级神经中枢”。没有通信，人类社会将不可以想象的。一般来说，整个社会的生产力水平要求与之相适应。如果整个社会的通信水平跟不上，社会成员之间的合作程度也会受到影响，社会生产力的发展也必然最终受到限制。
电通信的历史并不长,至今不过只有160年的时间。一般把1838年有线电报的发明作为开始使用电通信的标志,但那时的通信距离只有70km。1876年发明的有线电话被称为是现代通信的开端。1878年世界上的第一个人工交换局只有21个用户。无线电报于1896年实现,它开创了无线电通信发展的道路。1906年电子管的发明迅速提高了无线通信及有线通信的水平。伴随着通信技术的发展,通信科学在20世纪30年代起获得了突破性的进展,先后形成了脉冲编码原理、信息论、通信统计理论等重要理论体系。1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制(PCM)的概念，从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了，而50年代以来，由于晶体管和集成电路的问世，不仅模拟通信获得高速发展，而且促成了具有广阔前景的数字通信的形成。在通信种类上，相继出现了脉码通信、微波通信、卫星通信、光纤通信、计算机通信等。特别是通讯技术与计算机技术的结合,正在以前所未有的力度促进通信网、计算机网和综合业务网的发展。总之，在这些因素的带动下，数字通信高速发展了起来[1]。
随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像；通信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。而这些系统都使用到了数字调制技术。而且从电子时代初期开始，随着技术的不断发展，本地通讯与全球通讯的之间壁垒被打破，从而导致我们世界变得越来越小，人们分享知识和信息也更加容易。贝尔和马可尼可谓通讯事业的鼻祖，他们所完成的开拓性工作不仅为现代信息时代奠定了基础，而且为未来电讯发展铺平了道路。而且，通信事业正蓬勃发展，有广阔的情景。可见，通信已与我们的生活密不可分。
通信传输的方式有多种多样。传统的本地通讯借助于电线传输，因为这既省钱又可保证信息可靠传送。而长途通讯则需要通过无线电波传送信息。无线电通信在现代通信中占有及其重要的地位，被广泛应用于商业、气象、运输、民用等领域。例如,蓝牙技术,它可在世界上的任何地方实现短距离的无线语音和数据通信[2]。无线电以电磁波的形式在空间中传播的，为了延长传输距离，减少噪声干扰，提高信道利用率以及保护信号接受质量，发射信号采用不同的调制体制并在不同的信道上传送。这就不仅在系统硬件设备方面有所浪费，而且从传送信息的准确性考虑，由于气象条件、高大建筑物以及其他各种各样的电磁干扰，往往所采取的措施并不能保证了信息传送的确定性。随着现代科学技术的发展,目前使用的最为广泛的是电通信方式,即电信号携带所需要传递的消息,然后经过电信道进行,达到通信的目的。之所以使用电通信方式是因为这种方式能使消息几乎在任意的通信距离上实现迅速而有准确的传递。因此，如今所说的“通信”这一术语一般就是指电通信。各种消息在转换成电信号的时候，消息与电信号之间必须建立单一的对应关系，否则接收端就无法得到原来的消息。通常，消息被载荷在电信号的一个参量上，如果电信号的该参量携带着离散消息，则该参量必将是离散取值。这样的信号就称为数字信号。如果电信号的参量连续取值，则这样的信号就称为模拟信号[2]。点对点之间建立的通信系统是通信的最基本形式,其模型可用图1.1表示[3]。
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图1.1通信系统的一般原理图
意义：以往的移频键控调制解调器采用“固定功能集成电路+连线”方式设计，集成块多，连线复杂，容易出错，且体积较大。为解决上述问题，本文介绍了一种基于现场可编程门阵列FPGA芯片来设计移频键控FSK调制解调器的基本方法，用VHDL语言来描述硬件的行为硬件不同时描述的方式就不一样，每一款芯片都有其独特的设计，我们在编写程序的时候要严格根据硬件的物理构成来编写对应的程序，使其完成我们所预想的功能。
1.2 FSK应用现状[4]
频移键控(FSK)调制解调方式的应用比较广泛，尤其是在数据率较低、数据量比较小、短距离传输的无线通信领域。目前，针对FSK信号在这些领域的应用，国内外己经有大量的研究成果。
1.2.1蓝牙(Bluetooth)通信设备   
蓝牙(Bluetooth)是应用FSK调制解调的一个重要领域之一。蓝牙可替代短距离线缆，实现在移动电话、便携式电脑和其他电子装置间的无缝线连接。它具有成本低、功耗低、体积小的特点。蓝牙技术的目标是用无线技术连接所有的移动电子设备，进而形成一种个人身边网络，使得其范围内的各种信息化的移动和便携设备都能实现资源共享。可见，蓝牙应用的市场需求是非常广阔的，越来越多的蓝牙芯片会投入生产，越来越多的旅馆、邮局、高尔夫球场、飞机场、商场、会议中心和商业领域都在采用蓝牙技术。
1.2.2医学植入微电子器件
FSK解调方式的另外一个前景广阔的应用领域是在医学植入微电子器件领域。国外早在19世纪初就研究出了电子心率计。而现在，越来越多的病人已经受益于可植入微电子器件(IMD,Implantable Microelectronic Devices)的先进技术，尤其是在药物或者物理手段不起作用的疾病和身体缺陷治疗方面。自1960年以来，作为应用最广泛的IMD，全世界己经有超过200万个心脏起搏器植入了人体，每年大约25万人需要替换新的起搏器。另外，据世界卫生组织WHO的资料显示，全球至少有25亿人有听觉神经损伤，其中的绝大多数人都可能接受耳蜗植入，这是一项最普通的神经修复方法。其次，目前有1亿8千万人遭受着严重的视觉损伤，其中有4500万人完全失明。2002年第一个永久性微电子视网膜修复植入器件已经在南加利福利亚大学获得成功。可见，医学植入微电子器件的应用前景是极其可观的，它对低功耗、高集成度的要求也是极其苛刻的。
1.2.3低速调制解调器[5]
根据CCITT协议，在公用电话网上传输的非话音业务有传真、计算机数据通信等多种，非话音信号常调制成频移键控信号。现在，便携计算机通过调制解调器接入互联网络的应用已经非常普遍。低速调制解调器的传输速率通常为600b/s或者1200b/s，用于异步传输，频移键控就特别适用于这种低速调制解调应用场合。对于高速调制解调器，通常采用相移键控(PSK)或幅相调制(PAM)。
1.2.4铁路信号控制系统中的移频自动闭塞系统[6]
由于二进制频移键控信号即是指传号(发送1)时发送一种频率，空号(发送0)时发送另一频率，在传号和空号两种不同频率信号时，都有足够的信号幅度，所以不致因为噪声产生误码，抗噪声能力比较强。而且，它本身就是调频信号，具有抗干扰能力强的优点。这些特点正好可以被应用到高噪声底部的铁路信号控制中的移频自动闭塞系统中。
1.2.5便携式消费电子
低成本、短距离无线系统的快速发展，要求将尽可能多的功能集成到单一芯片中。使用单一低电源电压的系统，如手机、PDA、3G无线终端等大量的可携带设备，其较长工作周期、无持续供电电源等因素，也迫切需要进行低功耗低电压的设计。而数字FSK解调器，正适用于这些低电压系统的解调，且更容易和其它模拟部分一起被集成到单片芯片中。
可见，FSK解调器在短距离、低数据率、低功耗的无线通信领域中，具有广阔的应用前景。
1.3 本文内容
本文以数字通信为背景，在EDA技术开发平台MAX+plus II设计实现了一种新型的2FSK信号调制解调器,利用m序列的随机性和确定性来产生输入基带信号,用分频器把时钟信号分频成两个不同频率的信号。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MAX+plus II环境下的仿结果。具体内容如下：
第一章阐述通信系统中数字信号传输研究背景、现状以及发展方向，明确指出了当今通信系统所面临的问题以及数字通信系统的若干优点，数字通信传输的发展方向和发展前景。
第二章对FPGA器件，VHDL语言，MAXPLUSII仿真软件进行了简要的介绍。
第三章对系统方案进行了论述。详细介绍了基于FPGA的2FSK信号发生器的设计方法,
第四章提供了VHDL源代码在MAX+plusII环境下的仿真结果。
第五章总结该毕业设计。
第六章致谢。

第二章 FPGA的设计基础2.1 FPGA简介
目前以硬件描述语言（Verilog 或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。
系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。
早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可以编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。 CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让它可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。
CPLD和FPGA另外一个区别是大多数的FPGA含有高层次的内置模块（如加法器和乘法器）和内置的记忆体[7]。一个因此有关的重要区别是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。一些FPGA可以让设备的一部分重新编辑而其他部分持续正常
运行。FPGA设计流程图如图2.1所示。
file:///C:/DOCUME~1/PENGJI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg
图2.1FPGA设计流程图
2.2 EDA设计平台选择
Altera公司的MAXPLUS2 开发系统是一个完全集成化、易学易用的可编程逻辑设计系统。它可以在多种平台上运行。它拥有开放的界面，可与其他工业标准的设计输入、综合与校验工具相连接。其设计输入、处理和校验功能集成在统一的开发环境下[8]。MAXPLUS2采用自顶向下的设计方法，设计流程为设计输入—项目编译—项目校验—器件编程。
2.2.1 设计输入
MAXPLUS2 软件的设计输入方法很多，主要有以下三种：原理图输入、文本输入和波形输入。文本设计输入方法主要用来实现以AHDL 语言形式或VHDL 语言形式书写的文件。MAXPLUS2波形编辑器用于建立和编辑波形文件。Compiler先进的波形综合算法根据用户定义的输入及输出波形自动生成逻辑关系。Compiler自动为状态机分配状态位和状态变量。
2.2.2 项目编译
MAXPLUS2编译器可以检查项目中的错误并进行逻辑综合，将项目最终设计结果加载到Altera 器件中去，并为模拟和编程产生输出文件。
2.2.3 项目校验2.3项目校验
设计校验过程包括设计仿真和定时分析，作用是测试逻辑操作和设计的内部定时，MAXPLUS2仿真器可以对编译期间生成的二进制仿真网表进行功能、定时的仿真。
2.2.4 器件编程
器件的编程是指MAXPLUS2 Programmer 使用 Compiler生成的编程文件对Altera 器件编程。编程过程可通过配套的编程适配器连接微机到应用板的 JAG接口上来实现[ 9]。
2.3硬件描述语言的选择
在对isp器件的编程过程中，我们可以选用几种语言编写，比如ABEL-HDL，VHDL语言，VerilogHDL、AHDL等。下面我对这几种硬件描述语言进行介绍。
(1) ABEL-HDL是由美国DATAI/O公司研制开发的一种逻辑设计硬件描述语言，该语言适用于各种不同规模的可编程逻辑器件的设计，其基本单位为模块，一项设计可用一个模块，也可以用多个模块组成。
(2) AHDL是一种模块化的高级语言，它完全集成于MAX+PLUS2系统中，特别适合于描述复杂的组合逻辑、组运算、状态机和真值表。
(3) Verilog HDL最初是于1983年由GatewayDesign Automation公司为其模拟器产品开发的一种硬件描述语言。那时它只是一种专用语言。由于他们的模拟、仿真器产品的广泛应用，Verilog HDL作为一种便于使用且实用的语言逐渐被众多设计者所接受，且于1995年成为IEEEStd1364-1995。
Verilog HDL用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。它具有以下描述能力：设计的行为特性、设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制。此外，Verilog HDL语言提供了编程语言接口，有混合方式建模能力，如图2.2示。

file:///C:/DOCUME~1/PENGJI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.gif


(4) VHDL是Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Language 的缩写，最初是美国国防部为其超高速集成电路研究计划（VHSIC）提出的硬件描述语言，作为个合同商之间提交复杂电路设计文档的一种标准方案。它在1987年成为IEEE标准。VHDL作为EDA的重要组成部分，提供了借助计算机进行数字系统设计的一种很好的手段，用VHDL设计有许多优点，它的硬件描述能力强，可以用于从门级、电路级直至系统级的描述、仿真、综合和调试。利用VHDL丰富的仿真语句和库函数，对大系统在设计的早期可在远离门级的高层次上进行模拟，以利于设计者确定整个设计的结构和功能的可行性。VHDL强大的行为描述能力和程序结构，使其具有支持大规模设计进行分解，以及对已有的设计进行再利用的功能，运用VHDL设计系统硬件具有相对独立性，设计时没有嵌入与工艺有关的信息，对硬件的描述与具体的工艺技术和硬件结构无关；当门级或门级以上的描述通过仿真检验以后，再用相应的工具将设计映射成不同的工艺，这使硬件实现的目标器件有很宽的选择范围，并且修改电路与修改工艺相互之间不会产生不良影响。一个完整的VHDL程序通常包括实体（Entity）、结构体（Architecture）、配置（Configuration）、程序包（Package）和库（Library）五个部分。其基本结构如图2.3所示[10]。
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图2.3VHDL程序的结构
（5）VHDL与ABEL-HDL、VerilogHDL、AHDL的描述能力比较
通过前面的介绍，我们了解了三种语言的基本功能，我们知道VHDL和VerilogHDL作为被IEEE所采用的两种工业标准硬件描述语言，得到了众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言，它们相对于ABEL-HDL语言、AHDL语言的功能更加强大。而且VHDL语言很早就成为IEEE标准，成为系统描述的国际公认标准，得到众多EDA公司的支持。VHDL语言覆盖面广，描述能力强，能支持硬件的设计、验证、综合和测试；VHDL标准、规范，语法较为严格，采用VHDL的设计便于复用和交流，VHDL所具有的内属描述语句和子程序调用等功能，使设计者对完成的设计，不必改变源程序，只需改变内属参数或函数，就可以改变设计的规模与结构[11]；VHDL语言的还可以描述与工艺相关的信息，工艺参数可以通过设计文件语言参数来调整，不会因工艺发展与变化而使VHDL设计过时，设计的生命周期与其他设计相比是很长的。所以我选用VHDL语言。

第三章系统方案设计3.1 系统的性能指标
通信系统的重要性能指标是有效性和可靠性[11]。模拟信号的有效性是指有效带宽，可靠性是指信噪比。而数字通信系统的有效性指标其实就是指的系统有信息传输速率，通常用码元速率或信号速率来表示，可靠性是指数字信号传输过程中的信息差错率，通常用误信率或误码率来表示。
我们通常按码元数量来看信息，且码元携带有一定的信息量，因此我们常用码元速率和误码率来衡量传输质量。码元速率指的是单位时间传输的码元数，单位为码元/s，又称波特，简记为Bd，误码率指的是错误码元数与传输总码元数之比，差错率越小，通信的可靠性越高。
数字通信系统对信号接受的准确性要求很高，要求信息传输具有足够低的误码率。因此，数字信号要求在信源端进行纠错编码，相应的在信宿端进行纠错解码[11]。
文中的2FSK调制系统的码元速率是1.2 kKz。由于这个设计只是一种模拟类型的设计，没有涉及到信号接受，而且一般通信系统的误码率很低，需要做大量的工作，反复观察才可以得到，而且在试验室的条件下，各种仪器都比较精密，基本上也没有噪声干扰，误码率难以观察，因此很难给出具体的测试标准和参量，所以在这里我就不计算它的误差。当然，在实际的应用中，噪声干扰是不可以避免的，一定要注意。

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