基于FPGA的ASK调制解调器的设计

大连交通大学信息工程学院毕业设计(论文)题目基于FPGA的ASK调制解调器的设计学生姓名刘师宇专业班级信息工程09-2指导教师徐佳职称讲师所在单位电气工程系信息工程教研室教研室主任石桂名完成日期2013年6月28日摘要在科技高速发展的今天,作为现代通信系统的关键技术之一的调制解调技术一直是人们研究的一个重要方向。在数字传输系统中，数字信号对高频载波进行调制，变成频带信号，在接收端进行解调，恢复原数字信号对载波的控制,可使用振幅调制即振幅键控（ASK）。现场可编程门阵列（FPGA）在通信领域得到了广泛的应用，利用FPGA性能优越、使用方便的特点，可以简化振幅调制解调电路的设计，而且易于反复编写和修改程序。基于FPGA的ASK调制解调器具有外围电路简单，效率高，执行速度快，实用性高等特点。因此，这篇文章介绍了通过对VHDL语言及ASK相关知识的学习，运用VHDL语言进行编程和QuartusII软件进行仿真来实现基于FPGA的ASK调制解调器的设计，设计出相应硬件设计的电路图和软件设计并且得到仿真结果，完成了二进制基带数字信号的调制和解调得，到了相应的调制信号和解调信号，进而完成基于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ABSTRACTIntoday'srapiddevelopmentofscienceandtechnology.Asoneofthekeytechnologyofmoderncommunicationsystemofmodulationdemodulationtechnologyhasbeenresearchoneoftheimportantdirection.Indigitaltransmissionsystems,digitalsignalofhighfrequencycarrierwavemodulation,intoafrequencybandsignal,carriesonthedemodulationinthereceivingend,restoretheoriginaldigitalsignalcontrolofthecarriercanuseamplitudemodulationamplitudekeying(ASK).Fieldprogrammablegatearray(FPGA)hasbeenwidelyusedinthefieldofcommunication,theadvantageofthecharacteristicsofFPGAissuperiorinperformance,easytouse,cansimplifythedesignofamplitudemodulationdemodulationcircuitandeasytowriteandmodifytheprogramagainandagain.ASKamodembasedonFPGAhastheperipheralcircuitissimple,highefficiency,executionspeed,highpracticabilityetc.Therefore,thisarticleintroducesthebasedontheVHDLlanguageandASKtherelatedknowledgeoflearning,usingVHDLlanguageprogrammingandtheQuartusIIsoftwaresimulationtoachieveASKmodembasedontheFPGAdesign,designthecorrespondinghardwarecircuitdiagramandsoftwaredesignandgetthesimulationresults,completethebinarybasebanddigitalsignalmodulationanddemodulation,obtainedthecorrespondingmodulationsignalanddemodulationsignal,andthenfinishASKmodemdesignbasedonFPGA.Keywords：FPGAASKVHDLmodulatoranddemodulator目录1前言.......................................................11.1课题背景.............................................11.1.1ASK调制解调背景知识......................................11.1.2FPGA介绍................................................11.2课题的主要研究工作............................................22EDA技术简介.................................................32.1QUARTUSII简介...............................................32.1.1QuartusII的基本设计流程及工程的建立.......................32.1.2QuartusII的原理图输入设计流程.............................52.2VHDL语言简介...............................................62.2.1VHDL的基本语言组成......................................72.2.2VHDL的基本语法..........................................83ASK调制解调的原理.........................................113.1ASK调制原理................................................113.2ASK解调原理................................................123.3FPGA目标芯片介绍——EPF10K10LC84.........................134ASK调制与解调..............................................154.1基于FPGA的ASK调制系统...................................154.1.1基于FPGA的ASK调制系统电路设计及程序..................154.1.2基于FPGA的ASK调制系统仿真结果........................164.2基于FPGA的ASK解调系统...................................174.2.1基于FPGA的ASK解调系统电路设计及程序..................174.2.2基于FPGA的ASK解调系统仿真结果........................18结论.........................................................20谢辞.........................................................21参考文献.........................................................22附录.........................................................23大连交通大学信息工程学院2013届本科生毕业设计（论文）11前言1.1课题背景1.1.1ASK调制解调背景知识ASK指的是幅移键控。它是根据信号的不同来调节正弦波的幅度。幅度键控可以通过开关电路和乘法器来实现。载波在数字信号1或者0的控制下通或断：在信号为1的状态下，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，载波关断，此时传输信道上无载波传送。因此可以在接收端根据载波的有或无还原出数字信号的1和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，此时又可称作开关键控法[1]。ASK作为一种为数字调制传输的一种常用方式，具备有一些很重要的特点：第一,基于ASK的神经网络算法用于解调处理,其抗干扰性能优于传统方法；第二,基于ASK的神经网络解调器有和传统解调器相似的处理单元；第三,解调系统为并行结构,所以处理速度更快。1.1.2FPGA介绍FPGA的原文是FieldProgrammableGateArray元件可编程逻辑门阵列，是一个含有可编辑元件的半导体设备，是一个可供使用者程式化的逻辑门元件。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA的概念，其中分为可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，然后触发器驱动其他逻辑电路或I/O，由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系取消，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程不必使用专用的FPGA编程器，只要用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM。这样，同一片FPGA，如果不同的编程数据，就可以实现不同的电路功能。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式[5]。FPGA的基本特点：1、采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2、FPGA可做全定制或半定制ASIC电路的中试样片。大连交通大学信息工程学院2013届本科生毕业设计（论文）23、FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。4、FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5、FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。例如，领先FPGA厂商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工艺，可提供高达33万个逻辑单元、1,200个I/O和大量硬IP块。超大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测，由此带来更严重的时序收敛问题。此外，针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、DSP、嵌入式处理和接口模块，也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。幸运地是，FPGA厂商、EDA工具供应商正在通力合作解决65nmFPGA独