FPGA课程设计--二进制相位键控(PSK)调制器与解调器设计

武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计报告附件1：学号：课程设计题目二进制相位键控（PSK）调制器与解调器设计学院信息工程学院专业通信工程班级姓名指导教师陈适2014年6月18日武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计报告课程设计任务书学生姓名：专业班级：通信工程指导教师：陈适工作单位：信息工程学院题目：二进制相位键控（PSK）调制器与解调器设计初始条件：（1）QuartusII、ISE等软件；（2）课程设计辅导书：《XilinxFPGA设计与实践教程》（3）先修课程：数字电子技术、模拟电子技术、通信原理主要任务:（1）掌握2CPSK、2DPSK的调制与解调原理；（2）掌握仿真软件QuartusII的使用方法；（3）完成对2CPSK、2DPSK的调制与解调仿真电路设计，并对仿真结果进行分析。时间安排:（1）2014年6月11日--2014年6月18日理论设计、仿真设计地点：鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室。（2）2014年6月18日进行理论答辩。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计报告I摘要移动通信迅速发展的得以实现，离不开数字处理技术。其中，数字调制与解调技术在通信领域中发挥着重大作用。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性匹配，再在接收端通过解调恢复出原始数字信号，实现数字信息的传递。相移键控（PSK）就是数字信号调制的一种有用并且广泛使用的方式。为了很好地完成本次FPGA课程设计，我对2CPSK、2DPSK的调制与解调原理进行了深入的了解和研究；利用仿真软件QuartusII，对2CPSK、2DPSK进行调制与解调的设计和仿真，并对仿真结果进行了分析。关键词：PSK；QuartusII；数字调制；仿真武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计报告IIAbstractRealizingtherapiddevelopmentofmobilecommunication,cannotdowithoutthedigitalprocessingtechnology.additionly,digitalmodulationanddemodulationtechnologyplaysanimportantroleinthefieldofcommunication.Inordertomakethedigitalsignaltransmitinacommunicationchannel,digitalbasebandsignalmustbeonthecarriermodulation,sothatthecharacteristicsofthesignalmustmatchwithchannel.Thenthereceiverthroughdemodulationrestorestheoriginaldigitalsignalbydemodulation,sotransmissionofdigitalinformationisaccomplished.Phaseshiftkeying(PSK)isonekindofdigitalsignalmodulationthatisusefulandwidely.InordertocompletetheFPGAcurriculumdesign,Ihaveconductedadeepstudyandresearchaboutthemodulationanddemodulationprincipleof2CPSKand2DPSK.byusingthesimulationsoftwareQuartusII,Idesignandemulatethemodulationanddemodulationof2CPSKand2DPSK,andthesimulationresultsareanalyzed.Keyword:PSK；QuartusII；digitalmodulation；emulation武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计报告III目录摘要.................................................................IAbstract..............................................................II1.前言................................................................12.基本原理及数学模型..................................................22.1相移键控PSK的原理..............................................22.22CPSK的调制与解调原理..........................................22.2.12CPSK的调制...............................................22.2.22CPSK的解调...............................................42.32DPSK的调制与解调原理..........................................42.3.12DPSK的调制...............................................42.3.22DPSK的解调...............................................72.42CPSK和2DPSK的比较...........................................83.仿真结果记录与分析.................................................103.1仿真环境介绍...................................................103.2仿真波形结果分析...............................................103.2.12CPSK的调制与解调........................................113.2.22DPSK的调制与解调........................................123.3仿真生成的电路图...............................................133.3.12CPSK调制与解调仿真生成的RTL视图及电路图................133.3.32DPSK调制与解调仿真生成的RTL视图及电路图................154.设计及实现过程中遇到的问题.........................................165.心得体会...........................................................18参考文献..............................................................19附录..................................................................20附录12CPSK调制器的程序代码......................................20附录22CPSK解调器的程序代码......................................21附录32DPSK调制器绝对码转换为相对码的程序代码....................22附录42DPSK解调器相对码转换为绝对码的程序代码....................23武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计报告11.前言调制解调在通信系统中具有十分重要的作用。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，从而将调制信号转换成合适于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。数字传输系统分为基带传输系统和频带传输系统，为了适应某种需要，大部分传输系统采用频带传输。数字信号对高频载波进行调制，就变为频带信号，接收端解调后又恢复成数字信号。于是整个过程也就涉及到了一个调制解调的过程。而调制解调方法的选择与好坏直接影响到了整个通信系统的质量。移相键控在数据传输中,尤其是在中速和中高速的数据传输（2400-4800bit/s）中得到了广泛的应用。主要应用领域有数字微波通信系统、数字卫星通信系统、宽带接入与移动通信及有线电视的上行传输。相移键控有很好的抗干扰性,在有衰落的信道中也能获得很好的效果。实际的通信系统通常是复杂的大规模系统，在噪声和各种随机因素的影响下，要完成实际设计的通信系统的试验研究比较困难，有时要改变系统的某一两个参数就可能意味着整个系统需要重做，利用QuartusII的计算机仿真，具有经济、可靠、简便等特点，在工程领域得到了越来越广泛的应用。因此本论文想要解决的问题是完成对数字相位键控(PSK)调制解调系统的仿真及相关分析。武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计报告22.基本原理及数学模型2.1相移键控PSK的原理数字信号对载波相位调制称为相移键控（即相位键控）PSK（Phase－ShiftKeying）。数字相位调制（相位键控）是用数字基带信号控制载波的相位，使载波的相位发生跳变的一种调制方式。二进制相位键控用同一个载波的两种相位来代表数字信号。由于PSK系统抗噪声性能优于ASK和FSK，而且频带利用率较高，所以，在中、高速数字通信中被广泛采用。数字调相（相位键控）常分为：（1）绝对调相，记为CPSK；（2）相对调相，记为DPSK。对于二进制的绝对调相记为2CPSK，相对调相记为2DPSK。2.22CPSK的调制与解调原理所谓绝对调相即CPSK，是利用载波的不同相位去直接传送数字信息的一种方式。对二进制CPSK，若用相位π代表“0”码，相位0代表“1”码，即规定数字基带信号为“0”码时，已调信号相对于载波的相位为π；数字基带信号为“1”码时，已调信号相对于载波相位为同相。按此规定，2CPSK信号的数学表示式为”码为“”码为“0)2cos(1)2cos(002tAtAffucccpsk式中0为载波的初相位。受控载波在0、π两个相位上变化。关于CPSK波形的特点，必须强调的是：CPSK波形相位是相对于载波相位而言的。因此画CPSK波形时，必须先把载波画好，然后根据相位的规定，才能画出它的波形。2.2.12CPSK的调制CPSK调制有直接调相法和相位选择法两种方法。1.直接调相法直接调相法的电路采用一个环形调制器。在CPSK调制中，当基带信号为正时，输出载波与输入同相，当基带信号为负时，武汉理工大学《FPGA原理及应用》课程设计报告3输出载波与输入载波反相，从而实现了CPSK调制。2.相位选择法图2.1相位选择法电路相位选择法电路如上图所示，设振荡器产生的载波信号为)2cos(tfAc，它加到与门1，同时该振荡信号经倒相器变为，加到与门2，基带信号和它的倒相信号分别作为与门1及与门2的选通信号。基带信号为1码时，与门1选通，输出为)2cos(tfAc；基带信号为“0”码时，与门2选通，输出为，即可得到2CPSK信号。图2.22CPSK调制框图2CPSK调制器结构图如图2.2所示。计数器对外部时钟信号进行分频与计数，并输出两路相位不同的数字载波信号；2选1开关在基带信号的控制下，对两