基于FPGA的---2FSK数字调制器的设计

基于FPGA的2FSK数字调制器的设计2016/2017学年第一学期学院电气与光电工程学院专业电子信息工程班级13信学号姓名指导教师成绩2017年1月目录第一章、绪论................................................................................................................11.1题目的意义....................................................................................................11.2设计要求........................................................................................................11.3FPGA概述.........................................................................................................21.3.1FPGA技术及特点...................................................................................21.3.2FPGA的结构组成...................................................................................21.4FPGA的发展及应用..........................................................................................31.5FPGA的设计流程.............................................................................................4第二章、2FSK设计的基本原理.................................................................................72.12FSK的调制......................................................................................................72.1.1直接调频法.............................................................................................82.1.2频率键控法.............................................................................................82.1.3FSK的调制方框图及电路符号...............................................................9第三章、设计方案....................................................................................................103.12FSK基于VHDL语言调制程序..................................................................103.2调试结果.........................................................................................................123.2.1程序仿真......................................................................................................123.2.2时序仿真...............................................................................................123.32FSK调制电路................................................................................................15第四章、结论..............................................................................................................16附录..............................................................................................................................17参考文献......................................................................................................................191第一章、绪论1.1题目的意义数字调制技术是现代通信的一个重要内容，在数字通信系统中,由于数字信号具有丰富的低频成份，不宜进行无线传输或长距离电缆传输，因而需要将基带信号进行数字调制(DigitalModulation)。数字调制同时也是数字信号频分复用的基本技术。数字调制与模拟调制都属于正弦波调制，但是，数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制,因而数字调制具有自身的特点,一般说来数字调制技术分为两种类型：一是把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；二是利用数字信号的离散取值去键控载波，从而实现数字调制。后一种方法通常称为键控法。例如可以对载波的振幅、频率及相位进行键控，便可获得振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、相移键控(PSK)等调制方式。移频键控(FSK)是数字信息传输中使用较早的一种调制形式，它由于其抗干扰及衰落性较好且技术容易实现，因而在集散式工业控制系统中被广泛采用。以往的键控移频调制解调器采用“定功能集成电路+连线”式设计；集成块多，连线复杂，容易出错，且体积较大，本设计采用Lattice公司的FPGA芯片，有效地缩小了系统的体积，降低了成本，增加了可靠性，同时系统采用VHDL语言进行设计，具有良好的可移植性及产品升级的系统性。1.2设计要求1.了解了2FSK信号的基本概念后，利用QuartusII软件中的VHDL语言对2FSK频移键控系统就行调制、解调的程序设计。2.程序设计运行成功后，在利用VHDL语言对FSK频移键控系统进行调制、解调的波形仿真。3.最后通过VHDL语言制作出FSK频移键控系统调制的电路图。21.3FPGA概述1.3.1FPGA技术及特点FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：1.采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2.FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3.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CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。1.3.2FPGA的结构组成FPGA的结构主要由三个基本块构成:1.可编程逻辑块。基本的可编程逻辑块有两种，一种是基于多路选择器的可编程逻辑模块，另外一种是基于查找表的可编程逻辑块。2.可配置输入/输出模块。可配置的输入/输出模块IOB为芯片外部封装管脚和内部逻辑提供连接接口。每个IOB控制一个封装管脚，可配置成输入、输出或双向口。3.可编程的互连资源。通过可编程资源可以将CLB和CLB，CLB和I/O相互连接起来。在FPGA中，一般有三类连线资源。第一类为直线或短线，通过直线每个CLB可连接到与它相邻的CLB上。另外一类连线资源是长线，这些长线可以连接物理位置上彼此相距非常远的CLB。最后一类资源由经纬分段连线组成，这3些连线到达开馆矩阵之前经过了多个CLB。除了基本结构之外，FPGA中还提供各种可用的嵌入式资源，主要有：嵌入式RAM，嵌入式的乘法器和加法器，嵌入式处理核等。FPGA的主要用途有两个方面：一是作为ASIC设计的快速原型系统，由于生产ASIC的费用非常昂贵，而FPGA的开发费用要小得多；二是验证新算法的物理实现。很多应用场合，设计人员提出一些新的算法，为了验证算法硬件的可实现性和算法的正确性，通常用FPGA作为实现的一种载体。FPGA由于开发周期短、功能强，可靠性高和保密性好的特点广泛地应用在各个领域。FPGA应用领域的不断扩大和半导体计工工艺的不断进步，都促使TFPGA的快速发展，其中ALTERA和Xilinx公司的产品占到整个FPGA/CPLD市场的80%。Altera虽然规模较小，但是它提供了反熔丝FPGA，保密性和可靠性非常好，因此，在航空和军品领域占有很大的市场。1.4FPGA的发展及应用FPGA并非是近年来才有的，FPGA一词于1984年就已经出现，至今已经超过20年以上的时间，不过过去十多年时间内FPGA都未受到太多的重视，原因是FPGA的功耗用电、电路密度、频率效能、电路成本等都不如ASIC，在这十多年时间内，FPGA多半只用在一些特殊领域，例如芯片业者针对新产品测试市场反应，即便初期产品未达量产规模，也能先以FPGA制成产品测试。或者有些芯片设计公司承接了小型的设计项目，在量产规模不足下也一样使用FPGA，或如政府、军方的特殊要求，不期望使用开放、标准性的芯片与电路，也会倾向使用FPGA。不过，在愈来愈多芯片无法用开设掩膜模式投产后，这些芯片要上市，就只好以FPGA模式来生产。所幸FPGA也受益于摩尔定律，在工艺技术不断提升下，晶体管愈来愈缩密化，原本相较ASIC逊色的电路密度过低、频率效能过低、电路成本过高等问题，在新一代FPGA上，早已拉近与ASIC间的表现差距。FPGA产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的领域。而应用的变化也使FPGA产品近几年的演进趋势越来越明显：一方面，FPGA供应商致力于采用当前最先进的工艺来提升产品的4性能，降低产品的成本；另一方面，越来越多的通用IP（知识产权）或客户定制IP被引入FPGA中，以满足客户产品快速上市的要求。此外，FPGA企业都在大力降低产品的功耗，满足业界越来越苛刻的低功耗需求。1.5FPGA的设计流程FPGA的设计流程大体上分为系统规范、模块设