基于VHDL語(yǔ)言的ASK、PSK、FSK的EDA實(shí)訓(xùn)報(bào)告

1、 數(shù)字電路EDA設(shè)計(jì)報(bào)告 題目 2FSK 2ASK 2PSK 的信號(hào)發(fā)生器 學(xué)院 桂林理工大學(xué) 專業(yè) 通信技術(shù) 組員姓名 唐敏 羅薰雨 馮雪蓮 學(xué)號(hào) 19、43、01指導(dǎo)教師 韋燕 朱敦忠二一三年七月2FSK 2ASK 2PSK信號(hào)產(chǎn)生器的設(shè)計(jì) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）熟悉QUARTUS的基本使用。 （2）學(xué)會(huì)在硬件上實(shí)現(xiàn)軟件的功能。 （3）學(xué)習(xí)VHDL基本單元電路的綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 設(shè)計(jì)并調(diào)試好2FSK 2ASK 2PSK信號(hào)產(chǎn)生器，并用EDA實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。1. FSK信號(hào)1.1 FSK信號(hào)產(chǎn)生原理 數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控（FSK），二進(jìn)制頻移鍵控記作2FSK。數(shù)字頻移鍵控是用載波

2、的頻率來(lái)傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。2FSK信號(hào)便是符號(hào)“1”對(duì)應(yīng)于載頻，而符號(hào)“0”對(duì)應(yīng)于載頻（與不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且與之間的改變是瞬間完成的。 從原理上講，數(shù)字調(diào)頻可用模擬調(diào)頻法來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可用鍵控法來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬調(diào)頻法是利用一個(gè)矩形脈沖序列對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，是頻移鍵控通信方式早期采用的實(shí)現(xiàn)方法。2FSK鍵控法則是利用受矩形脈沖序列控制的開(kāi)關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通。鍵控法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、波形好、穩(wěn)定度高且易于實(shí)現(xiàn)，故應(yīng)用廣泛。2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法如圖 1所示。圖中為代表信息的二進(jìn)制矩形脈沖序列，即使2FSK信號(hào)2。s(t) 模擬調(diào)頻器 s(

3、t) 0 1 0 0 1 0圖1 2FSK信號(hào)產(chǎn)生方法 根據(jù)以上2FSK信號(hào)產(chǎn)生的原理，已調(diào)信號(hào)的數(shù)字表達(dá)式見(jiàn)式： 其中，s(t)為單極性非零矩形脈沖序列，公式見(jiàn)式： 其中表達(dá)式見(jiàn)式： 為對(duì)逐碼元取反而形成的脈沖序列，其表達(dá)式見(jiàn)式： 其中，是的反碼，即若，則；若，則。表達(dá)式見(jiàn)式： 2FSK信號(hào)的功率譜公式見(jiàn)式： 1.2 FSK信號(hào)產(chǎn)生器各模塊整個(gè)2FSK系統(tǒng)共分為分頻器、m序列產(chǎn)生器、跳變檢測(cè)、正弦波信號(hào)發(fā)生器和DAC數(shù)模變換器等5部分，其中前4部分由FPGA器件完成。圖2所示為2FSK信號(hào)發(fā)生器框圖。1.2KHz120KHz時(shí)鐘輸入1.2MHz分頻器M序列產(chǎn)生器正弦信號(hào)發(fā)生器DAC跳變檢測(cè)圖

4、2 2FSK信號(hào)發(fā)生器框圖1.3 分頻器 本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)速率為1.2kb/s，要求產(chǎn)生1.2KHz 和2.4KHz兩個(gè)正弦信號(hào)。對(duì)每個(gè)碼元持續(xù)周期所對(duì)應(yīng)正弦信號(hào)取100個(gè)采樣點(diǎn)，因此要求能產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)：1.2KHz（數(shù)據(jù)速率）和120KHz（正弦波信號(hào)發(fā)生器輸入時(shí)鐘）?；鶞?zhǔn)時(shí)鐘由外部時(shí)鐘輸入，因此需設(shè)計(jì)一個(gè)100分頻器產(chǎn)生120KHz信號(hào)，再設(shè)計(jì)一個(gè)100分頻器產(chǎn)生1.2KHz信號(hào)。1.4 m序列產(chǎn)生器 m序列是偽隨機(jī)序列的一種，它的顯著特點(diǎn)是：（1）隨機(jī)特性；（2）預(yù)先可確定性；（3）循環(huán)特性，從而在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)用一種帶有兩個(gè)反饋抽頭的三級(jí)反饋移位寄存器得到一串“111

5、0010”循環(huán)序列，并采取措施防止進(jìn)入全“0”狀態(tài)。通過(guò)更換時(shí)鐘頻率，可以方便地改變輸入碼元的速率。m序列產(chǎn)生器的電路結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。1.2KHz時(shí)鐘信號(hào)或門(mén)異或門(mén)或非門(mén)D QCLKD QCLKD QCLK圖3 “1110010” 偽隨機(jī)m序列產(chǎn)生器圖1.5 跳變檢測(cè) 將跳變檢測(cè)引入正弦波的產(chǎn)生中，可以使每次基帶碼元上升沿或下降沿到來(lái)時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出波形位于正弦波形的處?；鶐盘?hào)的跳變檢測(cè)可以有很多方法，圖4所示為一種在可編程邏輯器件中實(shí)現(xiàn)的方案。時(shí)鐘信號(hào)跳變輸出基帶碼元D QCLK異或門(mén)圖4 信號(hào)跳變檢測(cè)電路圖1.6 正弦信號(hào)的產(chǎn)生 用數(shù)字電路和DAC變換器可以產(chǎn)生要求的模擬信號(hào)。根據(jù)抽樣定

6、理可知，當(dāng)用模擬信號(hào)最大頻率兩倍以上的速率對(duì)該模擬信號(hào)采樣時(shí)，便可將原模擬信號(hào)不失真地恢復(fù)出來(lái)。本設(shè)計(jì)要求得到的是兩個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，其頻率正好呈倍數(shù)關(guān)系。設(shè)計(jì)中對(duì)1.2KHz的正弦波一個(gè)周期采樣100個(gè)點(diǎn)，即采樣速率為原正弦信號(hào)頻率的100倍。因此完全可以在接收端將原正弦信號(hào)不失真地恢復(fù)出來(lái)，從而可以在接收端對(duì)FSK信號(hào)正確地解調(diào)。本設(shè)計(jì)中每個(gè)采樣點(diǎn)采用8位量化編碼，即8位分辨率。采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)與分辨率的大小主要取決于FPGA器件的容量，其中分辨率的高低還與DAC的位數(shù)有關(guān)。本設(shè)計(jì)中，數(shù)字基帶信號(hào)與2FSK調(diào)制信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：“0”對(duì)應(yīng)1.2KHz，“1”對(duì)應(yīng)2.4KHz。具體的正弦波信

7、號(hào)產(chǎn)生器可以用查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)。按前面的設(shè)計(jì)思想，本方案需要設(shè)計(jì)有100個(gè)單元的查找表，其中每個(gè)單元分別保存100個(gè)正弦波采樣的對(duì)應(yīng)樣值。當(dāng)碼元由1變?yōu)?時(shí)，為了產(chǎn)生1.2KHz的正弦信號(hào)，只需要將查找表中的內(nèi)容逐一讀出即可，直到將查找表中所有單元讀取完畢，然后再?gòu)牡谝粏卧_(kāi)始讀取。這樣，每個(gè)碼元周期內(nèi)將輸出一個(gè)周期的正弦波信號(hào)。當(dāng)碼元由0變?yōu)?時(shí)，為了產(chǎn)生2.4KHz的正弦信號(hào)，就不能逐一讀取所有單元了，而要每隔一個(gè)單元讀取一個(gè)樣值。這樣，在每個(gè)碼元周期內(nèi)就會(huì)對(duì)整個(gè)查找表讀取兩次，即輸出兩個(gè)周期為2.4KHz的正弦波信號(hào)。1.7 功能仿真波形及分析 2FSK的總體波形如圖5所示，其中CLOCK為

8、正弦波發(fā)生器時(shí)鐘MODE表示0：2FSK；1:2PSK，CLK120為用于產(chǎn)生一個(gè)1.2KHz的正弦波信號(hào)，CLK240為用于產(chǎn)生一個(gè)2.4KHz的正弦波信號(hào)，VALUE為正弦波的采樣點(diǎn)峰值，M_MODE為輸出m序列。圖5 2FSK仿真波形圖 下圖6 所示為產(chǎn)生的2FSK波形，可以明顯地看到在M_MODE跳變前后VALUE的碼元寬度相差一倍，實(shí)現(xiàn)了2FSK的頻率變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，即120KHz表示信號(hào)“0”，240KHz表示信號(hào)“1”。 圖6 2FSK仿真波形圖 下圖7可以看出傳遞信號(hào)“1”的波形密度明顯比傳遞信號(hào)“0”的波形密度高。 圖7 2FSK仿真波形圖 2FSK的信號(hào)傳遞頻率從下圖8

9、中可以看出為240KHz，信號(hào)“1”和“0”的跳變是通過(guò)相位的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖8 2FSK仿真波形圖2 ASK信號(hào) 數(shù)字信號(hào)對(duì)載波信號(hào)的振幅調(diào)制稱為振幅鍵控即ASK，2ASK是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波，是載波時(shí)斷時(shí)續(xù)的輸出。有載波 輸出是表示發(fā)送“1”，無(wú)載波輸出時(shí)表示發(fā)送“0”。2.1 2ASK的調(diào)制2.1.1 2ASK的調(diào)制方法有兩種分別是相乘電路法和鍵控法1、相乘電路法: 乘法器輸入法的輸入是隨機(jī)信息序列，經(jīng)過(guò)基帶信號(hào)形成器，產(chǎn)生序列波形，乘法器用來(lái)進(jìn)行頻譜搬移，相乘后的信號(hào)通過(guò)帶通濾波器除去高頻諧波和低頻干擾。帶通濾波器的輸出是振幅鍵控信號(hào)。乘法

10、器采用環(huán)形調(diào)制器。圖9所示為該方法的原理圖。圖92、鍵控法鍵控法是產(chǎn)生ASK信號(hào)的另一種方法。2ASK又稱通斷控制（OOK）最典型的實(shí)現(xiàn)方法是用一個(gè)電鍵控制載波振蕩器的輸出來(lái)獲得。 為適應(yīng)自動(dòng)發(fā)送高速數(shù)據(jù)的要求，鍵控法中的電鍵可以利用各種形式的受基帶信號(hào)控制電子開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，代替電鍵產(chǎn)生ASK信號(hào)。圖二所示就是數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)鍵控產(chǎn)生ASK信號(hào)的實(shí)例。該電路是用基帶信號(hào)控制與非門(mén)的開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制，產(chǎn)生ASK信號(hào)。 圖10圖11中，當(dāng)基帶信號(hào)為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)電路如圖所示，當(dāng)基帶信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)狀態(tài)為零，此時(shí)二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)又常稱為通-斷鍵控信號(hào)(OOK信號(hào))

11、。2.2 ASK調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制模型根據(jù)上述對(duì)ASK調(diào)制系統(tǒng)的原理研究，結(jié)合VHDL硬件描述語(yǔ)言的特點(diǎn)對(duì)ASK調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了調(diào)制模型 時(shí)鐘信號(hào)控制信號(hào)基帶信號(hào)四分頻載波信號(hào)與 門(mén)調(diào)制信號(hào)圖11 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型圖2.3 ASK調(diào)制VHDL程序仿真圖ASK調(diào)制VHDL程序仿真圖如圖12所示。圖12 ASK調(diào)制仿真全圖圖13 3. 2PSK信號(hào)產(chǎn)生器：3.1 2PSK基本原理數(shù)字相位調(diào)制是用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波的相位，使載波的相位發(fā)生跳變的一種調(diào)制方式，傳統(tǒng)的2PSK(二進(jìn)制相位鍵控)調(diào)制可采用直接調(diào)相法即雙極性數(shù)字基帶信號(hào)與載波直接相乘的方法，也可采用相位選擇法即由振蕩器和反相器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，但

12、它們存在電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、誤碼率高等缺點(diǎn)。FPGA 是一種直接面向廣大用戶的可編程邏輯器件，具有極大的靈活性和通用性非常適合采用軟硬件結(jié)合來(lái)設(shè)計(jì)各種實(shí)用的數(shù)字電子系統(tǒng)。本文在介紹2PSK調(diào)制基本原理的基礎(chǔ)上，介紹了一種調(diào)制算法主要采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐證明了該方法具有設(shè)計(jì)靈活、實(shí)效性好和效率高的優(yōu)越性。2PSK是利用載波的不同相位去直接傳送數(shù)字信息的一種方式，若用相位仃代表“0”碼，相位0代表“1”碼，即規(guī)定數(shù)字基帶信號(hào)為“0”碼時(shí)，已調(diào)信號(hào)相對(duì)于載波的相位為；數(shù)字基帶信號(hào)為“1”碼時(shí)，已調(diào)信號(hào)相對(duì)載波信號(hào)為同相。PSK又稱相移鍵控，它是利用載頻頻率的變化來(lái)傳

13、遞數(shù)字信息。而數(shù)字調(diào)頻信號(hào)可以分為相位離散和相位連續(xù)兩種。若兩個(gè)載頻由不同的獨(dú)立振蕩器提供，它們之間的相位互不相關(guān)，就稱為相位離散的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)；若兩個(gè)頻率由同一振蕩器提供，只是對(duì)其中一個(gè)載頻進(jìn)行分頻，這樣產(chǎn)生的兩個(gè)載頻就是相位連續(xù)的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)。3.2 分頻器本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)速率為3Mb/s，要求產(chǎn)生3MHz的正弦信號(hào)。對(duì)每個(gè)碼元持續(xù)周期所對(duì)應(yīng)正弦信號(hào)取100個(gè)采樣點(diǎn)，因此要求能產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)：3MHz（數(shù)據(jù)速率）和300MHz（正弦波信號(hào)產(chǎn)生器輸入時(shí)鐘）?；鶞?zhǔn)時(shí)鐘由外部時(shí)鐘輸入，因此設(shè)計(jì)一個(gè)模100分頻器產(chǎn)生3MHz信號(hào)用于m序列產(chǎn)生器。3.3 m序列產(chǎn)生器m序列是偽隨機(jī)序列的一種，它的顯著

14、特點(diǎn)是：（1） 隨機(jī)特性；（2） 預(yù)先可確定性；（3） 循環(huán)特性，從而在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)用一種帶有兩個(gè)反饋抽頭的三級(jí)反饋移位寄存器得到一串“1110010”循環(huán)序列，并采取措施防止進(jìn)入全“0”狀態(tài)。通過(guò)更換時(shí)鐘頻率，可以方便地改變輸入碼元的速率。3.4 跳變檢測(cè)將跳變檢測(cè)引入正弦波的產(chǎn)生中,在檢測(cè)到基帶碼元的上升沿或下降沿時(shí)，使輸出波形相位跳變 即可，即在跳變沿處修改查找表地址指針，使地址指針加“50”并對(duì)結(jié)果模100，得到的即是倒相后的波形樣值地址。3.5 正弦信號(hào)的產(chǎn)生用數(shù)字電路和DAC變換器可以產(chǎn)生要求的模擬信號(hào)。根據(jù)抽樣定理可知，當(dāng)用模擬信號(hào)最大頻率兩倍以上的速率對(duì)該模

15、擬信號(hào)采樣時(shí)，便可將原模擬信號(hào)不失真地恢復(fù)出來(lái)。設(shè)計(jì)中對(duì)3MHz的正弦波一個(gè)周期采樣100個(gè)點(diǎn)，即采樣速率為原正弦信號(hào)頻率的100倍。因此完全可以在接收端將原正弦信號(hào)不失真地恢復(fù)出來(lái)，從而可以在接收端對(duì)2PSK信號(hào)正確地解調(diào)。本設(shè)計(jì)中每個(gè)采樣點(diǎn)采用8位量化編碼，即8位分辨率。采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)與分辨率的大小主要取決于FPGA器件的容量，其中分辨率的高低還與DAC的位數(shù)有關(guān)。本設(shè)計(jì)中，數(shù)字基帶信號(hào)與2PSK調(diào)制信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：“0”對(duì)應(yīng)0相位正弦波，“1”對(duì)應(yīng)相位正弦波。具體的正弦波信號(hào)產(chǎn)生器可以用查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)。按前面的設(shè)計(jì)思想，本方案需要設(shè)計(jì)有100個(gè)單元的查找表，其中每個(gè)單元分別保存100個(gè)正弦

16、波采樣的對(duì)應(yīng)樣值。當(dāng)碼元由1變?yōu)?時(shí)或者當(dāng)碼元由0變?yōu)?時(shí)，為了產(chǎn)生相位的正弦信號(hào)，只需要將查找表中的內(nèi)容逐一讀出即可，直到將查找表中所有單元讀取完畢，然后再?gòu)牡谝粏卧_(kāi)始讀取。這樣，每個(gè)碼元周期內(nèi)將輸出一個(gè)周期的正弦波信號(hào)。3.6 ASK調(diào)制VHDL程序波形圖圖144. 總結(jié)：這次實(shí)訓(xùn)讓我知道了，我們平時(shí)所學(xué)的知識(shí)如果不加以實(shí)踐的話等于紙上談兵。實(shí)訓(xùn)主要是我們理論知識(shí)的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且自己要能找到解決問(wèn)題的方案，形成一種獨(dú)立的意識(shí)。這次實(shí)訓(xùn)讓我們知道了，做什么事情都要有耐心，我們的程序改了很久才正確，放到硬件上，波形出不來(lái)，一次次的失敗讓我們有崩潰的感覺(jué)，但我們沒(méi)有放棄，在自己的努力和老師的耐心指導(dǎo)下，我們終于做出來(lái)了，真的很高興，這次實(shí)