基于vhdl语言的数字频带系统的建模与设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于vhdl语言的数字频带系统的建模与设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

1 或 0）的初始相位。 在频移键控中 和 不携带任何信息，通常为零。 所以， 2FSK 信号的表达式可简化为 ( t ) = g(t n ) cos( t)+ g(t n cos( t （ 212） 2FSK 信号的产生方法也有两种。 一种是才用模拟调制电 路来实现，这里不再阐述。 例外一种是可以采用键控法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同独立频率进行选通，使其在一个码元 期间输出 和 两个载波之一，其原理图如图 35所示： 数字频带系统的 建模与 设计 第 8 页，共 54 页 输入 输出 图 35 用键控法实现 2FSK 的调制原理框图 用这两种方法产生的 2FSK 信号的差异在于：由调频法产生的 2FSK 信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。 （称为连续相位的 FSK），而键控法产生的 2FSK 信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。 2. 2FSK 解调的原理 2FSK 解调依然有两种方法：非相干解调法和相干解调法。 其解调的原理是将 2FSK信号分为上下两路 2ASK 信号分别进行解调，然后进行判决。 这里的抽样判决是直接比较两路信号值的大小，判决规则与调制规则要相呼应，调制时若规定“ 1”符号对应载波频率 则接收时上之路的抽样值较大，应判为“ 1”；反之判为“ 0”。 相干解调和非相干解调法的原理图分别如图 36 和 37 所示 输入 定时脉冲 输出 图 36 用相干解调法实现 2FSK 的解调原理框图 低通滤波器 相乘器 低通滤波器 相乘器 BPF BPF 抽样判决器 振荡器 选通开关 反相器 选通开关 振荡器 相加器 第 9 页，共 54 页 输入 定时脉冲 输出 图 37 用非相干解调法实现 2FSK 的解调原理框图 2CPSK的调制与解调 1. CPSK 调制的原理 相移键控是利用载波的相位变化来传输数字信息的，而振幅和频率保持不变。 在2CPSK 中，通常用初始相位“ 0”和“ ”来表示二进制的“ 0”和“ 1”。 因此， 2CPSK信号的时域的 表达式为 ( t ) =Acos( t + ) （ 213） 其中， 表示第 n个信号的绝对相位： 0 发送“ 0”时 = （ 214） 1 发送“ 1”时 所以， 2CPSK 表达式又可以写成 ： Acos t 概率为 P ( t ) = （ 215） — Acos t 概率为 1— P 由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故 2CPSK 信号一般可以表述为一个双极性全占空比矩形脉冲与一个正弦载波相乘，即 ( t )= s (t) cos t （ 216） 其中 s(t) = g(t n ) 这里 g(t)是脉冲宽度为 的单个矩形脉冲，而 的统计特性为 BPF BPF 包络检波器 包络检波器 抽样判决器 数字频带系统的 建模与 设计 第 10 页，共 54 页 概率为 P = （ 217） 1 概率为 1— P 即发送二进制符号“ 0”时（ 取 +1）， ( t )取 0 相位；发送二进制符号“ 1”时（ 取 1）， ( t )取 相位。 这种以载波的不同相位直接去表 示响应的二进制数字信号的调制方式，称为二进制的绝对相移方式。 对于 2CPSK 调制的原理图和 2ASK 信号产生的方法相比较，只是对 s(t)的要求不同，在 2ASK 中 s(t)是单极性的，而在 2CPSK 中 s(t)是双极性的基带信号。 对于 2CPSK 的调制的实现也有两种方法；模拟调制法和键控法，其原理图分别如图 38 和 39 所示 s(t) 双极性 ( t ) 不归零 cos t 图 38 用相乘器实现 2CPSK 调制原理框图 开关电路 0 ( t ) s(t) 图 39 用键控法实现 2CPSK 调制原理框图 2. 2CPSK 解调的原理 2CPSK信号的解调通常使用相干解调法，在相干解调中要注意相干载波必须与 2CPSK信号是同频同相的，其相干解调的原理图如图 310 所示 码型变换 乘法器 移向 cos t 第 11 页，共 54 页 ( t ) 定时 cos t 脉冲 图 310 用相干解调法实现 2CPSK 解调原理框图 2DPSK的调制 与解调 1. DPSK 调制的原理 在 2CPSK 中，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。 由于它利用未调载波相位的绝对值表示数字信息，所以称为绝对相移。 已经指出， 2CPSK 相干解调时，会存在着 的相位模糊，即恢复的本地载波与相干载波可能调相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“ 1”变为“ 0”，“ 0”变为“ 1”，判决输出的数字信号全部出错，称为倒 现象或反相工作。 所以 2CPSK 难以实用。 为了克服这个缺 点，提出了 2DPSK(差分相移键控 )。 2DPSK 是利用前后相邻码元的载波相对相位变化数字信息，又叫相对相移键控。 当前码元与前一码元的载波相位差用 来表示，定义 0 表示数字信息“ 0” （ 218） 表示数字信息“ 1” 例如一组数字信息与其对应的 2DPSK 信号的载波相位关系 二进制数字信息： 1 0 1 1 0 1 1 0 2DPSK 信号相位：（ 0） 0 0 或 （ ） 0 0 0 0 0 0 由此可知，对于相同的基带数字信息序列，由于初始码元的参考相位不同， 2DPSK信号的参考相位可以不同。 也就是说， 2DPSK 信号的相位并不直接代 表基带信号，而前抽样 判决器 低通 滤波器 相乘器 带通 滤波器 数字频带系统的 建模与 设计 第 12 页，共 54 页 后码元的相对相位差才确定唯一的信息符号。 从而解决了载波相位不确定的问题。 对于 2DPSK 的调制，先对二进制基带信号进行差分编码，即把数字信号序列的绝对码变为相对码，然后再根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号，2DPSK 调制的原理框图如图 311 所示 0 开关 (t) S(t) 图 311 用键控法实现 2DPSK 调制原理框图 2. DPSK 解调的原理 2DPSK 也有两种解调方法：一种是相干解调（极性比较法）加码变换法；还有一种是差分相干解调法（相位比较法）。 前者的原理框图如图 312所示 输出 cos t 定时脉冲 图 312 用相干解调法实现 2DPSK 解调原理框图 对 2DPSK 进行相干解调，恢复出相对码，再经码变化器变化为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。 在解调的过程中，由于载波的相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“ 1” 和“ 0”的倒置，但经差分译 码（码反变换）得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了相位模糊问题。 差分相干解调的原理图如图 313 所示 带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 抽样 判决器 码反 变换器 cos t 相移 码变换 第 13 页，共 54 页 定时 脉冲 图 313用差分相干解调法实现 2DPSK 解调原理框图 用相位比较法来对 2DPSK 信号进行解调，不需要专门的相干载波，只需要将收到的2DPSK 信号延时一个码元周期 ，然后与 2DPSK 本身信号相乘，相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经过低通滤波器后再抽样判决，就可以直接回复出原始数字信息，不需 要码反变换器。 带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 抽样 判决器 延迟 数字频带系统的 建模与 设计 第 14 页，共 54 页 3 FPGA 和 VHDL 以及 QuartusⅡ 简介 FPGA 简介 1 FPGA 是什么 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在 PAL、 GAL、CPLD 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。 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）。 FPGA 采用了 逻辑单元 阵列 LCA（ Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（ Configurable Logic Block）、输出输入模块 IOB（ Input Output Block）和内部连线（ Interconnect）三个部分。 2 基本特点 ： （ 1）采用 FPGA 设计 ASIC 电路 (特定用途集成电路 )，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 （ 2） FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。 第 15 页，共 54 页 （ 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。 3 FPGA 的应用： （ 1） 产品设计 把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯，视频，信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是 FPGA 技术和专业技术的结合问题，另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品，前者重点在性能，后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的， FPGA 技术是一个实现手段在这个领域， FPGA 因为具备接口，控制，功能 IP，内嵌 CPU 等特点有条件实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统产品设计。 （ 2） 系统级应用 系统级的应用是 FPGA 与传统的计算机技术结合，实现一种 FPGA 版的计算机系统如用 Xilinx V4, V5 系列的 FPGA，实现内嵌 POWER PC CPU, 然后再配合各种外围功能，实现一个基本环境，在这个平台上。