編號03063014南陽師范學(xué)院2007屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設(shè)計）題目基于EDA技術(shù)的2FSK調(diào)制與解調(diào)完成人班級200303學(xué)制4年專業(yè)電子信息與科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)教師完成日期20070331目錄摘要1引言（1）2概述（2）21數(shù)字調(diào)制技術(shù)概況（2）22VHDL語言特點和基本結(jié)構(gòu)（2）23設(shè)計思路（3）3總體設(shè)計思路（4）4二進制頻移鍵控信號的調(diào)制與解調(diào)基本原理（4）41二進制頻移鍵控信號的調(diào)制的基本原理（4）42二進制頻移鍵控信號的解調(diào)的基本原理（5）5二進制頻移鍵控信號的調(diào)制與解調(diào)的VHDL程序?qū)崿F(xiàn)（8）51二進制移頻鍵控信號調(diào)制的VHDL程序?qū)崿F(xiàn)（8）52二進制移頻鍵控信號解調(diào)的VHDL程序?qū)崿F(xiàn)（9）6結(jié)論（10）ABSTRACT（11）附錄（11）基于EDA技術(shù)的2FSK的調(diào)制與解調(diào)作者溫秋艷指導(dǎo)老師張帥摘要基于EDA的種種優(yōu)勢，本文在闡述數(shù)字通信中二進制頻移鍵控信號的調(diào)制與解調(diào)的基本原理和EDA技術(shù)及其系統(tǒng)描述設(shè)計語言VHDL語言的基本特點和語法結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，給出了在MAXPLUS開發(fā)軟件環(huán)境下，利用VHDL系統(tǒng)硬件描述語言設(shè)計二進制頻移鍵控信號的調(diào)制與解調(diào)的具體方法及仿真分析結(jié)果。關(guān)鍵詞2FSK調(diào)制與解調(diào)；EDA技術(shù)；VHDL1引言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計正朝高速度、大容量、小體積的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的自底而上的設(shè)計方法已難以適應(yīng)形勢。EDA（ELECTRONICDESIGNAUTOMATION）技術(shù)應(yīng)運而生，使傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計發(fā)生了根本的變革。EDA技術(shù)就是依賴功能強大的計算機，在EDA工具軟件平臺上，對以硬件描述語言VHDL為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計文件，自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合（布局布線），以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實現(xiàn)既定的電子線路系統(tǒng)功能。EDA技術(shù)使得設(shè)計者的工作僅限于利用軟件的方式，即利用硬件描述語言和EDA軟件來完成對系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)可現(xiàn)場編程，在線升級；整個系統(tǒng)低功耗，多功能等特點，成為現(xiàn)代電子設(shè)計發(fā)展的趨勢。EDA技術(shù)徹底改變了數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法和實現(xiàn)手段，借助于硬件描述語言的國際標準VHDL和強大的EDA工具，可減少設(shè)計風(fēng)險并縮短周期，隨著VHDL語言使用范圍的日益擴大，必將給硬件設(shè)計領(lǐng)域帶來巨大的改革。VHDL語言是目前應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)仿真最為實用的語言之一。2概述21數(shù)字調(diào)制技術(shù)概況數(shù)字調(diào)制技術(shù)是現(xiàn)代通信的一個重要內(nèi)容，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于數(shù)字信號具有豐富的低頻成分，不宜進行無線傳輸或長距離電纜傳輸，因而需要將基帶信號進行數(shù)字調(diào)制（DIGITALMODULATION）。數(shù)字調(diào)制同時也是數(shù)字信號頻分復(fù)用的基本技術(shù)。數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制具有許多類似的特點，一般都是利用調(diào)制信號（模擬基帶信號或數(shù)字基帶信號）對正弦型載波進行調(diào)制，使載波的幅度/頻率或相位發(fā)生變化以攜帶調(diào)制信號的信息；兩者的主要區(qū)別表現(xiàn)在模擬調(diào)制是用模擬調(diào)制信號去調(diào)制載波，而數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字信號去調(diào)制載波。但是，與模擬調(diào)制系統(tǒng)對比，數(shù)字調(diào)制的突出優(yōu)先之一，是抗干擾（或噪聲）能力強。在采用模擬調(diào)制的傳輸系統(tǒng)中，一旦產(chǎn)生失真或引入干擾，且這些干擾的頻率又與信號頻譜重疊，則它們對解調(diào)信號的影響是難以消除的。而在采用數(shù)字調(diào)制的傳輸系統(tǒng)中，盡管解調(diào)信號存在失真或干擾，但只要取樣判決電路能正確判定每個碼元所代表的是1還是0，就可不失真地重現(xiàn)原信號。頻移鍵控（FSK）是數(shù)字通信中經(jīng)常使用的一種調(diào)制方法。FSK方法簡單，易于實現(xiàn)，也可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰性能也較強。缺點是占用頻帶較寬，頻帶利用不夠經(jīng)濟。因此，F(xiàn)SK主要應(yīng)用于低、中速數(shù)據(jù)傳輸，以及衰落信道和頻帶較寬的通信中。以往的頻移鍵控調(diào)制與解調(diào)采用“固定功能集成電路連線”方式設(shè)計，集成塊多，連線復(fù)雜，容易出錯，且體積較大，本設(shè)計采用VHDL語言進行設(shè)計，具有良好的可移植性和產(chǎn)品升級的系統(tǒng)性同時采用了ALTERA公司的FPGA芯片，有效地縮小了系統(tǒng)的體積。22VHDL語言特點和基本結(jié)構(gòu)VHDL語言即超高速集成電路硬件描述語言。它是一種用形式化方法來描述數(shù)字電路和設(shè)計數(shù)字邏輯系統(tǒng)的語言。特別適合描述復(fù)雜的組合邏輯、組運算、狀態(tài)機和真值表，是1980年美國國防部實施超高速集成電路VHSIC項目中開發(fā)形成的描述集成電路結(jié)構(gòu)和功能的標準語言，并在1987年成了IEEE的標準。和傳統(tǒng)門級設(shè)計方法相比有以下幾個特點設(shè)計層次高，用于在較復(fù)雜的運算時能盡快的發(fā)現(xiàn)問題，縮短設(shè)計周期，產(chǎn)品上市快，從而降低成本。與工藝無關(guān)獨立實現(xiàn)，修改方便，系統(tǒng)描述能力強?？勺x性好，有利于交流，適合文檔保存。VHDL標準、規(guī)范并且可移植性強。VHDL類型多，并且支持用戶自定義類型、支持自上而下的設(shè)計方法和多種電路設(shè)計。VHDL語言程序設(shè)計的基本語法結(jié)構(gòu)如下LIBRARY指定庫名USEALL指定程序包ENTITY實體名ISGENERIC類屬聲名；實體聲明PORT端口聲明；END實體名稱；ARCHITECTURE結(jié)構(gòu)名稱OF實體名稱IS結(jié)構(gòu)體聲明聲明語句BEGIN并行處理語句；END結(jié)構(gòu)體名稱；23設(shè)計思路2FSK信號是在通信技術(shù)領(lǐng)域中經(jīng)常要使用到的一種調(diào)制技術(shù)，在傳統(tǒng)設(shè)計中是通過設(shè)計專用電路來實現(xiàn)的。由于PLD器件具有可重構(gòu)性的特點，并且現(xiàn)在大多數(shù)PLD器件速度快、存儲容量大，因此完全可以使用EDA技術(shù)在PLD器件上建立2FSK模型。由于本文設(shè)計的是一種通信調(diào)制技術(shù)，只需編寫出相應(yīng)的調(diào)制與解調(diào)程序，下載到PLD器件中即可，因此本文沒有硬件電路設(shè)計，完全是軟件設(shè)計。主要設(shè)計思路是根據(jù)2FSK調(diào)制與解調(diào)，使用VHDL語言編寫相應(yīng)的程序，編寫完成后使用EDA軟件進行編譯、仿真，完全正確后下載到PLD器件中。如果以后需要進行修改，只需將修改過的程序再次下載到PLD器件中即可。3總體設(shè)計思路由于是對2FSK調(diào)制與解調(diào)技術(shù)進行通信建模，因此首先需要對2FSK調(diào)制與解調(diào)的基本原理有一定的了解。由于2FSK信號產(chǎn)生的方法及FSK解調(diào)方法有多種，那么就需要進行比較，找出一種適合的方法，然后針對該方法進行程序設(shè)計。在設(shè)計時首先勾畫出2FSK調(diào)制與解調(diào)的模型框圖，然后根據(jù)框圖對相應(yīng)的模塊進行程序設(shè)計。程序編寫完成后進行編譯，無誤后可產(chǎn)生其對應(yīng)的VHDL建模符號，進行仿真，觀察是否與2FSK實際調(diào)制與解調(diào)情況一致，如果不一致，則對程序進行修改。4二進制頻移鍵控信號的調(diào)制與解調(diào)基本原理41二進制頻移鍵控信號的調(diào)制的基本原理2FSK信號是用載波的頻率來傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。2FSK信號便是符號“1”對應(yīng)于載頻F1，而符號“0”對應(yīng)于載頻F2（與F1不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且F1與F2之間的改變是瞬間完成的。移頻鍵控信號產(chǎn)生的方法通常有兩種直接調(diào)頻法和頻率鍵控法。（1）直接調(diào)頻法直接調(diào)頻法是用數(shù)字基帶信號直接控制載頻振蕩器的振蕩頻率。其實現(xiàn)電路有多種，一般采用的方法是當(dāng)基帶信號為正時（相當(dāng)于“1”碼），改變振蕩器諧振回路參數(shù)，使振蕩器的振蕩頻率提高（設(shè)為F1）；當(dāng)基帶信號為負時（相當(dāng)于“0”碼），改變振蕩器諧振回路的參數(shù)，使振蕩器的振蕩頻率降低（設(shè)為F2），從而實現(xiàn)調(diào)頻。這種方法產(chǎn)生的調(diào)頻信號是相位連續(xù)的，雖然實現(xiàn)方法簡單，但是頻率穩(wěn)定度不高，頻率轉(zhuǎn)換速度不能太快。（2）頻率鍵控法該方法也稱頻率選擇法，圖1是其實現(xiàn)的原理框圖。圖1頻率鍵控法原理圖頻率鍵控法產(chǎn)生的FSK信號頻率穩(wěn)定度可以做的很高，并且沒有過渡頻率，轉(zhuǎn)換速度快，波形好。圖2是利用兩個獨立分頻器，以頻率鍵控法實現(xiàn)FSK調(diào)制的原理電路圖圖2利用獨立分頻器的鍵控法實現(xiàn)FSK調(diào)制42二進制頻移鍵控信號的解調(diào)的基本原理2FSK解調(diào)就是從FSK載波信號中恢復(fù)調(diào)制碼元，其方法有很多，如相干檢測法、包絡(luò)檢波法、鑒頻器法、過零檢測法、差分檢測法等。（1）相干檢測法相干檢測的具體解調(diào)電路是同步檢波器，原理方框圖如圖33所示。圖中兩個帶通濾波器的作用同于包絡(luò)檢波法，起分路作用。它們的輸出分別與相應(yīng)的同步相干載波相乘，再分別經(jīng)低通濾波器濾掉二倍頻信號，取出含基帶數(shù)字信息的低頻信號，抽樣判決器在抽樣脈沖到來時對兩個低頻信號的抽樣值進行比較判決（判決規(guī)則同于包絡(luò)檢波法），即可還原出基帶數(shù)字信號。圖32FSK同步檢測方框圖（2）包絡(luò)檢波法包絡(luò)檢波法可視為由兩路2ASK解調(diào)電路組成,如圖34。這里，兩個帶通濾波器（帶寬相同，皆為相應(yīng)的2ASK信號帶寬；中心頻率不同,分別為起分路作用，用以分開兩路2ASK信號，上支路對應(yīng)12,F，下支路對應(yīng)，經(jīng)包絡(luò)檢測后1COSNYTT22COSNYTT分別取出它們的包絡(luò)ST及；抽樣判決器起比較器作用，把兩路包絡(luò)信號同時送到抽樣判決器進行比較，從而判決輸出基帶數(shù)字信號。若上、下支路ST及的抽樣值分別用表示，則抽樣判決器的判決準則為ST12,V判為“”判為0圖42FSK信號包絡(luò)檢波方框圖（3）鑒頻法用普通鑒頻法進行解調(diào)，將恢復(fù)成碼元1，把S2（T）恢復(fù)成1ST2S碼元0，圖5為普通鑒頻法原理框圖。圖5鑒頻器法實現(xiàn)方框圖在接收端FSK信號進入帶通濾波器抑制掉干擾，經(jīng)限幅器消除接收的信號在幅度上的畸變，解調(diào)器的關(guān)鍵部位是鑒頻器他把兩種不同頻率的FSK信號變成兩種不同的電壓信號，然后送低通濾波器濾除高頻分量，從而得到基波的包絡(luò)線，最后經(jīng)判決器恢復(fù)出其基帶動數(shù)字信號。如果傳輸?shù)男盘枎捄苷?，是窄帶?shù)字通信，并且傳輸信號的信道噪聲、干擾很小，信噪比較大，也即數(shù)字通信系統(tǒng)的工作環(huán)境比較干凈，則可以考慮只使用一路鑒頻解調(diào)電路來解調(diào)2FSK信號。由于2FSK信號只有兩種頻率成份,解調(diào)出信號，信號也隨之被解調(diào)出來。也就是12F1F2F說，利用一路頻率信號（如F1）還原成數(shù)字信息“0”，接收端由比較器在“0”碼元之間自動補入“1”，這樣即還原出了二進制基帶數(shù)字信息，完成了2FSK信號的解調(diào)，這種解調(diào)方法相應(yīng)于其他解調(diào)方法較為簡單，同時減少了設(shè)備，為系統(tǒng)的集成提供了便利，但這種解調(diào)方法要求較高，它需要所應(yīng)用的信道十分干凈，鑒頻電路的輸入信號要有很窄的帶寬且鑒頻曲線非常陡峭，2FSK信號的鑒頻解調(diào)原理方框圖如圖所示圖62FSK信號鑒頻解調(diào)原理框圖（4）過零檢測法過零檢測法單位時間內(nèi)信號經(jīng)過零點的次數(shù)多少，可以用來衡量頻率的高低。數(shù)字調(diào)頻波的過零點數(shù)隨不同載頻而異，故檢出過零點數(shù)可以得到關(guān)于頻率的差異，這就是過零檢測法的基本思想。過零檢測法方框圖及各點波形如圖37。2FSK輸入信號經(jīng)放大限幅后產(chǎn)生矩形脈沖序列，經(jīng)微分及全波整流形成與頻率變化相應(yīng)的尖脈沖序列，這個序列就代表著調(diào)頻波的過零點。尖脈沖觸發(fā)一寬脈沖發(fā)生器，變換成具有一定寬度的矩形波，該矩形波的直流分量便代表著信號的頻率，脈沖越密，直流分量越大，反映著輸入信號的頻率越高。經(jīng)低通濾波器就可得到脈沖波的直流分量。這樣就完成了頻率幅度變換，從而再根據(jù)直流分量幅度上的區(qū)別還原出數(shù)字信號“1”和“0”。圖7過零檢測法方框圖及各點波形圖（5）差分檢測法差分檢波法基于輸入信號與其延遲的信號相比較，信道上的失真將同時影響相鄰信號，故不影響最終鑒頻結(jié)果。實踐表明，當(dāng)延遲失真為0時，這種方法的檢測性能不如普通鑒頻法，但當(dāng)信道有較嚴重延遲失真時，其檢測性能優(yōu)于鑒頻法。5二進制頻移鍵控信號的調(diào)制與解調(diào)的VHDL程序?qū)崿F(xiàn)51二進制移頻鍵控信號調(diào)制的VHDL程序?qū)崿F(xiàn)FSK的調(diào)制方法如圖8所示圖82FSK信號調(diào)制的VHDL建模方框圖在圖中FSK調(diào)制的核心部分是分頻器、二選一選通開關(guān)等。上圖中的兩個分頻器分別產(chǎn)生兩路數(shù)字載波信號；二選一選通開關(guān)的作用是以基帶信號作為控制信號，當(dāng)基帶信號為“0”，選通載波當(dāng)基帶信號為1F“1”時，選通載波。從選通開關(guān)輸出的信號即為數(shù)字FSK信號。2F圖9FSK調(diào)制電路的VHDL建模符號圖10FSK調(diào)制的VHDL程序仿真圖52二進制移頻鍵控信號解調(diào)的VHDL程序?qū)崿F(xiàn)圖112FSK信號解調(diào)的VHDL建模方框圖在該圖中核心部分由分頻器、寄存器、計數(shù)器、判決器組成。由于和的周期不同，如果設(shè)2，并且基帶信號電平“1”，對應(yīng)；1F21F21F基帶信號電平“0”，對應(yīng)；，則在圖中計數(shù)器以為時鐘信號，上升1F沿技術(shù)，基帶信號“1”碼元對應(yīng)的技術(shù)個數(shù)為，基帶信號“0”碼元F對應(yīng)的技術(shù)個數(shù)為。計數(shù)器根據(jù)兩種不同的技術(shù)情況，對應(yīng)輸出“0”21F和“1”兩種電平。判決器以為時鐘信號，對計數(shù)器輸出信號進行抽樣1F判決，并輸出基帶信號。圖12FSK解調(diào)電路的VHDL建模符號圖13FSK解調(diào)電路的仿真圖6結(jié)論本設(shè)計是在EDA工具軟件平臺上，以硬件描述語言VHDL為系統(tǒng)邏輯描述手段來完成設(shè)計文件的。通過仿真圖我們能夠看出頻移鍵控的調(diào)制與解調(diào)信號符合原理要求。為了更好地設(shè)計電路，我們在設(shè)計前應(yīng)首先劃分好功能模塊，然后再分別進行編寫，最后進行綜合分析測試，進而達到要求的效果。參考文獻1樊昌信通信原理M北京國防工業(yè)出版社，20041331452候伯亨，顧新VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計M西安西安電子科技大學(xué)出版社，200311323曾繁泰EDA工程概論M清華出版社,20024金西VHDL與復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計M西安西安電子科技大學(xué)出版社，20035李景華，杜玉遠可編程邏輯器件與EDA技術(shù)M沈陽東北大學(xué)出版社，20006張昌凡可編程邏輯器件及VHDL設(shè)計技術(shù)M廣州華南理工大學(xué)出版社,20017曾繁泰,陳美金VHDL程序設(shè)計M北京清華大學(xué)出版社，20018潘松等VHDL實用教程M成都電子科技大學(xué)出版社,20009陳華鴻移頻鍵控（FSK）及其最新應(yīng)用J現(xiàn)代計算機，20009362810金風(fēng)蓮VHDL語言在EDA仿真上的應(yīng)用J現(xiàn)代電子技術(shù)，2005,19711512211李端，VHDL與數(shù)字電路設(shè)計J電氣開關(guān)，2005,26812LIUGAOPING，IMPLEMENTATIONOFFSKMODULATORUSINGSOCTECHNOLOGYJRESEARCHANDEXPLORATIONINLABORATORY，2006,4293213ZHANGXINCOMMUNICATIONRECEIVERBASEDONFSKMODULATIONJOURNALOFNORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY2007MODULATIONANDDEMODULATIONOF2FSKBASEDONEDATECHNOLOGYWENQIUYANABSTRACTACCORDINGTOEDAVARIOUSADVANTAGES,THEPAPERMAINLYTALKSABOUTTHEBASICTHEORYOFMODULATIONANDDEMODULATIONOFBINARYFREQUENCYSHIFTKEYINGINTHEDIGITALCOMMUNICATIONITALSOINTRODUCESTHEFUNCTIONSANDCHARACTERISTICSOFTHEEDATECHNOLOGYANDDESCRIBESTHEFUNDAMENTALFEATURESANDPROGRAMMATICSTRUCTURESOFTHELANGUAGEVHDLUSEDINTHESYSTEMANDTHENTHEPAPERADVANCESTHESPECIFICMETHODSANDTHESIMULATEDANALYZINGRESULTSOFDESIGNINGTHEMODITIONANDDEMODITIONOFTHEBINARYFREQUENCYSHIFTKEYINGBYUSINGTHEVHDLLANGUAGEUNDERTHECIRCUMSTANCEOFAPPLYINGTHESOFTWAREMAXPLUSKEYWORDSFSKMODULATIONANDDEMODULATIONEDATECHNOLOGYVHDL附錄（1）2FSK調(diào)制信號的VHDL程序LIBRARYIEEEUSEIEEESTD_LOGIC_1164ALLUSEIEEESTD_LOGIC_ARITHALLUSEIEEESTD_LOGIC_UNSIGNEDALLENTITYFSK_TIAOZHIISPORTCLKINSTD_LOGIC系統(tǒng)時鐘STARTINSTD_LOGIC開始調(diào)制信號XINSTD_LOGIC基帶信號YOUTSTD_LOGIC調(diào)制信號ENDFSK_TIAOZHIARCHITECTUREBEHAVOFFSK_TIAOZHIISSIGNALQ1INTEGERRANGE0TO11載波信號F1的分頻計數(shù)器SIGNALQ2INTEGERRANGE0TO3載波信號F2的分頻計數(shù)器SIGNALF1,F2STD_LOGIC載波信號F1,F2BEGINPROCESSCLK此進程通過對系統(tǒng)時鐘CLK的分頻，得到載波F1BEGINIFCLKEVENTANDCLK1THENIFSTART0THENQ10ELSIFQ15THENF11Q1Q11改變Q1后面的數(shù)字可以改變載波F1的占空比ELSIFQ111THENF10Q10改變Q1后面的數(shù)字可以改變載波F2的頻率ELSEF10Q1Q11ENDIFENDIFENDPROCESSPROCESSCLK此進程通過對系統(tǒng)時鐘CLK的分頻，得到載波F2BEGINIFCLKEVENTANDCLK1THENIFSTART0THENQ20ELSIFQ20THENF21Q2Q21改變Q2后面的數(shù)字可以改變載波F2的占空比ELSIFQ21THENF20Q20改變Q2后面的數(shù)字可以改變載波F