基于FPGA的FSK信号发生器的设计

1、 摘 要本文主介绍了基于fpga的fsk信号发生器的设计方法,即eda技术开发平台quartus ii上设计了一种fsk信号信号发生器,利用m序列的随机性和确定性来产生输入基带信号,用分频器把时钟信号分频成两个不同频率的信号，并在quartus ii环境下进行了仿真实验，得到了对应的仿真波形。本设计采用的是lattice公司的 fpga 芯片，它有效地缩小了系统的体积，降低了成本，且电路简洁，增加了系统的可靠性。由于所用的器件在信号处理过程中有一定的延迟，所以不可避免的出现信号失真。这在实际应用中也是不可避免的。采用更好的调制解调方法和改进器件的信号处理速度可以使信号延迟得到改善。【关键词】频

2、移键控 可编程逻辑阵列 信号发生器 超高速集成电路硬件描述语言 abstractthe method of integrated circuits of fixed function with lines had been adopted, but there are many integrated units, cmplicated lines, large volume in this system ,which makes errors easily. to resolve the problem, i design and achieve a new fsk modem based o

3、n eda technology development platforms of quartus ii,and use pseu-do-random sequence to generate the importation of base-band signal,with crossover frequency of the clock signal into two different frequency signals.provided details on the fpga-based fsk signal generator design and simulation results

4、 with vhdl source code provided in the quartus ii environment. because those devices used in the system always delay during the signal processing process, it is inevitable that the signal would be distortion. it is also inevitable in the practical application. in order to improve the system, using b

5、etter modulation methods and improving the signal processing speed of the devices are helpful.【key words】fsk fpga signal generator vhdl目 录第一章 绪 论1 第一节 课题的研究背景及意义1 第二节 fsk应用现状2一、蓝牙(bluetooth)通信设备2二、医学植入微电子器件3三、低速信号发生器3五、便携式消费电子4第三节 本文主要工作4第二章 fsk调制解调的基本原理5第一节 fsk调制概述5一、fsk简介5二、fsk信号的时域表达5 第二节 fsk调制基本

6、原理6一、直接调频法7二、 频率键控法7第三节 fsk的调制系统结构图8第三章 开发工具概述9第一节 性能结构9第二节 基于eda工具的fpga设计流程12一、 eda技术12二、 基于eda的fpga开发流程13第三节 quartus ii简述14第四章 基于vhdl的fsk调制系统设计方案17第一节 fsk调制总体思路17第二节分频器原理17第三节 m系列产生基带信号原理19第五章 基于fpga的fsk调制系统设计实现20第一节 fsk调制系统设计步骤20一、 建立工作库目录文件夹20二、 新建一个vhdl file文件21三、 建立工程项目22四、 程序编译23五、 新建原理图文件24第

7、二节 基于vhdl语言fsk信号发生器仿真25一、建立仿真测试波形文件25二、 添加仿真信号输入输出端口26三、 设置仿真时间区域28四、 设计信号波形28五、fsk调制vhdl程序仿真29六、 fsk调制电路图30结 论32致 谢33参考文献34附 录35一、程序清单35iv第1章 绪 论 第一节 课题的研究背景及意义随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像；通信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。而这些系统都使用到了数字调制技术。而且从电子时代初期开始，随着技术的不断发展，本地通讯与全球

8、通讯的之间壁垒被打破，从而导致我们世界变得越来越小，人们分享知识和信息也更加容易。贝尔和马可尼可谓通讯事业的鼻祖，他们所完成的开拓性工作不仅为现代信息时代奠定了基础，而且为未来电讯发展铺平了道路。而且，通信事业正蓬勃发展，有广阔的情景。可见，通信已与我们的生活密不可分。通信传输的方式有多种多样。传统的本地通讯借助于电线传输，因为这既省钱又可保证信息可靠传送。而长途通讯则需要通过无线电波传送信息。无线电通信在现代通信中占有及其重要的地位，被广泛应用于商业、气象、运输、民用等领域。例如,蓝牙技术,它可在世界上的任何地方实现短距离的无线语音和数据通信2。无线电以电磁波的形式在空间中传播的，为了延长传

9、输距离，减少噪声干扰，提高信道利用率以及保护信号接受质量，发射信号采用不同的调制体制并在不同的信道上传送。这就不仅在系统硬件设备方面有所浪费，而且从传送信息的准确性考虑，由于气象条件、高大建筑物以及其他各种各样的电磁干扰，往往所采取的措施并不能保证了信息传送的确定性。随着现代科学技术的发展,目前使用的最为广泛的是电通信方式,即电信号携带所需要传递的消息,然后经过电信道进行,达到通信的目的。之所以使用电通信方式是因为这种方式能使消息几乎在任意的通信距离上实现迅速而有准确的传递。因此，如今所说的“通信”这一术第3节 本文主要工作1.了解了fsk信号的基本概念后，利用quartus ii软件中的vh

10、dl语言对fsk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、解调的电路图。第2章 fsk调制解调的基本原理第一节 fsk调制概述一、fsk简介信息的传输是通信领域不可缺少的研究内容，由于频率资源的有限性,限制了我们无法用开路信道传输信息；其次，通信的最终目的是远距离传递信息。由于传输失真、传输损耗以及无法保证带内特性的原因,基带信号是无法在无线信道或光纤信道上进行长距离传输的。为了在信道中进行长途传输,必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处就是所谓

11、的调制。数字频移键控（fsk）是一种对正弦波载波进行数字非线性调制解调技术。它是继ask之后出现较早的一种调制解调技术方式，由于它抗噪声、抗衰落性能较好，设备不算复杂，实现容易，所以在很多场合获得应用。二进制频移键控是用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平。接受端受到不同的载波信号再进行逆变换成为数字信号，完成信息传输过程。由于数字信号只有“0”和“1”两种状态, 所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关电键控制载波的过程。二、fsk信号的时域表达 2fsk信号的典型事件波形如下图所示：11110002fsk信号图 2.1图 2f图sk时域时间波形 图2.1 2fsk信号的典型事件波形

12、第二节 fsk调制基本原理通常2fsk信号可以由两种电路实现。直接调频法和频率键控法，下面具体介绍两种方法的基本原理。一、直接调频法用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，使其输出两个不同频率的码元。一般采用的控制方法是：当基带信号为正时（相当于“1”码），改变振荡器谐振回路的参数（电容或者电感数值），使振荡器的振荡频率提高（设为f1）；当基带信号为负时（相当于“0”码），改变振荡器谐振回路的参数（电容或者电感数值），使振荡器的振荡频率降低（设为f2）；从而实现了调频。这种方法产生的调频信号是相位连续的，虽然实现方法简单，但频率稳定度不高，同时频率转换速度不能做得太快，但是其优点是由调频器所

13、产生的fsk信号在相邻码元之间的相位是连续的，直接调频法的示意图如图2.2所示。 图2.2 直接调频法原理框图2、 频率键控法频率键控法也称频率选择法。它有两个独立的振荡器，数字基带信号控制转换开关，选择不同频率的高频振荡信号实现fsk调制，频率键控法的示意图如图2.3所示。五、fsk调制vhdl程序仿真 所有设置完成后，即可启动仿真器processingstart simulation直到出现simulation was successful，仿真结束。编译结果如图5.16所示，仿真波形输出文件fskcodec simulation report将自动弹出如图5.17所示。 图5.16 编译

14、结果图5.17 fsk调制vhdl程序仿真波形图2、 fsk调制电路图quartus ii可实现硬件描述语言或网表文件（vhdl、verilog、bdf、tdf、edif、vqm）对应的rtl电路图的生成。其方法为：选择toolsrtl viewer，可以打开fsk工程个层次的rtl电路图，双击图形中有关模块，或选择左侧各项，可了解个层次的电路结构，如图5.18所示。图5.18 fsk调制电路图结 论本次设计，由于数字调制技术与fpga的结合，使得通信系统的性能得到了迅速的提高。通过fsk系统调制系统建模，以quartus ii 8.0软件为平台，基于vhdl语言，达到了预期的仿真结果。通过本

15、次设计，了解了频移键控数字通信系统的用途及工作原理，熟悉了fsk基于vhdl语言的设计步骤，提高了绘图能力，锻炼了设计实践和语言组织能力，培养了自己独立设计能力。但由于个人的能力有限，设计还存在不足。本次毕业设计是对专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。致 谢毕业设计完成了，在这个过程中我学到了很多东西。首先我要感谢我的导师周围老师，他在我完成论文的过程中，给予了我很大的帮助。在论文开始的初期，我对于论文的结构以及文献选取等方面都有很多问题，经过老师的耐心指导，我找到了查找资料的方法，遇到问题和请教老师，经过几个月的奋斗，顺利完成了设计，在此对周围老师表示衷心的感谢！还有我一起奋斗给予我帮助的同学们，谢谢你们！参考文献1樊昌信等.通信原理（第五版）m.北京：国防工业出版社，2001.2刘昌华.数字逻辑eda设计与实践m. 北京：国防工业出版社，2006 .3苏青,张红.基于cpld/fpga技术的数字频率设计j.北京：清华大学出2007.4黄智伟.fpga系统设计与实践m.北京：电子工业出版社，2005.5张凤言.大规模逻辑器件与数字系统设计m. 北京：北京航空航天大学出版社,1998.6段吉海,黄智伟. 基于cpld/fpga的数字通信系统