专业综合课程设计2FSK调制解调器的设计.doc

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1、专业综合课程设计题 目 2FSK调制解调器的设计 学生姓名 学号 041742023 所在院(系) 电 信 工 程 系 专业班级 通 信 工 程 专 业 041 班 指导教师 完成地点 电 信 工 程 系 实 验 室 2007年 12 月 22 日专业综合课程设计任务书院(系) 电 信 工 程 系 专业班级 通信工程专业041班 学生姓名 杨 超 一、专业综合课程设计题目 2FSK调 制 解 调 器 的 设 计 二、专业综合课程设计工作自 2007 年 12 月 10 日 起至 2007 年 12 月 21 日止三、专业综合课程设计进行地点: 电 信 工 程 系 实 验 室 四、专业综合课程设

2、计的内容要求： 1、2FSK在衰落信道/随参信道等场合应用广泛。 2、利用硬件或EDA技术设计并制作一2FSK调制解调器。 3、设计的2FSK调制解调器，必须用示波器测试有关波形，并能完全恢复输入信号。 4、本课题设计时间安排： 12月10日：查阅相关资料，熟悉题目内容，进行方案论证； 12月11日-12月18日：安装及调试运行，整体联调； 12月19日：课程设计验收； 12月20日-21日：撰写、修改、提交课程设计报告 指 导 教 师 系(教 研 室) 通 信 工 程 教 研 室 接受设计任务开始执行日期 2007年12月10日 学生签名 2FSK调制解调器的设计杨超（陕西理工学院电信工程系

3、通信工程专业041班，陕西汉中，723003）摘 要本设计是使用MAX+plus II作为开发环境，通过原理图输入法和文本输入法设计2FSK调制解调器。2FSK调制解调器主要由调制电路、解调电路两部分组成，这两部分电路由VHDL语言编写做成，总体设计由原理图设计法完成。设计中经过不断的修改和仿真，经最后下载到可编程逻辑器件进行硬件验证，本设计经调制解调器后的输出信号和输入信号基本一样,说明设计的系统成功。但设计不够完善，还有很多可以改进的地方，以后的设计功能会更强，系统更加完美。关键词 调制解调 可编程逻辑器件 硬件描述语言 电子设计自动化 Design of 2FSK ModemCui Hu

4、qiang(Major of Communication Engineering 041,Department of Electronics & Information Engineering, Shaanxi University of Technology, hanzhong 723003 China)AbstractThis design is to use MAX plus II be develop environment, accross the principle diagram input method and text originally input method to d

5、esign a 2 FSK modem.2 FSK modem is mainly composed of modulation circuit and demodulatetion circuit, these two part of electric circuits are written by the VHDL language to make into, total design to design a method completion from the principle diagram.Design medium through continuous modification

6、and imitate really, after downloading a programmable logic spare part to carry on a hardware verification finally, this design through modem of output signal and input signal basic are similar,the results indicated that the system is successed.But the design isnt perfect enough, there are also a lot

7、 of places that can improve. In the immediate future,the functions of the systems would be stronger, the systems will be more perfect.Key words：modulation and demodulation Programmable logic DeviceVery-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description LanguageElectronic Design Automation目 录摘要.IAbst

8、ract.II第1章 绪 论.31.1 课题背景.31.1.1课题设计目的.31.1.2设计思路和设计过程.31.2 本章小结.4第2章 方案论证.52.1提出方案.52.1.1方案一.5 2.1.2方案二.52.2 分析可行性和优缺点.5 2.2.1 方案一.5 2.2.2 方案二.5 2.3方案选择.5 2.4本章小结.5第3章 2FSK调制解调器原理简介.6 3.1原理简介.6 3.2选择器件和设计仿真.103.3 本章小结.10第4章 2FSK调制解调器的设计.11 4.1 2FSK调制解调设计.11 4.1.1 设计调制电路.11 4.1.2 设计解调电路.12 4.1.3 分立元件

9、合并为整体系统.13 4.1.4 设计下载验证结果.14 4.2 本章小结.15第5章 设计结果与分析.16 5.1设计结果及其分析.16 5.1.1设计结果.16 5.1.2结果分析.16 5.2 本章小结.16结论.17致 谢.18参考文献.19附 录 A.20附 录 B.23第1章 绪 论1.1 课题背景与模拟通信相比,数字通信具有许多优良的特性。近年来,随着大规模集成电路的出现,数字系统的复杂程度和技术难度大大降低。此外,数字处理的灵活性使得数字传输系统中传输的数字信息既可以来自计算机、电传机等数据终端的各种数字代码,也可以来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码信号等。为了使数字信号在带

10、通信道中传输,必须用数字基带信号对载波进行调制,以使信号与新到特性匹配。在二进制数字调制中,载波的幅度、频率和相位只有两种变化状态,相应的调制方式有2ASK、2FSK和2PSK。所以,这次设计选用2FSK调制方式来设计2FSK调制解调器。1.1.1课题设计目的本次综合课程设计的目的主要在于增强学生综合运用专业知识的能力，同时培养学生的动手能力和创新精神,熟练掌握EDA技术,并将其融会贯通,运用自如。能够运用所掌握的专业知识设计本专业的基本的系统。这就要求学生在学习理论知识的同时将实践操作联系起来,使自己发展成综合型的人才,适应社会的需求。1.1.2 设计思路和设计过程本设计要求设计2FSK调制

11、解调器,可以分两级设计一个调制器和一个解调器,基带信号从调制器进入,出来的时候变成2FSK调制信号,将调制器的输出作为解调器的输入,信号经解调器后恢复出原来的基带信号,如果信号波形一样。则说明设计成功。设计时既可以用硬件实现也可以用软件来实现。用EDA软件实现时可以用原理图输入法完成,也可以用VHDL语言编程来实现,还可以综合利用原理图输入法和 VHDL语言编程来实现。本设计的系统总体结构框图如图1-1所示:第一部分为输入的基带信号,可由数字信号发生器产生。第二部分为调制器,它由时钟控制器、分频器和计数器三部分组成。第三部分为解调器。第四部分为输出的基带信号,它的波形应该和输入时的波形一样。时

12、钟控制解 调 器分频器计数器基带信号基带信号 图1-1 系统结构框图1.2 本章小结本章论述了课题设计的背景，设计的目的以及设计思路及过程的初步探讨。从整体的角度对设计进行了分析，为后面的设计打下基础。 第2章 方案论证2.1提出方案 实现本设计的方法很多，可以用硬件来实现,也可以用原理图输入法和VHDL硬件描述语言来完成电路的设计。经过思考和查阅相关资料,由于硬件设计时比较烦琐,器件参数有偏差,信号容易产生失真,电路的调试比较难,在短时间内难以调出正确的波形,所以我们放弃用硬件设计的方案。对于用软件实现,我们提出了三种方案，各方案如下：2.1.1方案一 采用原理图输入法设计一个十六分频器，一

13、个十分频器将它们与八进制计数器,D触发器,逻辑门构成一个四级伪随机序列发生器,再将它与2选1选择器,74LS161,D触发器综合即可完成软件部分。2.1.2 方案二 使用VHDL硬件描述语言来设计所有单元电路,编辑调制与解调器的程序,然后利用顶层文件将它们综合起来，最终使其具有调制解调的功能。2.2分析可行性和优缺点2.2.1方案一 这种方案全部使用图形输入法,涉及的器件很多,有一部分器件软件没有,设计也很复杂,如果设计不当,难以得到理想的结果。2.2.2 方案二 这种方案充分利用了MAX+Plus II的特点配合利用图形输入法和文本输入法的优点，所用的程序简单，使电路实现起来非常简单，调试起

14、来也容易,而且让人易懂。2.3 方案选择 通过上面的比较，方案二实现起来比较容易，因此选用它作为设计方案。2.4 本章小结 实际生活中，方案的选择非常重要，一个好的方案不仅可以使设计简单实现容易，还可以降低设计成本提高产品竞争力。本章通过论证，选择了方案，为后面的设计打好了基础。 第3章 2FSK调制解调器原理简介3.1 原理简介数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频 ，而符号“0”对应于载频 （与 不同的另一载频）已调波形，而且 与 之间的改变是瞬间完成

15、的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2FSK信号的产生方法及波形示例如图所示。图3-1中s(t)为代表信息的二进制矩形脉冲序列， 即是2FSK信号。 图3-1 2FSK信号产生方法及波形示例根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为 (3-1)其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列 (3-2) (3-3)g(

16、t)是持续时间为 、高度为1的门函数；为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即 (3-4)是 的反码，即若 =0，则 =1；若 =l，则 =0，于是 (3-5)分别是第n个信号码元的初相位。一般说来，键控法得到的与序号n无关，反映在上，仅表现出当与改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于与改变时的相位是连续的，故不仅与第n个信号码元有关，而且之间也应保持一定的关系。 由式（3-1）可以看出,一个2FSK信号可视为两路2ASK信号的合成，其中一路以s(t)为基带信号、 为载频，另一路以为基带信号、为载频。 图3-2给出的是用键控法实现2FSK信号的电路框图，两个独立的载波发生器的输出受控

17、于输入的二进制信号，按“1”或“0”分别选择一个载波作为输出。 图3-2 数字键控法实现2FSK信号的电路框图2FSK信号的功率谱为 其功率谱曲线如图3-3所示，由离散谱和连续谱两部分组成。其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上，这表明2FSK信号中含有载波 、 的分量。 图3-3 2FSK功率频谱图 数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。相干解调2FSK系统的抗噪声性能优于非相干的包络检测，但需要插入两个相干载波电路较为复杂。包络检测无需相干载波，因而电路较为简单。当输入信号的信噪比r很大时，两者的相对差别不很明显。一

18、般而言，大信噪比时常用包络检测法，小信噪比时才用相干解调法。 1. 包络检波法 包络检波法可视为由两路2ASK解调电路组成。这里两个带通滤波器相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同,分别为（ 、 ）起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应 下支路对应 ，经包络检测后分别取出它们的包络s(t)及 ；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路s(t)及 的抽样值分别用 表示，则抽样判决器的判决准则为 图3-4 2FSK信号包络检波方框图 2. 相干检测法 相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图3-5所示。图中

19、两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值 进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。图3-5 2FSK同步检测方框图 3. 过零检测法单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法方框图及各点波形如图3-6所示。2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的

20、尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。 图3-6 过零检测法方框图及各点波形图 4. 差分检测法 差分检波法基于输入信号与其延迟的信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。解调方法对通信与各种

21、电子设备的抗干扰性能有很大关系，其中以相干解调的抗干扰性能为最佳。对于宽带调频信号，采用频率负反馈的解调方法也可以提高接收调频信号的抗干扰性。 解调过程除了用于通信、广播、雷达等系统外还广泛用于各种测量和控制设备。例如，在锁相环和自动频率控制电路中采用鉴相器或鉴频器来检测相位或频率的变化，产生控制电压，然后利用负反馈电路实现相位或频率的自动控制3.2 选择器件和设计仿真 本设计选用ALTERA公司的MAX7000S系列的EPM7128SLC84-15型CPLD器件实现，使用MAX+PLUS II工具软件，将用VHDL语言描述以及原理图输入法设计的单元电路创建成对应的电路符号，调用到控制主电路原

22、理图设计文件中，进而完成波形编辑编译仿真程序下载功能验证等过程。使系统功能实现起来非常简洁，同时也会大大提高系统的可靠性。并且，可以借助计算机的强大的仿真功能直接在计算机上验证电路的逻辑功能。3.3 本章小结 本章简单介绍了本设计的原理以及设计过程，还有设计过程中用的语言、器件。为设计做了简单的阐述。第4章 2FSK调制解调器的设计 4.1 2FSK调制解调器设计 4.1.1 设计调制电路 本部分由VHDL语言设计。（编写的代码如附录A所示） 本部分设计分几个步骤完成，具体步骤如下：1.为整个设计建立一个名为“tzjtq”的文件夹。2.打开MAX+Plus II,选菜单FileNew,在弹出的

23、窗口中中选择“Text Editor file”，单击OK后将打开文本编辑窗口。在文本编辑窗口中输入VHDL程序。3.程序输入完毕后，选择FileSave As，在弹出的对话框的Directories目录中选择已建立好的存放本文件的目录e：tzjtq(用鼠标双击此目录，使其打开），然后在“File Name”框中键入文件名“PL_FSK.vhd”，单击“OK”按钮，即把输入的文件存放在目录e：tzjtq中了。4.这样就可以自动生成名为PL_FSK的元件，名为PL_FSK的调制电路包装元件图如图4-1所示： 图4-1 名为PL_FSK的调制电路包装元件图这样，就完成了第一部分调制器的设计，设计好

24、的调制器可以留做后用。 5.用原理图输入法为调制器加上输入输出端和接地端如图4-2所示: 图4-2 加上输入输出端的调制器6.将当前的设计设为工程，为工程选定目标器件（即选择菜单AssignDevice.,在弹出的对话框中选择MAX7000S、EPM7128SLC84-15。为工程选定目标器件图如图4-3所示 ： 图4-3 为工程选定目标器件图 7.编译VHDL程序，选择MAX-Plus II菜单的compiler命令，再选择界面上方的InterfacesVHDL Netlist Reader Settings ，在弹出的窗口中选择“VHDL 1993”再选择ProcessingFitter

25、Setting ，在弹出的窗口中消去上面的“Use Quartus Fitter”项。最后按“Start”按钮，进行编译。编译过程中没有出现错误。 8.对编译后的程序进行时序仿真。选择FileNew，在对话框中选择“Waveform Editor file”项，打开波形编辑窗口，再输入信号节点并设置波形参量，然后为输入信号加上激励电平并保存，最后运行波形仿真器。调制电路仿真波形图如图4-4所示： 图4-4 调制电路仿真波形图4.1.2 设计解调电路 1.本部分由VHDL语言设计。（编写的代码如附录B所示）本部分设计分几个步骤完成，具体步骤和设计调制器时一样。 名为FSK_DECODE的解调器电

26、路包装元件图如图4-5所示： 图4-5 名为FSK_DECODE的解调电路包装元件图这样，就完成了第二部分解调器的设计，设计好的解调器可以留做后用。 2.用原理图输入法为解调器加上输入输出端和接地端如图4-6所示: 图4-6 加上输入输出端的解调器 3.将上面的解调器选择器件,编译和波形仿真解调电路仿真波形图如图4-7所示： 图4-7 解调电路仿真波形图4.1.3分立元件合并为整体系统 前面各部分的设计，为整个设计的合并做好了准备。 首先，将调制部分和解调部分连接起来，调制部分和解调部分的连接电路图如图4-8所示： 图4-8 调制部分和解调部分的连接电路图 其次,将上面的电路选择器件,编译和波

27、形仿真。 调制模块仿真波形图如图4-9所示： 图4-9 调制解调模块仿真波形图 从上面的波形图可以看出,输出波形与输入波形基本一致,波形有一点延时。4.1.4 设计下载验证结果 当设计和仿真工作结束后，就可以将设计结果下载到实验开发板上进行验证,以验证设计的正确性。下载分为以下几个步骤： 首先是锁定引脚，按表4-1锁定管脚： 表4-1 管脚锁定表 管脚名称 管脚状态 管脚号 Base_output Output 30 Clk Input 83 X Input 24 锁定管脚时,先点击Assign菜单，选择其中的Pin/Location/Chip项进入引脚锁定界面,引脚锁定界面如图4-10所示。

28、 图4 -10 引脚锁定界 其次，为下载选定器件。选择器件时在Assign菜单下选择Device进行设定,选择7000s系列，选择器件界面如图4-11所示: 图4-11 选择器件界面 再次就是选择目标文件,进行相关连接,其界面如图4-12所示: 图4-12 选择目标文件界面 最后就是下载了，程序下载成功图如图4-26所示： 图4-26 程序下载成功图4.2 本章小结 在本章，用了大量的文字、电路图以及波形图详细的介绍了智力抢答器的设计过程，一步一步地分解设计过程。使人一看就懂。第5章 设计结果与分析 5.1设计结果及其分析5.1.1设计结果把设计结果下载到实验开发板上并连接好线路后就可以加电进行硬件验证了。给电路加入基带信号,并将基带信号和解调输出信号输入双踪示波器,通过调节示波器和输入,可以得到如图5-1所示的示波器上的实验结果。 图5-1 示波器上的实验结果5