毕业设计论文QPSK的FPGA实现.doc

《毕业设计论文QPSK的FPGA实现.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文QPSK的FPGA实现.doc（41页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、河南科技大学本科毕业设计（论文）QPSK的FPGA实现摘 要数字调制解调技术在数字通信中占有非常重要的地位, 数字通信技术与FPGA 的结合是现代通信系统发展的一个必然趋势。QPSK数字调制技术，具有频谱利用率高、频谱特性好、抗干扰性能强、传输速率快等突出特点，在移动通信、卫星通信中具有广泛应用价值，但是基于FPGA的全数字QPSK调制解调仍在进一步研究发展中。本文首先叙述了QPSK调制解调技术的工作原理和数字式调制与解调的特点。其次对QPSK的调制和解调设计展开讨论。设计包括QPSK的调制、解调两部分，基于对整个设计的要求进行分析及对QPSK实现FPGA进行功能的分解，以此划分成比较小的模块

2、，自下而上设计系统； 根据QPSK的原理分别画出QPSK调制、解调的实现框图。设计中设定每个比特对应特定的载波，并以载波作为比较，实现最后的对应的输出结果。最后基于VHDL语言分别完成QPSK的调制与解调，完成系统的设计方案，在MAX+PLUSII 环境下对模块逻辑、时序进行仿真调试的仿真结果表明了该设计的正确性，并综合得出RTL的结构图。关键词：QPSK,FPGA,调制,解调FPGA IMPLEMENTATION OF QPSKABSTRACTTechnology of digital modulation and demodulation plays an important role i

3、n digital communication system and the combination of digital communication technology and FPGA is certainly a trend.QPSK digital modulation technique has features of high-spectrum utilization ratio，better spectrum specification, stronger anti-interference performance and faster baud rate and has be

4、en applied widely in mobile communication system and satellite communication systemBut all-digital QPSK modulation and demodulation based on FPGA is still towards further research and development At first, this paper describes the principle of QPSK modulation and demodulation technology as well as t

5、he characteristics of digital modulation and demodulation. In the following words we mainly provide the discussion combined with the research and design of the QPSK modulation and demodulation .This design has two parts, which are QPSK modulation and demodulation .The analysis on the whole design re

6、quirement and the decomposition of QPSK function in FPGA lay the basis for the smaller divided modules. Then we can start up the bottom-up design .Respectively, we draw QPSK modulation and demodulation diagram on the basis of the principle of QPSK. The design supposes each bit corresponds to a speci

7、fic carrier .To achieve the final result of the corresponding output, we should take carrier as a comparison. In the end, we use VHDL to achieve the QPSK modulation and demodulation. After completing the whole system design, it goes on with simulation on module logic, timing in the MAX+PLUSII enviro

8、nment. The simulation results indicate that the design is correct and comprehensively deduce the RTLs chart. KEY WORDS：QPSK, FPGA, Modulation, Demodulation3目录前 言1第1章 绪 论21.1 设计的依据与意义21.2 同类产品的概况2第2章 数字通信系统42.1 通信系统的数字化42.2 数字通信与模拟通信的性能比较52.3 数字通信系统的基本组成部分52.4 数字调制技术82.5 数字调制的方法92.5.1 PSK-又称相移键控法92.5

9、.2 FSK-又称频移键控法92.5.3 ASK-又称幅移键控法102.5.4 MASK-又称多进制数字调制法102.5.5 QAM-又称正交幅度调制法112.5.6 MSK-又称最小移频键控法112.5.7 GMSK-又称高斯滤波最小移频键控法12第3章 FPGA与VHDL语言介绍133.1 FPGA介绍133.1.1 FPGA的发展历史133.1.2 FPGA的基本特点143.1.3 FPGA的优点143.2 VHDL语言介绍153.2.1 VHDL语言发展回顾153.2.2 VHDL系统设计的特点163.2.3 VHDL系统优势17第4章 四相移相键控（QPSK）184.1 QPSK概述

10、184.2 QPSK的特点184.3 QPSK的原理184.4 QPSK的调制和解调204.4.1 调制204.4.2 解调224.5 QPSK应用23第5章 QPSK的FPGA实现245.1 引言245.2 QPSK调制电路FPGA实现及仿真：245.3 QPSK解调电路FPGA实现及仿真26结论29参考文献30致谢32附 录33前 言QPSK是在无线通信中应用比较广泛的一种调制方式，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性。近年来，随着微电子技术的发展，尤其是数字信号处理器芯片速度的提高，数字信号处理技术在通信系统中的应用已越来越引起人们的重视，用原理图和VHDL语言实现全数QPSK调制的思

11、想和方法。作为全数字调制系统的实现，具有其可行性。FPGA是目前硬件设计研究的热点，与传统电路设计方法相比，FPGA具有功能强大，开发过程投资小、周期短，可反复编程修改，开发工具智能化等特点。本设计通过基于FPGA,应用VHDL实现QPSK的调制、解调电路。并在MAX+PLUSII实现仿真，判断电路设计的正确性。第1章 绪 论1.1 设计的依据与意义近几十年来，卫星通信由于具有覆盖地域广、通信距离远、通信容量大、传输质量好和具有地址连接能力等优点，已成为现在信息社会的一种重要通信手段。数字调制技术作为这个领域极为重要的一个方面，也得到了迅速的发展。数字调制信号又称为键控信号，调制过程可用键控的

12、方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制，其中QPSK(即4PSK)是MPSK(多进制相移键控)中应用较广泛的一种调制方式。QPSK( 四相相移键控) 具有较高的频谱利用率和较好的误码性能，并且实现复杂度小，解调理论成熟，已成为新一代无线接入网物理层和B3G通信中使用的基本调制方式。QPSK调制技术与 FSK、BPSK等调制技术相比，不但抗干扰能力强，而且能更经济有效地利用频带。目前，QPSK调制技术已广泛应用于数字电视、IEEE 802.11 的2Mbps数据传输机制、数字微波通信系统、军事通信、卫星数据传输、有线电视的上行传输、宽带接入与移动通信等领域。 数字调制解调技术在数字通

13、信中占有非常重要的地位，而数字通信技术与 FPGA的结合是现代通信系统发展的一个必然趋势。FPGA器件（Field programmable Gate Array）是八十年代中期出现的一种新概念。利用FPGA技术设计的产品具有重量轻、体积小、速度快、保密程度高、功耗低等特点，极大地提高了产品的性价比和竞争力，大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。1.2 同类产品的概况目前，随着数字通信系统的发展，数字信号的调制识别技术在军事、民用领域都有十分广泛的应用价值。近年来，各种调制技术层出不穷，一直受到人们的关注。由于QPSK能够非相干解调并且频谱利用率高， 所以已用于很多国家的无线通信

14、中，如北美移动/个人无线标准IS-54和IS-136以及欧洲私人商务无线电的TETRA标准等等。在这些应用中，一些高性能的QPSK调制/解调芯片相继问世。国外已经有一些关于全数字QPSK调制解调器方面的研究成果和芯片问世，如ST公司ST55、ST5518，比利时NEWTEC公司的NTC-2077/FT 、美国休斯公司的BCD4C-M5000，美国HARRTS公司和德国HISRSCHMANN赫曼公司也都有相关的芯片。又如INTEL公司的STEL-2176是一款全数字调制解调芯片，兼容IEEE802.14、MCNS和DAVIC等标准。解调部分可直接输入高达50MHZ的中频模拟信号，信号宽带可达8M

15、HZ,可解调16/64/256QAM的连续信号；调制部分，可输出SMHZ-65mhz的连续/突发信号，调制方式可以是BPSK/QPSK/QAM,速率最高可高达40mbps（16QAM）。与此同时，国内也有一些成果，比如北京海尔集成电路设计有限公司研制的符合DVB-S标准的卫星信号解码器HQPSK-DV。该芯片包括载波恢复、符号同步、解调、前向纠错和码流解扰等功能。FPGA技术在许多领域均有广泛的应用，特别是在无线通信领域里，由于具有极强的实时性，使其对话音进行实时处理成为可能。由于它是通过面向芯片结构指令的软件编程来实现其功能的，因而仅修改软件而不需改硬件平台就可以改进系统原有设计方案或原有功

16、能，因而具有极大的灵活性；又由于FPGA芯片并非专门为某种功能设计的，因而使用范围广、产量大、价格可以降到很低。就 FPGA而言，由于亚微米工艺的采用，其速度更快，门数更多。目前Lucent和XILINX公司均有10万门以上的产品，并且集成了一些新的功能，如 System on Chip， Programming on System等，使其更加灵活。所以FPGA在无线通信系统中大量应用，促进了无线通信的发展；而无线通信的蓬勃发展又促进了FPGA技术的不断进步。 第2章 数字通信系统2.1 通信系统的数字化为什么通信系统，无论是军用系统还是商用系统，都在进行数字化？这有许多原因，其中最主要的原因

17、是：与模拟信号相比，数字信号更易于再生。数字通信系统传输线上是理想的二进制数字脉冲。波形的形状受到两个基本因素的影响：（1）所有传输和电路的频率传递函数都是非理想的；（2）存在电子噪声或其他的干扰，这两个因素都会引起波形的失真，并且此项失真是传输线长度的函数，在传输脉冲仍然能够被可靠识别之前（即在传输脉冲恶化倒模糊状态之前），由数字放大器将脉冲放大，并恢复其最初的理想形状，这样脉冲就“再生”了。在传输系统中，在规则的时间间隔内执行这种功能的电路称为“再生中继器”。与模拟电路相比，数字电路有更好的抗失真和干扰的能力。二进制数字电路的工作状态只有两个开或关，因此只有能够把电路从一个状态变换倒另一个

18、状态的干扰才能起到破坏作用。这样的两个状态工作有助于信号的再生，因而能在传输中有效的抑制噪声和其他累计干扰。然而，模拟信号不是“双态”信号，它的波形有无限多个，在模拟电路中，即使很小的干扰也能导致信号产生难以接受的失真，且失真一旦产生，就无法通过放大器来抑制。因为模拟信号不能去除累积的噪声，所以就不能很好地再生信号。若采用数字技术，通过检错与纠错可以获得极低的差错概率从而产生高保真信号，而模拟系统则没有类似的技术。数字通信系统还有其他的优点：数字电路比模拟电路更可靠，且其产生成本比模拟电路底；数字硬件比模拟硬件更具有灵活性，比如微机处理器、数字开关、大规模集成（LSI）电路等，时分复用的模拟信

19、号更简单；不同类型的数字信号（数报、电报、电话、电视等）在传输和交换中都被堪称是相同的信号比特信号；为方便交换，还可将数字信号以数据包的形式进行处理。数字技术因为能过抗自然干扰和人为干扰，能够进行加密而更适用于信号处理。计算机于计算机之间、数字设备或终端与电脑之间的数据通信需求越来越多，这些数字终端可以通过数字通信链路获得更好的服务。数字通信系统获得这些优点的代价是什么？与模拟系统相比，数字系统更需要更多的信号处理技术。在通信的各个阶段，数字系统都需要分配一部分资源用于实现同步，而在模拟系统中，同步相对比较容易。数字通信系统的另一个缺点是具有“门限效应”，即当信噪比下降倒一定限度时，服务质量就

20、会急速恶化，而大部分模拟通信系统服务质量的下降则比较平滑。2.2 数字通信与模拟通信的性能比较模拟通信系统与数字通信系统的一个主要区别是性能评估的方法不同。模拟系统的波形是连续的，因而有无穷多个，这说明接收机必需处理无穷多个波形。衡量模拟通信系统的性能的指标是保真标准，如信噪比、百分比失真、发端波形和收端波形之间的期望均方误差。与模拟通信系统不同，数字通信系统发送的是代表数字的信号，这些数字组成一个有限集或字符表，且对于接收机而言该表是先验而知的。衡量数字通信系统的一个性能参数是错误判决的概率或者差错概率（PE）。2.3 数字通信系统的基本组成部分图2-1显示了一个数字通信系统的功能性框图和基

21、本组成部分。信源输出的可以是模拟信号，如音频或是视频信号；也可以是数字信号，如电传机的输出，该信号在时间上是离散的，并且具有有限个输出字符。在数字通信系统中，由信源产生的消息变换成二进制数字序列。理论上，应当用尽可能少的二进制数字表示信源输出（消息）。换句话说，我们要寻求一种信源输出的有效的表示方法，使其很少产生或不产生沉余。将模拟或数字信源的输出有效地变换成二进制数字序列的处理过程称为信号编码或数据压缩。图2-1 数字通信系统的基本组成部分由信源编码器输出的二进制数字序列称为信息序列，它被传送倒新到编码器。信道编码器的目的是在二进制信息序列中以受控的方式引入一些沉余，以便于在接收机中用来克服

22、信号在信道中传输时所遭受的噪声和干扰的影响。因此。所增加的沉余是用来提高接受数据的可靠性以及改善接受号的逼真度的。实际上，信息序列中的沉余有助于接收机译出期望的信息序列。例如，二进制信息序列的一种（平凡的）形式的编码就是将每个二进制数字简单重复m次，这里m为一个整数。更复杂的（不平法的）编码涉及倒一次取K个信息比特，并将每个K比特序列映射成唯一的N比特序列，该序列成为码字。以这种方式对数据编码所引入的沉余的大小是由比特n/k来衡量的。该比特的倒数，即k/n,称为码的速率或简称码率。信道编码器输出的二进制序列送至数字调制器，它是通信信道的接口。因为在实际中遇到的几乎所有的通信信道都能够传输电信号

23、（波形），所以数字调制的主要目的是将二进制信息序列映射成信号波形。为了详细说明这点，假定已编码的信息序列以均匀速率R（b/s）一次一个比特传输，数字调制器可以简单地将二进制数字0映射成波形s0(t), 信道编码器输出的二进制序列送至数字调制器，它是通信信道的接口。因为在实际中遇到的几乎所有的通信信道都能够传输电信号（波形），所以数字调制的主要目的是将二进制信息序列映射成信号波形。为了详细说明这点，假定已编码的信息序列以均匀速率R（b/s）一次一个比特传输，数字调制器可以简单地将二进制数字0映射成波形s0(t),而二进制数字“1”映射成波形s1（1）。在这种方式中，信道编码器输出的每个比特是分别

24、传输的。我们把它称为二进制调制。另一种方式。调制器一次输出b个已编码的信息比特，其方法是采用M=2个不同的波形si（t），i=0，1，2，m。每一个波形采用来传输2b个可能的b比特序列中的一个序列。我们称这种方式为M调制（m2）。注意，每个b/R秒就有一个新的b比特序列进入调制器。因此，当信道比特率R固定，与一个b比特序列相应的M个波形之一的传输时间量是二进制调制系统时间周期的b倍。通信信道是用来将发送机的信号发送给接收机的物质媒介。在无线传输中，信道可以是大气（自由空间）。另一个方面，电话信道通常使用各种各样的物质媒介，包括有线线路、光缆和无线（微波）等。物理用什么物理媒质来传输信息，其基本

25、特点是发送信号随机地受到各种可能机理的恶化，例如由于电子器件产生的加性热热噪声、人为噪声（如汽车点火噪声）及大气噪声（如在雷暴雨时的闪电）。在数字通信系统的接收端，数字解调器对受到信道恶化的发送波形进行处理，并将该波形还原成一个数的序列，该序列表示发送数据符号的估计值（二进制或M元）。这个数的序列被送至信道译码器，它根据信道编码器所用的关于码的知识及接受数据所含的沉余度重构初始的信息序列。解调器和译码器工作性能好坏的一个度量是译码序列中发生差错的频度。更准确地说，在译码器输出端的平均比特错误概率是解调器-译码器组合性能的一个度量。一般地，错误概率是下列各种因素的函数：码特征、用来在信道上传输信

26、息的波形的类型、发送功率、信道的特征（即噪声的大小、干扰的性质等）以及解调和译码的方法。作为最后一步，当需要模拟输出时，信源译码器从信道译码器接受机输出序列，并根据所采用的信源编码方法的有关知识重构由信源发出的原始信号。由于信道译码的差错以及信源编码器可能引入的失真，在信源译码器输出端的信号只是原始信源输出的一个近似。在原始信号与重构信号之间的信号差或信号差的函数是数字通信系统引入失真的一种度量。2.4 数字调制技术数字调制是将数字符号转换成合适信道特性的波形的过程。基带调制中这些波形通常具有整形脉冲的形式，而在带通调制中则利用整形脉冲调制正弦信号，此正弦信号称为载波波形，或简称为载波。将载波

27、转换电磁波传播到指定的地点就可以实现无线传输。通过带通调制（模拟或数字）过程，可以将携带信息的信号转换为正弦波形；对于数字调制，一个周期为T的正弦波形代表了一个码元。某个正弦信号可以用三个特征区别于其他正弦信号；幅度、频率和相位。因此，带通调制可以对射频载波的幅度、频率和相位，或者三者之间的联合进行调制，传输的载波中三个参量随着信号的变化而变化。载波的一般表达式为： （2-1）其中，A(t)是随时间变化的幅度，是随时间变化的角度，也可以表示成 （2-2）因此 （2-3）其中，是载波的角频率，是相位，和都可以用来表示频率；如果用表示，则频率单位为hz，如果用表示，则频率单位为弧度1秒，两者之间的

28、对应关系为=。如果接收机利用载波相位来检测信号，则称为相干检测，反之，如果没有利用相位参考信息，则称为非相干检测。在数字通信中，解调和检测经常可以互用，尽管解调侧重于波形的恢复，而检测侧重于码元的判决。在理想的相干检测中，每种可能的发射信号的模型对接收端来说都是已知的。用这些已知的模型波形去等效接收信号，使接收信号在各方面包括相位上都等同于模型波形。然后接收端采用锁相技术跟踪到达的信号。解调时，接收端将接收到的信号与各原型信号相乘，进行相干解调。相干调制/解调一项包括相移键控、频移键控、幅移键控、连续相位调制和混合调制。2.5 数字调制的方法2.5.1 PSK-又称相移键控法相移键控（PSK）

29、是在太空计划的早期发展起来的，现在广泛应用于军事和商用通信系统中。PSK的一般表示式为 i=1，M （2-4）其中，有M个离散值，可以表示为： 1，M 根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。产生PSK信号的两种方法： 1调相法：将基带数字信号（双极性）与载波信号直接相乘的方法。2选择法：用数字基带信号去对相位相差180度的两个载波进行选择。 两个载波相位通常相差180度，此时称为反向键控（PSK）。 解调方法：只能采用相干解调。类型：二进制相移键控（2PSK） ，多进制相移键控（MPSK）。2.5.2 FSK-又称频移键控法所谓FSK就是用数字信号去调

30、制载波的频率，FSK调制一般表示式为： 1，M （2-5） 其中，频率项有M个离散型值，相位项是任意常量。 FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是: 实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。 调制方法：2FSK可看作是两个不同载波频率的ASK以调信号之和。解调方法：相干法和非相干法。类型：二进制移频键控（2FSK），多进制移频键控（MFSK）。2.5.3 ASK-又称幅移键控法幅频键控通用表达为： 1，M (2-6)其中，振幅项有M个离散值，相位项 是任意常量。载波幅度是随着调制信号而变化的。其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下

31、通断， 这种方式还可称作通-断键控或开关键控。调制方法：用相乘器实现调制器。调制类型：2ASK,MASK。解调方法：相干法，非相干法。2.5.4 MASK-又称多进制数字调制法在二进制数字调制中每个符号只能表示0和1(+1或-1)。但在许多实际的数字传输系统中却往往采用多进制的数字调制方式。与二进制数字调制系统相比，多进制数字调制系统具有如下两个特点： 第一：在相同的信道码源调制中，每个符号可以携带log2M比特信息，因此，当信道频带受限时可以使信息传输率增加，提高了频带利用率。但由此付出的代价是增加信号功率和实现上的复杂性。 第二，在相同的信息速率下，由于多进制方式的信道传输速率可以比二进制

32、的低，因而多进制信号码源的持续时间要比二进制的宽。加宽码元宽度，就会增加信号码元的能量，也能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。 从传统数字调制技术扩展的技术有正交幅度调制（QAM）、最小移频键控（MSK）、高斯滤波最小移频键控（GMSK）等。2.5.5 QAM-又称正交幅度调制法在二进制ASK系统中，其频带利用率是1bitsHz，若利用正交载波调制技术传输ASK信号，可使频带利用率提高一倍。如果再把多进制与其它技术结合起来，还可进一步提高频带利用率。能够完成这种任务的技术称为正交幅度调制（QAM）。它是利用正交载波对两路信号分别进行双边带抑制载波调幅形成的。通常有二进制 QAM，四进制Q

33、AM（16QAM），八进制QAM（64QAM）等。2.5.6 MSK-又称最小移频键控法当信道中存在非线性的问题和带宽限制时，幅度变化的数字信号通过信道会使己滤除的带外频率分量恢复，发生频谱扩展现象，同时还要满足频率资源限制的要求。因此，对己调信号有两点要求，一是要求包络恒定；二是具有最小功率谱占用率。因此，现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性，从而减少频率占用。近年来新发展起来的技术主要分两大类：一是连续相位调制技术（CPFSK），在码元转换期间无相位突变，如MSK，GMSK等；二是相关相移键控技术（COR-PSK），利

34、用部分响应技术，对传输数据先进行相位编码，再进行调相（或调频）。 MSK（最小频移键控）是移频键控FSK的一种改进形式。在FSK方式中，每一码元的频率不变或者跳变一个固定值，而两个相邻的频率跳变码元信号，其相位通常是不连续的。所谓MSK方式，就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式。可以看成是调制指数为0.5的一种CPFSK信号。 实现MSK调制的过程为：先将输入的基带信号进行差分编码，然后将其分成I、Q两路，并互相交错一个码元宽度，再用加权函数cos（t/2Tb）和sin（t/2Tb）分别对I、Q两路数据加权，最后将两路数据分别用正交载波调制。MSK使用相干载波最佳接收机解调。 2

35、.5.7 GMSK-又称高斯滤波最小移频键控法是使用高斯滤波器的连续相位移频键控，它具有比等效的未经滤波的连续相位移频键控信号更窄的频谱。 在GSM系统中，为了满足移动通信对邻信道干扰的严格要求，采用高斯滤波最小移频键调制方式（GMSK），该调制方式的调制速率为270833Kbit/sec，每个时分多址TDMA帧占用一个时隙来发送脉冲簇，其脉冲簇的速率为3386Kbs。它使调制后的频谱主瓣窄、旁瓣衰落快，从而满足GSM系统要求，节省频率资源。第3章 FPGA与VHDL语言介绍3.1 FPGA介绍3.1.1 FPGA的发展历史早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读

36、存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（E2PROM）三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。其后出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（PLD），它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与或”表达式来描述，所以PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有PAL（可编程阵列逻辑）和GAL（通用阵列逻辑）。 PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和

37、E2PROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列（PLA），它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。PLA器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在PAL的基础上又发展了一种通用阵列逻辑（GAL，Generic ArrayLogic），如GAL16V8、GAL22V10等。它采用了EPROM工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷，20

38、世纪80年代中期，Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD（Complex Programmable Logic Dvice）和与标准门阵列类似的FPGA（FieldProgrammable Gate Array），它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其他ASIC（Application Specific IC）相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品不需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设

39、计和产品生产（一般在10 000件以下）之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。FPGA是英文Field Programmable Gate Arry的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD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。3.1.2 FPGA的基本特点FPGA采用了逻辑单元阵列这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线三个部分。FPGA的基本特点主要有：（1）采用FP

40、GA设计ASIC电路，用户不需要投片生产就能得到合用的芯片；（2）FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的试样片：（3）FPGA内部有丰富的触发器和IO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和可靠性的最佳选择之一。3.1.3 FPGA的优点FPGA芯片都是特殊的ASIC芯片，除了具有ASIC的特点之外，还具有以下3个优点。随着超大规模集成电路工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA/CPLD芯片的规模也

41、越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。FPGA/CPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGA/CPLD的资金投入小，节省了许多潜在的花费。用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的软件实现不同的功能。所以，用FPGA/CPLD试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGA/CPLD软件包中有各种输入工具和仿真工具及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、

42、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA/CPLD的优势。电路设计人员使用FPGA/CPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC（集成电路）深层次的知识，FPGA/CPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。3.2 VHDL语言介绍3.2.1 VHDL语言发展回顾VHDL诞生于1982年，1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。自IEEE公布了VHDL的标准版，IEEE-1076（简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在

43、电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，（简称93版）。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。 VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减

44、开发周期的一种使用范围较小的设计语言 。3.2.2 VHDL系统设计的特点VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。与其他硬件描述语言相比，VHDL

45、具有以下特点：功能强大、设计灵活。VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。支持广泛、易于修改。由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，目前大多数EDA工具几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用奠定了基础。在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易

46、读和结构化，所以易于修改设计。强大的系统硬件描述能力。VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。VHDL支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。独立于器件的设计、与工艺无关。设计人员用VHDL进行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。当设计描述完成后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。很强的移植能力。VHDL是一

47、种标准化的硬件描述语言，同一个设计描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能。易于共享和复用。VHDL采用基于库（Library）的设计方法，可以建立各种可再次利用的模块。这些模块可以预先设计或使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中进行复用，可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。3.2.3 VHDL系统优势（1）与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。（2）VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。（3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有