基于FPGA的FSK调制波形产生器仿真及设计1.docx
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基于FPGA的FSK调制波形产生器仿真及设计1
基于FPGA的FSK调制波形产生器仿真及设计
一实验目的:
熟悉QUARTUSII的使用方法,学习VHDL编程方法、FPGA硬件资源的使用及控制以及D/A转换器件的应用,进一步将数字电路、模拟电路、EDA技术等课程的理论知识进行综合应用。
综合运用编解码技术、FSK调制解调、DDS正弦载波合成技术及VHDL编程仿真技术等,完成基于FPGA的FSK调制波形发生器的设计和实现。
二实验仪器、设备:
GW48-CKEDA开发系统、PC机、20MHz示波器等
三实验内容及要求(具体内容祥见附录):
1、设计基于FPGA的FSK调制波形产生器的硬件原理图;
(提示:
应包含输入按键、FPGA芯片、D/A、滤波器、LED数码显示等)
2、EDA工具采用QUARTUSII;
3、FPGA芯片:
EPD1K30T144-3;
4、D/A芯片:
DA0832(8bit);
5、输出信号波形:
FSK调制信号,其中正弦载波f1=625Hz表示“1”;正弦载波f2=125Hz表示“0”。
6、输出数据内容:
7+学号后三位(共4位,每位都用BCD码表示,位间用1bit的低电平表示)。
7、输出信号幅度:
5V,9V可用按键控制切换;
8、输出信号码率:
24bit/s;
24bit/S-96bit/s可调(8bit步进,选作)
9、要求在QUARTUSII上完成FSK调制波形产生器设计,包括各模块输出仿真波形和资源利用情况,最后在实验系统上用示波器测试波形。
FPGA芯片配置说明
本次信号发生器设计采用VHDL语言设计并通过QUARTUSII软件编译、仿真完成后,需将生成的配制文件下载到EDA实验箱中测试输出波形。
有关配制情况说明如下:
1实验平台:
GW48系列EDA/SOC实验开发系统
2FPGA芯片型号:
AlteraEP1K30TC144-3
3芯片管脚分配:
(实验模式设置:
5)
信号名称(参考)
EP1K30TC144---引脚
信号含义
实验箱中接口
CLK
126
时钟
RESET
19
复位
键8
SEL0
8
状态选择0
键1
SEL1
9
状态选择1
键2
SEL2
10
状态选择2
键3
DO0
41
数据输出位0
D/A-D0
DO1
42
数据输出位1
D/A-D1
DO2
65
数据输出位2
D/A-D2
DO3
67
数据输出位3
D/A-D3
DO4
68
数据输出位4
D/A-D4
DO5
69
数据输出位5
D/A-D5
DO6
70
数据输出位6
D/A-D6
DO7
72
数据输出位7
D/A-D7
四实验原理:
简介:
系统以FPGA为核心,辅以必要的模拟电路,构成了两路基于DDS技术的正弦信号发生器。
其主要模块有正弦波生成、幅度控制、D/A转换和后级处理等功能。
同时通过VHDL语言编程在FPGA上实现基带信号的产生、BCD编码、同步编码,然后送入FSK调制模块进行调制,调制后一方面通过QUARTUSII软件仿真,验证其正确性,同时送出到FPGA片外进行D/A转换处理,再采用低通滤波器和功率放大电路来提高波形质量和负载能力,最终得到所要求的FSK调制信号。
FPGA调制解调器
FSK(Frequeney-ShiftKeying,频移键控)是用不同频率的载波来传送数字信号。
FSK信号具有抗干扰能力强、传输距离远等优点,在只常生活和工业控制中被广泛采用。
例如CID(CallingIdentityDelivery)来电显示,低速的Modem,铁路系统和电力系统的载波通信中也广泛使用他来传送各种控制信息。
以往的FSK调制解调器采用“集成电路+连线”方式设计,集成块多、连线复杂且体积较大。
本文基于FPGA芯片,采用VHDL语言,利用层次化、模块化设计方法,提出了一种FSK调制解调器的实现方法。
1系统整体结构框图
本文设计的FSK调制解调器采用了ALTERA公司的EP1C3T144C8芯片,系统主时钟频率为20MHz(芯片外部有源晶振),“0”,“1”数字信号由伪随机信号(m序列)发生器产生。
为完成FSK调制器和解调器的发送与接收,由FPGA芯片完成的系统整体逻辑功能框图如图1所示。
2系统的具体设计与实现
2.1伪随机序列的产生
最大长度线性移位寄存器序列(m序列)是数字通信中非常重要的、应用十分广泛的一种伪随机序列。
由于他具有随机性、规律性及较好的自相关性和互相关性,而且要求设备简单,易于实现,成本低的特点,本系统采用m序列作为数字基带信号进行程序调试。
m序列是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种二进制序列。
线性反馈移位寄存器的一般结构如图2所示。
他是由n级移位寄存器,若干模二加法器组成线性反馈逻辑网络和时钟脉冲产生器连接而成。
由于带有反馈,因此在移位脉冲作用下,移位寄存器各级的状态将不断变化,通常将移位寄存器的最后一级作为输出,由此所产生的输出序列为:
{ak}=a0a1…ak-1。
输出序列是一个周期序列,其特性由移位寄存器的级数、初始状态、反馈逻辑及时钟频率(决定着输出码元的宽度)所决定。
当移位奇存器的级数及时钟一定时,输出序列就由移位寄存器的初始状态及反馈逻辑完全确定;当初始状态为全零状态时,移位寄存器输出全0列。
因此初始状态不能为全零状态。
本系统选用m序列的级数为n=7,序列长度为m=27-1=127,若选用的反馈系数的八进制数值为235,转换成二进制数值为,即c0=c2=c3=c4=c7=1,c1=c5=c6=0。
仿真波形如图3所示。
2.2FSK调制
本系统是利用2个独立的分频器来改变输出载波频率,以数字键控法来实现FSK捌制。
数字键控法也称为频率选择法,他有2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。
键控法产生的FSK信号频率稳定度可以做到很高并且没有过渡频率,他的转换速度快,波形好,频率键控法在转换开天发生转换的瞬刚,2个高频振荡的输出电压通常不相等,于是已调信号在基带信息变换时电压会发生跳变,这种现象称为相位不连续,这是频率键控特有的情况。
本文设计的FSK调制系统方框图如图4所示。
2.3FSK解调
过零检测法与其他解调方法相比较,最明显的特点就是结构简单,易于实现,对增益起伏不敏感,特别适用于数字化实现。
他是一种经济、实用的最佳数字解调方法。
其方框图如图5所示。
他利用信号波形在单位时间内与零电平轴交义的次数来测定信号频率。
输入的已调信号经限幅放大后成为矩形脉冲波,再经微分电路得到l圾向尖脉冲,然后整流得到单向尖脉冲,每个尖脉冲表示信号的一个过零点,尖脉冲的重复频率就是信号频率的2倍。
将尖脉冲去触发一单稳态电路,产生一定宽度的矩形脉冲序列,该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比,即与输入频率信号成正比。
所以经过低通滤波器输出平均量的变化反映了输入信号的变化,这样就完成了频率-幅度变换,把码元“1”与“0”在幅度上区分开来,恢复出数字基带信号。
本文设计的FSK解调方框图如图6所示。
3系统仿真与实验结果分析
整个设计使用VHDL编写,以EP1C3T144CS为下载的目标芯片,在QuartusII软件平台上进行布局布线后进行波形仿真,可得到如图7所示的波形图。
其中:
clk为输入主时钟信号;en为置位信号;clks为clk经过200分频器的输出信号;ps7为时钟源经过n=7的伪随机发生器产生的伪随机(m序列)信号;fsk为ps7经过FSK调制器后的已调信号;q为fsk经过FSK解调器后的解调信号。
在实际硬件电路上进行测试,用示波器观察各个模块的工作过程,得到如图8和图9所示的波形图。
其中,圈8中Ch1为已调信号,Ch2为数字基带信号。
图9中Ch1为数字基带信号,Ch2为解调信号。
由上面的软件和硬件的测试结果可知:
(1)本系统的FSK调制解调器功能已经实观,结果正确无误,经验证满足预期的设计指标要求,且其整个工作过程可通过软件波形仿真,或是实际硬件电路通过示波器来直观、清晰观察。
(2)传统的调制解调方式可以采用软件与硬件结合的方式来实现,符合未来通信技术发展的方向。
在数字通信系统中,数字调制与解调技术占有非常重要的地位。
文中介绍了FSK调制解调的基本原理,用VHDL语言实现了2FSK调制解调器的设计,整个系统设计在MAX+plusII开发平台上进行编译仿真,最后在EPM7032LC44-15目标芯片上实现。
仿真结果表明此设计方案是可行的,系统具有较高的实用性和可靠性。
在通信系统中,基带数字信号在远距离传输,特别是在有限带宽的高频信道如无线或光纤信道上传输时,必须对数字信号进行载波调制,这在日常生活和工业控制中被广泛采用。
数字信号对载波频率调制称为频移键控即FSK。
FSK是用不同频率的载波来传送数字信号,用数字基带信号控制载波信号的频率,是信息传输中使用较早的一种调制方式。
它的主要特点是:
抗干扰能力较强,不受信道参数变化的影响,传输距离远,误码率低等。
在中低速数据传输中,特别是在衰落信道中传输数据时,有着广泛的应用。
但传统的FSK调制解调器采用"集成电路+连线"的硬件实现方式进行设计,集成块多、连线复杂且体积较大,特别是相干解调需要提取载波,设备相对比较复杂,成本高。
本文基于FPGA芯片,采用VHDL语言,利用层次化、模块化设计方法,提出了一种2FSK调制解调器的实现方法。
调制信号是二进制数字基带信号时,这种调制称为二进制数字调制。
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。
相应的调制方式有二进制振幅键控(2ASK),二进制频移键控(2FSK)和二进制相移键控(2PSK)。
2FSK就是用两种不同频率的载波来传送数字信号。
特别适合应用于衰落信道,其占用频带较宽,频带利用率低,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。
1调制解调的基本原理
FSK就是利用载波信号的频率变化来传递数字信息。
在2FSK中,载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点之间变化。
故其表达式为:
也就是说,一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。
因此,2FSK信号的时域表达式又可以写成:
在移频键控中,和不携带信息,通常可以令和为零。
因此,2FSK信号的表达式可简化为:
其中:
2FSK信号的产生方法主要有两种。
一种可以采用模拟调频电路来实现,另一种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的独立频率源进行选通,使其在每个码元Ts期间输出f1或f2两个载波之一。
这种方法产生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。
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。
针对FSK信号的特点,我们可以提出基于FPGA的FSK调制器的一种实现方法--分频法,这种方法是利用数字信号去控制可变分频器的分频比来改变输出载波频率,产生一种相位连续的FSK信号,而且电路结构简单,容易实现。
在2FSK信号中,载波频率随着二元数字基带信号(调制信号)的"1"或"0"而变化,"1"对应于频率为f1的载波,"0"对应于频率为f2的载波。
2FSK的已调信号的时域表达式为:
2FSK信号的常用解调方法是采用非相干解调和相干解调。
其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路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抽样值的大小,可以不专门设置门限。
判决规则应与调制规则相呼应,调制时若规定"1"符号对应载波频率f1,则接收时上支路的样值较大,应判为"1",反之则判为"0"。
22FSK调制器设计
2.1分频法实现2FSK调制器
键控法也常常利用数字基带信号去控制可变分频器的分频比来改变输出载波频率,从而实现FSK的调制。
实现2FSK调制的原理方框图如图1所示。
图12FSK调制实现原理框图
其中FSK调制的核心部分包括分频器、二选一选通开关等,图中的两个分频器分别产生两路数字载波信号;二选一选通开关的作用是以基带信号作为控制信号,当基带信号为"0"时,选通载波f1;当基带信号为"1"时,选通载波f2。
从选通开关输出的信号就是数字FSK信号。
这里的调制信号为数字信号。
2.2仿真结果
整个设计使用VHDL语言编写,以EPM7032LC44-15为下载的目标芯片,在MAX+PLUSII软件平台上进行布局布线后进行波形仿真,其中clk为输入主时钟信号;STart为起始信号,当start为"1"的时候,开始解调;q1为载波信号f1的分频计数器,q2为载波信号f2的分频计数器;f1、f2为载波信号;x为基带信号;y为经过FSK调制器后的调制信号;当输入的基带信号x='0'时,输出的调制信号y为f1,当输入的基带信号x='1'时,输出的调制信号y为f2。
仿真结果如图2所示。
图22FSK调制器仿真结果32FSK解调器设计
3.1分频法实现2FSK解调器
过零检测法与其他方法比较,最明显的优点就是结构简单、易于实现,而且对增益起伏不敏感,特别适用于数字化实现。
它是一种经济、实用的最佳数字解调方法。
其方框图如图3所示。
图3FSK过零检测法。
它利用信号波形在单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。
输入的已调信号经限幅放大后成为矩形脉冲波,再经微分电路得到双向尖脉冲,然后整流得到单向尖脉冲,每个尖脉冲代表信号的一个过零点,尖脉冲重复的频率是信号频率的两倍。
将尖脉冲去触发一单稳态电路,产生一定宽度的矩形脉冲序列,该序列的平均分量与脉冲重复频率,即输入频率信号成正比。
所以经过低通滤波器的输出平均量的变化反映了输入信号的变化,这样就完成了频率-幅度的变换,把码元"1"与"0"在幅度上区分开来,恢复出数字基带信号。
实现2FSK解调器的原理方框图如图4所示。
图42FSK解调实现原理框图。
3.2仿真结果
在MAX+PLUS软件平台上进行布局布线后进行波形仿真,其中clk为输入主时钟信号;start为起始信号,当start为"1"的时候,开始解调;x为输入信号,本文中在调制阶段的被调制信号,即是调制信号中的输出信号,y为输出信号,在正常情况下y就是在调制信号中的输入信号,在q=11时,m清零。
在q=10时,根据m的大小,进行对输出基带信号y的电平的判断。
在q为其它值时,计数器m计下xx(寄存x信号)的脉冲数。
输出信号y滞后输入信号×10个clk。
仿真结果如图5所示。
图5FSK解调仿真结果。
42FSK调制解调器整体设计
在整体设计过程中,整体电路如图6所示,其中x为基带信号,y为经过调制解调后的解调信号。
图6整体电路。
调制解调器设计仿真结果如图7所示。
比较输入信号x与输出信号y,完全一样,只是系统仿真结果有一定的延时。
仿真结果表明,系统设计正确。
图7整体仿真结果。
主要介绍了二进制移频键控FSK通信过程中利用FPGA进行伪随机序列加密的实现方法。
移频键控是信息传输中使用较早的一种调制方式,它具有实现容易,抗噪声与抗衰减性能较好的优点,在中低速数据传输中得到了广泛的应用。
直接利用FPGA产生伪随机序列的方法可以为系统设计或测试带来极大的便利。
给出了基于线性反馈移位寄存器电路,设计一种简洁的伪随机序列发生器的方法。
这种方法所产生的随机序列不仅可具有极长的周期,而且还具有良好的随机特性。
由于该伪随机序列可以被设计成任意长度,所以设计过程比较灵活。
介绍了加密的设计理论、设计过程和硬件实现,该电路可进行下栽生成实际电路,并应用到信息安全领域中。
随着技术的发展,上世纪90年代初期出现了FP—GA(FieldProgrammahieGateArray),这是一种比较复杂的可编程逻辑器件。
就当时的情况而言,工程师们必须了解各种逻辑器件的特性,再将逻辑器件组合成电路图,一个简单的逻辑电路,也许需要数十个分散的TTL器件组合成的一块电路板。
用VHDL语言完成需要的功能模块的设计和仿真是一种集多种优点于一身的方法,例如它的保密性强、资源占用量相对少等,因此对这种设计方法进行研究,并与其他设计方法进行比较,为以后自主研发产品做出必要的准备。
目前在数字电路设计中,FPGA发挥着越来越重要的作用。
从简单的接口电路设计到复杂的状态机,甚至系统级芯片,FPGA所扮演的角色已经不容忽视。
它的可编程特性带来了电路设计的灵活性,缩短了产品上市的时间。
随着网络的快速发展,信息安全越来越引起人们的关注,加密技术作为信息安全的利器,正发挥着重大作用。
通过在硬件设备中添加加密功能,可使存储和传输的数据具有较高的安全性。
传统的加密工作是通过在主机上运行加密软件实现的,这种方法除占用主机资源外,其运算速度较硬件加密要慢,密钥以明文的方式存储在程序中,或者以加密的方式存储在文件或数据库中,重要数据会在某一时刻以明文形式出现在计算机的内存或磁盘中,安全性较差。
而硬件加密是通过独立于主机系统外的硬件加密设备实现的,所有关键数据的存储、运算都通过硬件实现,不占主机资源、速度快、安全性较高。
采用可编程逻辑门阵列FPGA具体实现加密功能,设计者自己可以对芯片内部单元进行配置,设计比较灵活,只需改变配置就可实现安全不同的功能,大大缩短了设计周期和开发时间,同时经过优化可以达到较高的性能。
另外,有多种EDA开发软件支持FPGA的设计,因而用FPGA器件进行开发研制其自由度较大。
在进行数据传输的时候,不仅要保证高速的数据传输,还要保证数据传输的稳定与完整,因此本电路要重点解决数据在加密过程中产生的脉冲现象,使最终能得到较好的加密数据输出波形。
1FPGA加密技术算法
大多数通信系统都采用数据流密码保护相关的信息,如图1所示。
利用X0R函数模2的特性,纯文本P可以在接收器端重构,这是因为:
对于XORLFSR,存在全是零字的可能性,但是这种情况应该永远也不会出现。
如果循环是从非零字开始的,则循环长度总是2t一1。
通常,如果FGPA是在全零字状态被唤醒,就会更加方便地使用“镜像”或翻转的LFSR电路。
如果全零字是一种正确模式,并且生成了精确的转置序列,就需要用一个“非XOR”或XNOR门代替XOR门。
LFSR仿真局部放大图如图2所示。
其中时钟周期为10ns,当LFSR通过所有可能的位模式时,生成的最大序列长度为63。
其中elk为时钟,z为LFSR寄存器中的内容,y为LFSR的输出。
2基于FPGA的二进制数字通信平台
为了更加清晰地展现FPGA的加密过程,本文将为FPGA加密过程搭建一个基于FPGA的二进制数字通信平台。
通过这一平台,可以实现数字信号的加密、解密过程,也能更加深入地了解FPGA器件的有关功能以及VHDL的编程方法。
2.1FSK调制通信平台设计
FSK信号的产生方法主要有两种:
第一种方法是用二进制基带矩形脉冲去调制一个调频器,使其输出两个不同频率的码元。
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产生的FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的。
第二种方法是用一个基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出,由于是独立的频率源,所以信号频率稳定度可以做的很高并且没有过渡频率,它的转换速度快,波形好。
FSK调制方框图如图3所示。
基于FPGA的FSK加密通信
2.2FSK解调通信平台设计
二进制FSK信号常用的解调方法是采用非相干解调法和相干解调法,除此之外,FSK信号还有其他的解调方法,比如鉴频法、过零检测法及差分检测法FSK解调方框图如图5所示。
FSK解调VHDL程序仿真图如图6所示。
3基于FPGA加密技术的FSK数字通信系统
数字通信传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号单元,因此接收端必须按与发送端相同的节拍接收。
否则,会因收发节拍不一致而使接收性能变坏。
FSK数字通信系统模型如图7所示。
FSK数字加密通信系统QuartusⅡ原理框图如图8所示。
基于FPGA的FSK数字加密通信系统QuartusⅡ仿真框图如图9所示。
在通信领域,经常需要将基带信号进行某种调制,使其适合于信道传输。
FSK、K即为常用的两种数字调制方式。
传统模拟调制系统中大量采用分立元件,体积较大,电路复杂。
由于模拟元件自身参数的...
在通信领域,经常需要将基带信号进行某种调制,使其适合于信道传输。
FSK、K即为常用的两种数字调制方式。
传统模拟调制系统中大量采用分立元件,体积较大,电路复杂。
由于模拟元件自身参数的离散性和受环境温度、湿度等因素影响,导致系统稳定性较差。
本文提出了一种基于DDS技术的FSK/K调制的数字实现方法,提高了系统的稳定性,克服了模拟调制的弊端。
1FSK/K调制原理频移键控(FrequencyShiftKeying,FSK),是利用载波的频率参量来携带数字信息的调制方式。
常用的是二进制频率键控信号,即2FSK,用载频w1表示数字信息“1”,用载频w2表示数字信息“0”,而w1和w2之间的变化是瞬间完成的。
相移键控(PhaseShiftKeying,K),它是受键控的载波相位按数字基带脉冲的规律而改变的一种数字调制方式。
这种以载波的不同相位直接表示相应数字信息的相位键控,通常被称为绝对移相方式。
当基带信号为二进制数字脉冲序列时,所得到的相位键控信号为二进制相位键控,即2K,它的表达式为
式中,φ(t)由数字信息“0”“1”控制。
在绝对移相中,因为φ(t)选用的参考相位基准就是未调制的载波,所以φ(t)就是载波的绝对值。
一般说来,数字信息为“1”时,φ(t)=0,数字信息为“0”时,φ(t)=π。
即
FSK、K的调制示意图如图1所示。
2FSK/K调制逻辑设计与仿真FSK/K调制逻辑共分为3个部分:
分频器、m序列产生器和FSK/K调制器。
分频器用于产生FSK/K调制器和m序列的基准时钟信号f1,f2和f3,m伪随机序列器产生基带码元。
FSK/K调制器根据输入的基带码元和基准时钟产生相应的FSK或K信号,调制模式由mode模式选择。
当mode为低电平时,表示选择FSK调制,当mode为高电平时,表示选择K调制。
FSK/K调制器输出的数字调制信号经DAC转换成模拟信号输出。
逻辑模块框图,如图2所示。
2.1分频器分频器对频率为f0的时钟输入信号clk分别以分频系数D1,D2和D3产生FSK/K调制器和m序列的基准时钟信号f1,f2和f3。
其关系如式
(1)所示。
f1和f2决定了FSK调制信号的两个载波频率,f2决定了K调制信号的载波频率,f3决定了基带码元速率。
为了保证每个基带码元的宽度T是载波周期的整数倍,在选择分频系数时应满足式
(2)。
式中,M为D1和D2的最小公倍数。
2.2m序列产生器m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。
m序列的最大长度取决于移位寄存器的级数,而码的结构取决于反馈抽头的位置和数量。
其特点是:
随机特性、预先可确定性、循环特性。
本设计利用带有两个反馈抽头的3级反馈移位寄存器得到一串7位循环
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