摘要：本論文主要討論和仿真了基于CPLD的PSK系統(tǒng)單元設(shè)計，在闡述調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的基本原理與設(shè)計方法的同時，又詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的總體電路框圖及各個模塊的具體軟硬件實現(xiàn)。作者以VHDL作為設(shè)計的硬件描述語言，在Altera公司的Maxplus2開發(fā)平臺上進(jìn)行了程序設(shè)計及波形仿真?！白皂斚蛳隆笔潜驹O(shè)計的主要特色，所有程序都通過了以EPM7128SLC84-7作為主芯片的CPLD實驗開發(fā)板的硬件調(diào)試。
關(guān)鍵詞：調(diào)制解調(diào)、CPLD、VHDL

1 引言

現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求通信距離遠(yuǎn)、通信容量大、傳輸質(zhì)量好。作為其關(guān)鍵技術(shù)之一的調(diào)制解調(diào)技術(shù)一直是人們研究的一個重要方向^[5]。從模擬調(diào)制到數(shù)字調(diào)制，從二進(jìn)制發(fā)展到多進(jìn)制調(diào)制，雖然調(diào)制方式多種多樣，但都是朝著使通信系統(tǒng)更高速、更可靠的方向發(fā)展。一個系統(tǒng)的通信質(zhì)量，很大程度上依賴于所采用的調(diào)制方式。因此，對調(diào)制方式的研究，將直接決定著通信系統(tǒng)質(zhì)量的好壞^[1]。

復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）結(jié)合了專用集成電路和DSP的優(yōu)勢，既具有很高的處理速度，又具有一定的靈活性。因此，基于CPLD的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的研究具有重要的實際意義。本文論述了如何用CPLD實現(xiàn)PSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的方法，其實現(xiàn)步驟包括：1.研究PSK調(diào)制系統(tǒng)的原理及設(shè)計方法；2.根據(jù)各個系統(tǒng)的總體功能與硬件特點(diǎn)，設(shè)計總體框圖；3.根據(jù)VHDL語言特點(diǎn)，對系統(tǒng)進(jìn)行VHDL建模；4.根據(jù)VHDL模型，進(jìn)行具體VHDL語言程序設(shè)計；5.對設(shè)計的程序進(jìn)行波形仿真與硬件調(diào)試。

2 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的原理

載有基帶信號的高頻正弦波信號稱為載波，數(shù)學(xué)上準(zhǔn)確表示正弦波時，經(jīng)常采用振幅A、角頻率 和相位 三要素，即

y(t)=A cos( t + )                     （2-1）    

根據(jù)基帶信號的值，改變?nèi)刂械娜魏我环N，就有了3種基本的調(diào)制方式：數(shù)字信號對載波振幅調(diào)制稱為振幅鍵控，即ASK（Amplitude Shift Keying）；對載波頻率調(diào)制稱為頻移鍵控，即FSK（Frequency Shift Keying）^[3]；對載波相位調(diào)制稱為相移鍵控（相位鍵控），即PSK(Phase Shift Keying)^[2]。

由于PSK系統(tǒng)抗噪聲性能優(yōu)于ASK和FSK，而且頻帶利用率較高，所以，在中、高速數(shù)字通信中被廣泛采用。

本文只對PSK調(diào)制方式加以論述^[4]。

3 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

3.1 CPSK系統(tǒng)設(shè)計

CPSK由發(fā)送端的調(diào)制模塊與接收端的解調(diào)模塊構(gòu)成，其系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。在發(fā)送端，對于調(diào)制模塊，首先產(chǎn)生兩種不同相位的載波信號f1和f2，再通過一個二選一選通開關(guān)來選擇載波信號，其中具體的載波信號由輸入的基帶信號來決定。這些信號處理都在CPLD中實現(xiàn)，輸出的即為CPSK調(diào)制信號，最后通過信道發(fā)送到接收端。對于解調(diào)模塊，調(diào)制信號先由位同步提取電路提取出載波同步信號，然后由載波同步信號來控制計數(shù)器的啟動與停止，分別對調(diào)制信號來計數(shù)，最后通過一個判決電路來判斷輸入的調(diào)制信號是‘0’ 還是‘1’，輸出的即為解調(diào)的基帶信號。

圖3-1  BCPSK系統(tǒng)框圖

3.2 DPSK系統(tǒng)設(shè)計

圖3-2  BDPSK系統(tǒng)框圖

DPSK信號應(yīng)用較多，但由于它的調(diào)制規(guī)律比較復(fù)雜，難以直接產(chǎn)生，目前DPSK信號的產(chǎn)生較多地采用碼變換加CPSK調(diào)制而獲得。這種方法是把原基帶信號經(jīng)過絕對碼——相對碼變換后，用相對碼進(jìn)行CPSK調(diào)制，其輸出便是DPSK信號。同樣，對于DPSK信號的解調(diào)，則要經(jīng)過相對碼——絕對碼變換。其系統(tǒng)框圖如圖3-2所示。

4 基于VHDL的PSK系統(tǒng)電路設(shè)計及實現(xiàn)

4.1 2CPSK調(diào)制模塊

 

圖4-1  2CPSK調(diào)制模塊的VHDL模型方框圖

2CPSK調(diào)制模塊的VHDL模型方框圖如圖4-1所示，其模型主要由計數(shù)器和二選一開關(guān)等組成。計數(shù)器對外部時鐘信號進(jìn)行分頻與計數(shù)，并輸出兩路相位相反的數(shù)字載波信號；二選一開關(guān)的功能是：在基帶信號的控制下，對兩路載波信號進(jìn)行選通，輸出的信號即為CPSK信號。圖中沒有包括模擬電路部分，輸出信號為數(shù)字信號。

其波形仿真圖如圖4-2所示。其中載波信號f1、f2是通過系統(tǒng)時鐘clk分頻得到，且滯后系統(tǒng)時鐘一個clk周期；調(diào)制輸出信號y滯后載波一個clk周期，滯后系統(tǒng)時鐘2個clk周期。

 

圖4-2  2CPSK調(diào)制模塊的波形仿真圖

4.2 2CPSK解調(diào)模塊

圖4-3  2CPSK調(diào)解模塊的VHDL模型方框圖

2CPSK解調(diào)模塊的VHDL模型方框圖如圖4-3所示。圖中的計數(shù)器q輸出與發(fā)端同步的0向數(shù)字載波。判決器的工作原理是：把計數(shù)器輸出的0相載波與數(shù)字CPSK信號中的載波進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，當(dāng)兩比較信號在判決時刻都為“1”時，輸出為“1”，否則輸出為“0”，以實現(xiàn)解調(diào)的目的。圖中沒有包含模擬電路部分，調(diào)制信號為數(shù)字信號。

圖4-4  2CPSK調(diào)解模塊的波形仿真圖

其波形仿真圖如圖4-4所示。當(dāng)q=0時，根據(jù)x的電平來進(jìn)行對相位的判決；其中輸出信號y滯后輸入信號x一個clk周期。

4.3 絕對碼-相對碼轉(zhuǎn)換模塊

絕對碼——相對碼之間的關(guān)系為

                    （式4-1）

圖4-5 絕對碼-相對碼轉(zhuǎn)換模塊的VHDL模型方框圖

由此，可得到絕對碼—相對碼轉(zhuǎn)換模塊的VHDL模型方框圖，如圖4-5所示。圖中的計數(shù)器與圖4-3中的計數(shù)器相同，異或門與寄存器共同完成絕/相變換功能。

相對碼—絕對碼轉(zhuǎn)換模塊與此類似，此處就不加以論述。

5 系統(tǒng)調(diào)試總結(jié)

本課題研究并追蹤了通信領(lǐng)域和EDA設(shè)計領(lǐng)域的兩項關(guān)鍵技術(shù)——調(diào)制解調(diào)技術(shù)和可編程邏輯技術(shù)，所有設(shè)計工作都是在一塊CPLD實驗開發(fā)板上完成的，選用了Altera公司型號為EPM7128SLC84-7作為主芯片的。其中輸入信號由單片機(jī)提供，經(jīng)過CPLD處理后，輸出信號的波形可通過示波器觀察^[6]。但由于調(diào)制系統(tǒng)與解調(diào)系統(tǒng)的測試是分開進(jìn)行的，這樣勢必有不直觀性，并且未能考慮到實際系統(tǒng)中的不定因素。而以上這些，是本設(shè)計將來要進(jìn)一步改善與發(fā)展的地方。

論文創(chuàng)新點(diǎn)：論文采用自上而下的開發(fā)方式，通過復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）設(shè)計實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，以直接提高通信系統(tǒng)質(zhì)量。

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