数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现

FPGA器件的开发平台与MATLAB接口仿真2007-09-03 16:24FPGA器件的开发平台与MATLAB接口仿真中南财经政法大学信息学院周巍武汉大学电气工程学院张志杰引言现场可编程逻辑门阵列FPGA器件的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技术发展的结果。

FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用功能。

它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。

目前使用最多的Quartus II 软件支持几乎所有的EDA工具，并且可以通过命令行或Tcl脚本与第三方EDA工具之间进行无缝连接。

但在很多工程设计应用中，由FPGA器件完成的主程序中只完成大量的数学运算，程序调试时以二进制输出的信号可视性差，给设计人员进行仿真、调试带来了很多不便。

对于很多工程设计人员来说MATLAB是一种熟悉的具有强大的运算功能和波形仿真、分析功能的软件，如果能将FPGA与MA TLAB接口，就可以快速、准确、直观地对FPGA程序进行校验和仿真，尤其在波形信号处理等工程应用领域具有实际意义。

Quartus II 开发软件Altera公司的QuartusII软件提供了可编程片上系统（SOPC）设计的一个综合开发环境。

Quartus II 开发工具人机界面友好、易于使用、性能优良，并自带编译、仿真功能。

QuartusII 软件支持VHDL和Verilog硬件描述语言的设计输入、基于图形的设计输入方式以及集成系统级设计工具。

QuartusII软件可以将设计、综合、布局和布线以及系统的验证全部都整合到一个无缝的环境之中，其中也包括和第三方EDA工具的接口。

QuartusII设计软件根据设计者需要提供了一个完整的多平台开发环境，它包含整个FPGA和CPLD设计阶段的解决方案。

图1说明了QuartusII软件的开发流程。

在实际应用设计中，对程序原理性及可执行性的验证主要集中在程序修改阶段，尤其在处理的数据复杂、繁多时，Quartus II自带的波形输入仿真就很难实现程序的验证，而且输出的数据不能方便的以波形图示直观的呈现，给程序设计者在校验程序阶段带来了很多的不便。

FPGA调制解调技术综述近年来，随着通信技术的飞速发展，FPGA调制解调技术作为一项重要的通信技术应用得到了广泛的关注和研究。

本文将对FPGA调制解调技术进行综述，介绍其概念、特点、应用以及发展趋势。

一、概述FPGA（Field-Programmable Gate Array）调制解调技术是一种利用FPGA芯片实现数字信号的调制和解调的技术手段。

与传统的硬件模块相比，FPGA调制解调技术具有灵活性高、可重构性强、设计周期短、成本低等优点。

它通过对FPGA芯片的可编程性，实现了数字调制解调算法的灵活配置和快速实现。

因此，在无线通信、光纤通信、通信协议等领域均有广泛的应用。

二、FPGA调制解调技术特点1. 灵活性高：FPGA芯片具有良好的模块化特性，可根据实际需求进行灵活配置和组合，实现不同调制解调算法的定制化设计。

2. 可重构性强：由于FPGA芯片可编程性的特点，其调制解调功能可以根据需求进行重构和优化，实现不同通信标准的兼容性。

3. 设计周期短：相对于传统的硬件开发方式，FPGA调制解调技术采用了软件化的设计方法，设计和验证过程更加简便、高效，可以大幅缩短产品开发周期。

4. 成本低：FPGA芯片的价格相对较低，且一块FPGA芯片可以实现多种不同的调制解调算法，有效降低了设备制造成本。

三、FPGA调制解调技术应用1. 无线通信领域：FPGA调制解调技术广泛应用于蜂窝通信、无线局域网（WLAN）、卫星通信、无线传感器网络等无线通信系统中。

通过合理配置FPGA芯片，可以实现多种调制方式（如QAM、PSK、FSK等），提高通信系统的适应性和性能。

2. 光纤通信领域：在光纤通信系统中，FPGA调制解调技术可以用于实现光的相位和强度调制，提高光纤通信的传输容量和速率，同时还可以降低系统的成本和功耗。

3. 通信协议领域：FPGA调制解调技术在通信协议的实现中起到了关键作用。

通过对FPGA芯片的灵活配置，可以实现不同协议的解析和封装，以及数据包的解码和编码等功能，提升了通信系统的稳定性和可扩展性。

目录一、2FSK的调制解调过程及用FPGA实现的思路1. 2FSK信号的产生2.2FSK信号的解调3.采用FPGA实现2FSK调制与解调的整体思路二、BPSK的调制解调过程及用FPGA实现的思路1.BPSK信号的产生2.BPSK信号的解调3.采用FPGA实现BPSK调制与解调的整体思路三、DBPSK的调制解调过程及用FPGA实现的思路1.DBPSK信号的产生2.DBPSK信号的解调3.采用FPGA实现BPSK调制与解调的整体思路四、总结对比五、遇到的问题参考书目一、2FSK的调制解调过程及用FPGA实现的思路1.2FSK信号的产生2FSK信号的产生方法主要有两种。

第一种是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，如(a)图所示，使其能够输出两个不同频率的码元。

第二种方法是用一个受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，如(b)图所示。

这两种调制方法相比较，存在以下差异：①直接调频法易于实现，但由于在同一振荡器产生两个不同频率的信号，在频率的过渡点相位是连续的（如图c），其频率稳定度较差。

而且这种方法产生的频移不能太大，否则振荡不稳，甚至停振，因而在实际应用方面不广，仅适于低速传输系统。

②键控法是用数字矩形脉冲控制开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进行转换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。

由于产生的f1和f2载频是由两个独立的载频实现，则输出的2FSK信号的相位是不连续的（如图d），而且这种方法的转换速度快，波形好，频率稳定度高且易于实现，电路不复杂，在实用中可以用一个频率合成器代替两个独立的振荡器再经分频链，进行不同的分频而得到。

(c)相位连续 (d)相位不连续采用键控法产生2FSK信号的原理电路框图为：2.2FSK 信号的解调(1) 非相干解调(如图e)非相干解调即包络检波法，可视为由两路2ASK 解调电路组成。

这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK 信号带宽，中心频率不同，分别为1f 、2f ）起分路作用，用以分开两路2ASK 信号，上支路对应11()()cos()n y t s t t ωϕ=+，下支路对应22()()cos()n y t s t t ωθ=+，经包络检波（整流-低通）后分别取出它们的包络s(t)及()s t ；抽样判决器起比较器的作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决出基带数字信号。

OFDM(正交频分复用)是一种高效的多载波调制技术，其最大的特点是传输速率高，具有很强的抗码间干扰和信道选择性衰落能力。

OFDM最初用于高速MODEM、数字移动通信和无线调频信道上的宽带数据传输，随着IEEE802.11a协议、BRAN(Broadband Radio Access Network）和多媒体的发展，数字音频广播（DAB）、地面数字视频广播(（DVB-T）和高清晰度电视（（HDTV）都应用了OFDM 技术.OFDM利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT)代替多载波调制和解调，调制解调的核心是快速傅立叶运算单元，在进行蝴蝶运算时，不可避免的要进行大量的乘法运算。

由于FPGA具有强大的并行处理和计算能力,以及丰富的存储资源和逻辑运算资源,因此在FPGA器件上实现OFDM调制解调结构，具有很好的通用性和灵活性。

OFDM与系统框图OFDM的多个载波相互正交，一个信号内包含整数个载波周期，每个载波的频点和相邻载波零点重叠，这种载波间的部分重叠提高了频带利用率.OFDM每个子信道的频谱均为sinx/x形，各子信道频谱相互交叠，但在每个子信道载频的位置来自其他子信道的干扰为零，如图1所示。

OFDM系统如图2所示，OFDM系统的调制和解调分别由IFFT和FFT完成。

首先将串行输入数据d0，d1。

，d(N—1)变换成并行数据，接下来进行编码和星座图映射，得到频域数据。

经过IFFT后相当于调制到正交的N个f0，f1，。

，fN-1子载波,完成正交频分复用.接下来加入循环前缀，进行并/串转换,数/模转换，再调制到高频载波上发送。

如果是基带传输，则不需要进行载波调制。

在接收端进行相反的操作,使用N个相同的子载波进行N路解调，再将这N路解调信号并串输出，复现发送的原始信号。

经过FFT变换后的数据相当于将时域数据再转换成频域数据，即完成了OFDM信号的解调。

OFDM调制原理虽然是用N个正交的载波分别调制N路子信道码元序列,但实际中很难独立产生N个正交的载波。

基于MATLAB和FPGA设计及应用作者：王振覃云维段明玮来源：《中国新通信》2012年第14期【摘要】本文主要通过进行分析FPGA设计中存在的问题，并提出采用MATLAB中的Fixed-point Toolbox对FPGA测试数据进行分析，并通过具体的实例进行证明，在FPGA设计中采用MATLAB软件能够为FPGA的设计带来巨大的方便。

【关键词】MATLAB软件现场可编门阵列设计应用随着科学技术的发展，在网络、图像处理、视频以及数字通信等领域中，FPGA技术已经成为高性能数字信号处理系统的一项重要的元件。

但是由于FPGA设计调试环境中只能直观的显示出仿真测试数据的时域波形，不能显示数据的频谱等特性，从而为设计和调式带来困难。

如果将FPGA设计环境中的测试数据通过文件格式传给MATLAB软件，并利用MATLAB软件对数据进行处理，使测试结果更加容易判断，并未为FPGA的设计和调式提供方便。

下面具体进行分析此方法对FPGA设计是否方便有效。

1FPGA设计中存在的问题FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是可编程数字集成电路器件。

目前随着科学技术的进步，数字技术的快速发展，在电子工程设计中运用FPGA进行设计复杂的数字功能的次数越来越多，这对FPGA设计软件的功能提出更大的要求。

比如FPGA设计不仅能够实现FFT算法基础上保保证其时序得到验证，而且还需要对计算结果以及迭代的计算结果实现功能验证。

但是目前的FPGA不能满足要求，并且具有非常大的局限性。

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司推出的用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境的软件，它是集自动控制、神经系统、科学计算、图像处理以及信号处理于一体并具有非常高的编程效率的软件[1]。

针对上述FPGA设计中存在的问题，下面具体进行分析FPGA设计中应用MATLAB软件强大的数据可视化功能和数据分析处理能力解决上述问题的有效性。

通过Matlab软件实现对DSP/FPGA线性调频信号仿真直接数字频率合成（DDS）是近年来得到迅速发展的一种新的频率合成方法，具有频率切换速度快，很容易提高频率分辨率、对硬件要求低等优点。

可编程全数字化便于单片集成、有利于降低成本。

提高可靠性并便于生产等有点。

DDS技术从相位的概念出发进行频率合成，存储了数字采样波形表，可以产生点频、线性调频、ASK、FSK等各种形式的信号。

线性调频信号可以获得较大的压缩比，有着良好的距离分辨率和径向速度分辨率，作为一种常用的脉冲压缩信号，已经广泛应用于高分辨率雷达领域。

Matlab是美国MathWorks公司自20世纪80年代中期推出的数学软件，优秀的数值计算与卓越的数据可视化能力使其很快在同类软件中脱颖而出。

Matlab已经发展成为多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。

本文用Matlab软件建立DDS系统中线性调频信号的仿真模型，对于理解线性调频信号和在FPGA中来实现线性调频信号有借鉴意义。

DDS线性调频信号发生器框图设计图1 DDS技术的基本原理1 DDS技术的基本原理基本模型如图1所示，主要由时钟频率源fclk、相位累加器、波形存储器(ROM)、数/模转换器(D/A)、以及低通滤波器(LPF)组成。

输出信号波形的频率表达式为：(1)式中，fclk为参考时钟频率，ΔΦ为相位增量，N为相位累加器的位数。

只要N足够大，DDS可以得到很小的频率间隔。

要改变DDS的输出信号的频率，只要改变ΔΦ即可。

当参考时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率的控制字，频率分辨率取决于累加器的位数，相位分辨率取决于ROM的地址位数，幅度量化取决于ROM的数据字长和D/A转换器的位数。

2 线性调频信号的实现框图图2 软件编程实现线性调频信号的原理图脉冲压缩雷达最常见的调制信号是线性调频信号，接收时采用匹配滤波器（Matched Filter）压缩脉冲。

它的数学表达式如下：式中fe为载波频率，K=B/T是调频斜率，于是，信号的瞬时频率为。

MATLAB在数字调制解调中的应用系别：电信系班级:XXXXXXXXX姓名：XXX学号：XXXXXXX XXXX指导老师：XXX一．题目：数字调制与解调二．要求：用matlab模拟数字调制与解调三．步骤：1基本知识：按数字调制的方法分类可以分为多进制幅度键控(M-ASK)、正交幅度键控(QASK)、多进制频率键控(M-FSK)以及多进制相位键控(M-PSK)。

数字调制包括数模转换和模拟调制两部分，如图6.25所示。

1．M元幅度键控调制(M-ASK)M元幅度键控调制包含两部分，M-ASK映射和模拟幅度调制。

M-ASK映射将输入的数字码符映射到区间[-x, x]，数字码符取值范围是 [0, M-1]区间内的整数。

输出信号的幅值分别为[-x, x]的M-1等分点。

2．M元正交键控调制(M-QASK)M-QASK是数字调制使用得最多的一种方法。

它一般将输入的数字码符映射成为同相和正交的两个独立分量，然后用模拟QAM法对它们进行调制；在接收方，接收的信号被解调为同相和正交信号，从它们映射过程中恢复原始信号。

有许多种方法可将输入信号映射成同相和正交分量。

通信工具箱为M-QASK提供三种方案，即平面直角点集、圆点集和用户定义任意点集。

3．M 元频率键控调制(M-FSK)M 元频率键控调制是通过使用输入信号控制输出信号的频率来实现对数字信号的调制。

M-FSK调制过程分成两部分，即映射和模拟调制。

映射过程将输入信号反映成载波频率变化，模拟调制即FM。

M-FSK的解调有两种方法，即相干法和非相干法。

相干方法要求事先知道已调信号的相位，而非相干方法则不要求相位信息 , 它可以在解调过程中恢复已调信号的相位信息。

4．M-元相位键控调制(M-PSK)M-PSK通过改变已调信号的相位信息来实现对数字信号的调制。

M-PSK设置不同的初相移位以区别不同的数字码符。

M-PSK调制器输入信号的取值区间[0, M-1]，数字i对应的相位位移为1 带通数字调制/解调1. 数字带通调制函数dmod( )格式：y=dmod(x, Fc, Fd, Fs, method …)功能：用频率为Fc(Hz)的载波去调制数字信号，然后再输出采样频率为Fs(Hz)的仿真已调信号，Fs/Fd 必须是一个正整数。

用matlab来实现fpga功能的设计摘要：Sys te m Generator for DSP是Xilinx公司开发的基于Matlab的DSP 开发工具?熗?时也是一个基于FPGA的信号处理建模和设计工具。

文章介绍了在Matlab中使用System Generator for DSP实现FPGA硬件设计的方法，同时给出了一个应用实例。

关键词：Matlab；FPGA；System Generator；DSP近年来，在数字通信、网络、视频和图像处理领域，FPGA已经成为高性能数字信号处理系统的关键元件。

FPGA的逻辑结构不仅包括查找表、寄存器、多路复用器、存储器，而且还有快速加法器、乘法器和Ｉ／Ｏ处理专用电路。

FPGA具有实现高性能并行算法的能力，是构成高性能可定制数据通路处理器（数字滤波、FFT）的理想器件。

如Virtex-II Pro FPGA包含高性能的可编程架构、嵌入式PowerPC处理器和3.125G bps收发器等。

但是，FPGA在数字信号处理领域的广泛应用受限于几个因素。

首先，DSP开发人员不熟悉硬件设计，尤其是FPGA。

他们使用Matlab验证算法，运用Ｃ语言或汇编语言编程，通常不会使用硬件描述语言（ＶＨＤＬ或Ｖｅｒｉｌｏｇ）实现数字设计。

其次，虽然ＶＨＤＬ语言也提供了许多高层次的语言抽象，但是基于并行硬件系统的ＶＨＤＬ程序设计与基于微处理器的串行程序设计有很大的不同。

基于以上原因，Xilinx公司开发了基于Matlab的System Generator for DSP工具。

System Generator for DSP是Simulink中一个基于FPGA的信号处理建模和设计工具。

该工具可以将一个DSP系统表示为一个高度抽象的模块，并自动将系统映射为一个基于FPGA的硬件方案。

重要的是，该System Generator for DSP实现这些功能并没有降低硬件性能。

1、System Generator for DSP的特点simulink为DSP系统提供了强有力的高层次建模环境，可大量应用于算法开发和验证。

基于Matlab 调制与解调的实现一．实验目的1.熟悉Matlab 的使用2.掌握幅度调制、角度调制及FSK 调制的基本原理3.掌握解调的基本原理，并实现解调二．实验原理，仿真及结果分析 AM 调制与解调1.标准AM 波调制与解调的原理调制信号是只来来自信源的调制信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，亦可以是数字的。

为首调制的高频振荡信号可称为载波，它可以是正弦波，亦可以是非正弦波(如周期性脉冲序列)。

载波由高频信号源直接产生即可，然后经过高频功率放大器进行放大，作为调幅波的载波，调制信号由低频信号源直接产生，二者经过乘法器后即可产生双边带的调幅波。

设载波信号的表达式为t c ωcos ，调制信号的表达式为t A t m m m ωcos )(= ，则调幅信号的表达式为t t m A t s c AM ωcos )]([)(0+=标准调幅波示意图从高频已调信号中恢复出调制信号的过程称为解调，又称为检波。

对于振幅调制信号，解调就是从它的幅度变化上提取调制信号的过程。

解调是调制的逆过程。

)(t m )(t可利用乘积型同步检波器实现振幅的解调，让已调信号与本地恢复载波信号相乘并通过低通滤波可获得解调信号。

2．matlab仿真% ======================载波信号===========================t=-1:0.00001:1;A0=10; %载波信号振幅f=6000; %载波信号频率w0=f*pi;Uc=A0*cos(w0*t); %载波信号figure(1);subplot(2,1,1);plot(t,Uc);title('载频信号波形');axis([0,0.01,-15,15]);subplot(2,1,2);Y1=fft(Uc); %对载波信号进行傅里叶变换plot(abs(Y1));title('载波信号频谱');axis([5800,6200,0,1000000]);% ======================调制信号============================== t=-1:0.00001:1;A1=5; %调制信号振幅f=6000; %载波信号频率w0=f*pi;mes=A1*cos(0.001*w0*t); %调制信号subplot(2,1,1);plot(t,mes);xlabel('t'),title('调制信号');subplot(2,1,2);Y2=fft(mes); % 对调制信号进行傅里叶变换plot(abs(Y2));title('调制信号频谱');axis([198000,202000,0,1000000]);% =======================AM已调信号=========================t=-1:0.00001:1;A0=10; %载波信号振幅A1=5; %调制信号振幅A2=3; %已调信号振幅f=3000; %载波信号频率w0=2*f*pi;m=0.15; %调制度mes=A1*cos(0.001*w0*t); %消调制信号Uam=A2*(1+m*mes).*cos((w0).*t); %AM 已调信号subplot(2,1,1);plot(t,Uam);grid on;title('AM调制信号波形');subplot(2,1,2);Y3=fft(Uam); % 对AM已调信号进行傅里叶变换plot(abs(Y3)),grid;title('AM调制信号频谱');axis([5950,6050,0,500000]);%=========================FIR低通滤波器=======================Ft=2000; %采样频率fpts=[100 120]; %通带边界频率fp=100Hz，阻带截止频率fs=120Hzmag=[1 0];dev=[0.01 0.05]; %通带波动1%，阻带波动5%[n21,wn21,beta,ftype]=kaiserord(fpts,mag,dev,Ft);%kaiserord估计采用凯塞窗设计的FIR滤波器的参数b21=fir1(n21,wn21,Kaiser(n21+1,beta)); %由fir1设计滤波器[h,w]=freqz(b21,1); %得到频率响应plot(w/pi,abs(h));grid ontitle('FIR低通滤波器');%=========================AM信号解调=======================t=-1:0.00001:1;A0=10; %载波信号振幅A1=5; %调制信号振幅A2=3; %已调信号振幅f=3000; %载波信号频率w0=2*f*pi;m=0.15; %调制度k=0.5 ; %DSB 前面的系数mes=A1*cos(0.001*w0*t); %调制信号Uam=A2*(1+m*mes).*cos((w0).*t); %AM 已调信号Dam=Uam.*cos(w0*t); %对AM调制信号进行解调subplot(4,2,1);plot(t,Dam);title('滤波前AM解调信号波形');subplot(4,2,2);axis([187960,188040,0,200000]);Y5=fft(Dam); % 对AM解调信号进行傅里叶变换plot(abs(Y5)),grid;title('滤波前AM解调信号频谱');subplot(4,2,3);plot(t,z21);title('滤波后的AM解调信号波形');T5=fft(z21); %求AM信号的频谱subplot(4,2,4);plot(abs(T5));title('滤波后的AM解调信号频谱');axis([198000,202000,0,100000]);角度调制与解调角度调制是频率调制和相位调制的总称。

matlab模拟调制解调的原理和数字实现方案概述说明1. 引言1.1 概述本文旨在探讨matlab模拟调制解调的原理和数字实现方案。

随着通信技术的迅猛发展，调制和解调成为了现代通信系统中不可或缺的关键环节。

通过对调制和解调原理的深入研究，我们可以更好地理解数据传输过程中所涉及到的关键概念和技术，并能够以最高效、最准确的方式进行信号传输。

1.2 文章结构本文将分为五个主要部分来讲述matlab模拟调制解调的相关内容。

首先，在第二部分我们将详细介绍matlab模拟调制解调的原理，包括调制原理和解调原理。

接着，在第三部分我们将探讨数字实现方案，包括数字调制方案和数字解调方案。

在第四部分中，我们将通过实例来进一步说明matlab模拟调制和解调的具体应用及实施步骤。

最后，在第五部分我们将对前文进行总结回顾，并讨论结果的影响及应用范围。

1.3 目的本文旨在帮助读者深入了解matlab模拟调制解调的原理，并提供数字实现方案作为参考。

通过详细讲解调制解调的工作原理以及实例的讲解，读者将能够更好地掌握matlab模拟调制解调的技术要点和应用方法。

同时，本文还旨在引发读者对通信领域的关注，并激发他们在该领域进一步研究和创新的兴趣。

2. Matlab模拟调制解调的原理：2.1 调制原理：在通信系统中，调制是指将数字信号转换为模拟信号，以便在传输过程中能够被传输介质正确处理和传递。

调制技术通常用于将数字信号转换为模拟信号的基带信号或射频信号。

Matlab提供了丰富的工具和函数来实现各种调制技术。

常用的调制技术包括幅度移键（ASK）、频率移键（FSK）、相位移键（PSK）和正交幅度调制（QAM）。

这些调制技术可以通过改变合适的参数实现对输入数据的编码，从而产生相应的模拟信号。

对于ASK，通过改变载波的幅度来表示二进制数据；对于FSK，通过不同频率的载波来表示二进制数据；对于PSK，通过改变载波的相位来表示二进制数据；而QAM则同时改变载波的幅度和相位来表示多个二进制数据。

信息与通信工程学院专业综合设计数字调制的FPGA实现设计指导教师：XXX所属专业：电子信息工程XXXX年XX月XX日附录1：立题论证书模板信息研究所专业综合设计立题论证书院（系）信息与通信工程学院题目对应专业电子信息工程信息与通信工程学院专业综合设计开题报告数字调制的FPGA实现设计学生姓名学号：XXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXX指导教师：XXX所属专业：电子信息工程XXX年XX月XX日一、项目内容用Verilog HDL语言设计实现数字调制系统，包含4种数字调制模块。

1.2ASK2.BPSK3.QPSK4.2FSK在软件开发平台上调试通过，并与MATLAB仿真结果进行对比验证。

二、项目要求（技术指标）1.输入信号为码速率为32kbps数字信号，载波频率为１MHz。

2.给出完整的数字同相正交锁相环FPGA实现的设计，设计结果要通过ModelSim和MATLAB环境的双重仿真验证。

三、研究方案1.2-ASK（二进制幅移键控）模块1)MATLAB仿真实现2-ASK信号的方法有两种：①按照模拟调制法使用乘法器实现：图4.1模拟调制法②键控法使用开关电路实现，开关K的动作由S（t）决定图4.2键控法利用IP 核，输出2-ASK 调制波形。

输入信号是01信号，通过二选一开关，当信号为零时直接输出0，当信号为1时，使信号和载波相乘，这样就可以产生2ASK 调制信号2.2-FSK （二进制频移键控）模块1) MATLAB 仿真实现2-FSK 信号的方法有两种：①按照时域表达式实现)2cos()()2cos()()(222111ϕπϕπ+++=t f A t m t f A t m t S②采用MATLAB 软件里提供的FSK 信号调制函数fskmd()第一种方法实现非连续相位FSK 信号比较容易，但是无法产生连续相位的FSK 信号；第二种方法只需设置几个参数就可以产生所需调制度及相位特征的FSK 信号，使用起来也比较方便，故采用方法二实现。

基于Matlab的信号处理模块的FPGA快速开发作者：张佳琪文腾飞李凉海张振华来源：《计算机与网络》2020年第11期摘要：介绍了基于Matlab的Simulink开发工具进行FPGA自动代码生成的过程。

在信号处理领域，FPGA的开发存在开发周期长、开发成本大及灵活性差等问题，借助Simulink工具完成FPGA的快速开发，在完成Matlab仿真的基础上，搭建了合成孔径雷达后向投影算法模型，得出了模型结果，并将其与Matlab仿真结果进行对比，分析了自动生成FPGA代码的成本，验证了基于Matlab的FPGA开发的有效性。

关键词：信号处理；FPGA代码自动生成；后向投影算法中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）11-60-30引言近年来，FPGA已经成为高性能数字信号处理系统的关键元件，具有实现高性能并行算法的能力，是构成高性能可定制数据通路处理器的理想器件。

然而FPGA的开发受到以下限制[1-3]：①软件开发人员不熟悉硬件设计；②基于并行硬件系统的并行程序设计与基于Matlab 仿真的串行程序设计有很大的不同。

对此，MathWorks公司对Matlab进行高级开发，实现从Matlab到硬件描述语言的直接转换。

开发人员利用Simulink模块进行算法模型搭建，将模型进行定点化设计后利用HDL Coder将模型转换为需要的硬件语言。

1传统FPGA开发的弊端传统的基于硬件描述语言的FPGA硬件设计开发过程需要编写大量代码，工作量大，且需要系统设计师、硬件工程师和软件工程师协同工作，导致需要的设计人员多、开发周期长，且随着软件代码的更改，硬件语言需要重新进行时序调试与测试，开发的可靠性差。

近年来Xilinx开发的System Generator软件能够解决上述问题，实现由软件到硬件描述语言的完美转换，但其开发的局限性较大，且通过模块转换成的代码可读性较差，对于硬件设计人员来说可更改性较差，因此本文选用MathWorks公司自行开发的从Matlab仿真到Simulink 建模，再到可自动生成Verilog或者VHDL代码。

Matlab 与FPGA 的联合开发方式--------全并行结构FFT 的FPGA 实现目前Matlab 与FPGA 的联合开发主要可分为三种形式：一种是利用Matlab 来进行FPGA 设计时的前期系统算法仿真，另一种是利用Matlab 软件来完成FPGA 设计中的辅助仿真功能，最后一种是利用Matlab 软件将系统级的FPGA 设计模型转换成硬件描述语言。

本报告利用一个具体例子介绍第一种应用方法。

1.1 全并行FFT 算法介绍FFT 算法是DFT （离散傅里叶变换）算法的简称，它是由Cooley 和Tukey 在1965年提出的，FFT 在数字信号处理中得到了广泛的应用，各大FPGA 生产厂家也都提供了相应的运算点数可以改变的FFT 核，其运算速度相对于其他由DSP 器件实现的FFT 要快得多，但是其运算速度仍然满足不了某些特殊应用领域的需求，而且这些FFT 商业核的价格不菲，即使购买，源代码也不公开。

DFT 算法公式为10()()N kn N n X k x n W-==∑ （1-1）其中：()x n 为输入序列（时域）；（()X k 为输出序列（频域）；kn N W 为旋转因子。

其快速算法FFT 结构，如图1所示。

为了作图方便，这里以基2时间抽取8点FFT 为例加以说明。

图中箭头上的数字代表旋转因子kn N W 中的k 。

输入是码位倒序的，输出是自然顺序。

这种全并行结构的特点使每个蝶形的输出数据不需存储，直接流向下一级，整个算法不会产生数据堆积，如果采用同步时序电路，则可以实现每个时钟节拍输出一组FFT 计算结果，从而充分发挥了并行加流水结构的快速处理特点，使得FFT 运算速度得到极大提高。

图1 基2时间抽取全并行FFT 算法结构图1.2算法MATLAB 验证从图1所示的算法流程图中可以看出，经过蝶形运算后的数据位宽要比原来的输入数据扩展一倍，在所有运算都是定点运算的情况下，必须对数据进行截取，否则随着运算级数的增加，位宽扩展成指数增加，最终导致FPGA 器件资源枯竭，无法实现设计。

基于FPGA的数字调制解调设计2016年5月10日目录一、目的 (2)二、原理及实现 (2)2.1 2-ASK (2)2.2 2-FSK (3)2.3 2-PSK (4)三、设备需求 (5)四、硬件电路设计 (5)4.1 设计思路 (5)4.2 顶层设计 (6)4.3 MCU模块设计 (6)4.4 FPGA模块设计 (7)4.5 AD/DA模块设计 (7)4.6 外设部分 (8)五、软件编程 (8)5.1 2-ASK (8)5.2 2-FSK (11)5.3 2-PSK (14)六总结与感想 (16)一、目的1、掌握EDA设计流程和Verilog HDL；2、掌握数字系统调制解调原理，并用Verilog实现的方法；3、掌握Altium Designer绘制原理图和PCB的方法；4、掌握Quartus II的使用方法。

二、原理及实现调制是现代数字通信系统中必不可少的一部分。

在不少通信系统中，基带信号不能直接传输，必须先对基带信号进行变换=，得到适合信道传输信号，这就是调制；二解调就是调制的反变换。

用二进制（多进制）数字信号作为调制信号，去控制载波参量某些的变化以使信号与信道的特性相匹配。

这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字贷通信号（已调信号）的过程称为数字调制。

，反之称为数字解调。

用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号，被调制的高频振荡称为载波。

调制的信号通过传输后被接收端接收，把调制信号恢复成原始基带信号。

数字调制有三种基本形式：（1）振幅键控（ASK），（2）频移键控（FSK），（3）相移键控。

ASK属于线性调制，FSK和PSK属于非线性调制。

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（2-ASK）、二进制频移键控（2-FSK）和二进制相移键控（2-PSK）。

2.1 2-ASK1. 调制ASK是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。

2FSK调制解调器的FPGA与MATLAB设计与实现贺炜【摘要】文章介绍了相位连续的2FSK调制解调的原理.利用FPGA,采用键控法设计了可以根据检测到的脉冲码元分时输出不同频率正弦波的DDS发生器.利用MATLAB窗函数设计了FIR滤波器,研究了不同窗函数及量化位数对于FIR滤波器频率响应曲线的影响,求出FIR滤波器抽头系数并导入FPGA FIR IP核,实现了全并行分布式结构的FIR低通及带通滤波器.最后采用Verilog hdl语言实现了基于FPGA的2FSK调制及非相干解调,通过Model sim仿真得到非相干解调各节点信号的波形.仿真及实验结果表明基于FPGA和MATLAB设计的相位连续2FSK调制解调器是正确的,具有较高的实用性和可靠性.【期刊名称】《信息记录材料》【年(卷),期】2018(019)002【总页数】3页(P78-80)【关键词】FPGA;MATLAB;2FSK;FIR;调制;解调【作者】贺炜【作者单位】西安石油大学电子工程学院陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TN713随着EDA技术的高速发展，现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA) 因其具有可编程性、开发周期短、集成化程度高、灵活性强等特点，在通信领域的应用越来越广[1]。

频移键控（Frequency-shift keying，FSK）调制解调技术是现代通信中一项关键的技术[2-3]，调制解调效果的好坏更是直接关系着通信是否成功。

文章以 Altera型号FPGA 作为硬件核心，硬件与软件相结合，采用verilog hdl语言及MATLAB仿真，设计了DDS发生器及FIR滤波器，实现了相位连续的2FSK调制解调器，具有较高的实用性、可靠性和灵活性。

频移键控（FSK）是利用载波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f2两个频率点间变化。