武汉理工大学通信原理课设.docx
- 文档编号:4654428
- 上传时间:2022-12-07
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:106.79KB
武汉理工大学通信原理课设.docx
《武汉理工大学通信原理课设.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《武汉理工大学通信原理课设.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
武汉理工大学通信原理课设
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
题目:
数字基带通信系统的设计与建模
初始条件:
(1)MAX+plus、QuartusII、ISE等软件;
(2)课程设计辅导书:
《通信原理课程设计指导》
(3)先修课程:
数字电子技术、模拟电子技术、电子设计EDA、通信原理
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
(1)课程设计时间:
;
(2)课程设计题目:
数字基带通信系统的设计与建模;
(3)本课程设计统一技术要求:
按照要求对题目进行逻辑分析,了解数字基带通信系统,画出绝相变换器与相绝变换器的仿真模型,并记录实验结果波形,对实验结果进行分析;
(4)课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写,并标明参考文献至少5篇;
(5)写出本次课程设计的心得体会(至少500字)。
时间安排:
第19周
参考文献:
江国强.EDA技术与应用.北京:
电子工业出版社,2010
JohnG.Proakis.DigitalCommunications.北京:
电子工业出版社,2011
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
摘要
数字基带通信系统作为现在主流的信息传输方式,研究其传输特性的非常有必要的。
数字通信系统主要的两种通信模式:
数字频带传输通信系统,数字基带传输通信系统。
在信息传输的时候,必须对其编码和解码的操作,能够有效地避免信息的失真,保证信息的完整性。
在信息编码和解码过程,主要采用的是绝相和相绝的方式,这种方式安全,可靠,高效。
在基带传输中,主要采用位同步。
同步信号的提取方式采用自同步方式(直接法)。
同步系统性能的好坏将直接影响通信质量的好坏,甚至会影响通信能否正常进行。
本次课程设计就是讨论的基带传输系统。
关键词:
通信原理,绝相,相绝,基带系统
目录
1ISE软件介绍4
1.1ISE软件简介4
1.2 ISE工程设计流程4
2数字基带系统概述5
2.1数字基带系统介绍5
2.2数字基带信号6
2.3数字基带传输系统6
2.4数字基带传输的要求及常用码型7
3数字基带通信系统的设计与建模8
3.1实现原理介绍8
3.2含绝相变换器和相绝变换器的基带系统的设计与建模8
3.2.1系统模型8
3.2.2D触发器设计9
3.2.3异或门设计10
3.3绝相变换器的设计11
3.3.1绝相变换器的设计原理11
3.3.2绝相变换器的代码12
3.3.3绝相变换器的仿真分析13
3.4相绝变换器的设计13
3.4.1相绝变换器的电路设计13
3.4.2相绝变换器的代码14
3.4.3相绝换器的仿真分析15
3.5绝相和相绝变换器的综合设计15
3.5.1绝相和相绝的基带系统的建模15
3.5.2综合设计代码16
3.5.3综合设计仿真分析17
4心得体会17
5参考文献18
本科生课程设计成绩评定表19
1ISE软件介绍
1.1ISE软件简介
ISE的全称为Integrated Software Environment,即“集成软件环境”,是Xilinx公司的硬件设计工具。
相对容易使用的、首屈一指的PLD设计环境 !
ISE将先进的技术与灵活性、易使用性的图形界面结合在一起,不管您的经验如何,都让您在最短的时间,以最少的努力,达到最佳的硬件设计。
1.2 ISE工程设计流程
利用Xilinx公司的ISE开发设计软件的工程设计流程,具体分为五个步骤:
即输入(Design Entry)、综合(Synthesis)、实现(Implementation)、验证(Verification)、下载(Download)。
(1)图形或文本输入(Design Entry)
图形或文本输入包括原理图、状态机、波形图、硬件描述语言(HDL),是工程设计的第一步,ISE集成的设计工具主要包括HDL编辑器(HDL Editor)、状态机编辑器(StateCAD)、原理图编辑器(ECS)、IP核生成器(CoreGenerator)和测试激励生成器(HDL Bencher)等。
常用的设计输入方法是硬件描述语言(HDL)和原理图设计输入方法。
(2) 综合(Synthesis)
综合是将行为和功能层次表达的电子系统转化为低层次模块的组合。
一般来说,综合是针对VHDL来说的,即将VHDL描述的模型、算法、行为和功能描述转换为FPGA/CPLD基本结构相对应的网表文件,即构成对应的映射关系。
在Xilinx ISE中,综合工具主要有Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro,Synopsys公司的FPGA Compiler II/ Express, Exemplar Logic公司的 LeonardoSpectrum和Xilinx ISE 中的XST等,它们是指将HDL语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门,RAM,寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑连接(网表),并根据目标与要求优化所形成的逻辑连接,输出edf和edn等文件,供CPLD/FPGA厂家的布局布线器进行实现。
(3) 实现(Implementation)
实现是根据所选的芯片的型号将综合输出的逻辑网表适配到具体器件上。
Xilinx ISE的实现过程分为:
翻译(Translate)、映射(Map)、布局布线(Place & Route)等3个步骤。
ISE集成的实现工具主要有约束编辑器(Constraints Editor)、引脚与区域约束编辑器(PACE)、时序分析器(Timing Analyzer)、FPGA底层编辑器(FGPA Editor)、芯片观察窗(Chip Viewer)和布局规划器(Floorplanner)等。
(4) 验证(Verification)
验证(Verification)包含综合后仿真和功能仿真(Simulation)等。
功能仿真就是对设计电路的逻辑功能进行模拟测试,看其是否满足设计要求,通常是通过波形图直观地显示输入信号与输出信号之间的关系。
综合后仿真在针对目标器件进行适配之后进行,综合后仿真接近真实器件的特性进行,能精确给出输入与输出之间的信号延时数据。
ISE可结合第三方软件进行仿真,常用的工具如Model Tech公司的仿真工具ModelSim和测试激励生成器HDL Bencher ,Synopsys公司的VCS等。
通过仿真能及时发现设计中的错误,加快设计中的错误,加快设计进度,提高设计的可靠性。
(5) 下载(Download)
下载(Download)即编程(Program)设计开发的最后步骤就是将已经仿真实现的程序下载到开发板上,进行在线调试或者说将生成的配置文件写入芯片中进行测试。
在ISE中对应的工具是iMPACT。
2数字基带系统概述
2.1数字基带系统介绍
在上世纪60年代出现了数字传输技术,它采用了数字信号来传递信息,从此通信进入了数字化时代。
目前,通信网已基本实现数字化,在我国公众通信网中传输的信号主要是数字信号。
数字通信技术的应用越来越广泛,例如数字移动通信、数字卫星通信、数字电视广播、数字光纤通信、数字微波通信、数字视频通信、多媒体通信等等。
数字通信系统主要的两种通信模式:
数字频带传输通信系统,数字基带传输通信系统。
数字基带信号—指未经调制的数字信号,它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。
数字基带传输系统—指不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统,常用于传输距离不太远的情况下。
研究数字基带传输系统的原因:
实际中,基带传输不如频带传输应用广泛,但对基带传输的研究仍有非常重要的意义。
这是因为:
第一,数字基带系统在近程数据通信系统中广泛采用;第二,数字基带系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题;第三,随着数字通信技术的发展,基带传输这种方式也有迅速发展的趋势,它不仅用于低速数据传输,而且还用于高速数据传输;第四,在理论上,任何一个线性调制的频带传输系统,总是可以有一个等效的基带载波调制系统所替代。
因此,很有必要对基带传输系统进行综合系统的分析。
2.2数字基带信号
通信的根本任务是远距离传输信息,准确地传输数字信息是数字通信中的一个重要环节。
在数字传输系统中,其传输对象通常是二进制数字信息。
它可能是来自计算机、网络或其他数字设备的各种数字代码,也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号。
数字信息在一般情况下可以表示为一个数字序列:
a0,a1,a2……an,简记为{an}。
an是数字序列的基本单元,称为码元。
每一个码元只能取离散的有限个值,例如在二进制中,an取0或1两个值;在M进制中,an取0,1……M-1等M个值,或者取二进制码的M种排列。
由于码元只有有限个可能取值,所以通常用不同幅度的脉冲表示码元的不同取值,
例如:
用幅度为A的矩形脉冲表示1,用幅度为-A的矩形脉冲表示为0。
这种脉冲信号被称为数字基带信号,这是因为它们所占据的频带通常从直流和低频开始。
2.3数字基带传输系统
基带传输包含着数字通信技术的许多问题,频带传输是基带信号调制后再传输的,因此频带传输也存在基带问题。
基带传输的许多问题,频带传输同样须考虑。
理论上还可证明,任何一个采用线性调制的频带传输系统,总是可以由一个等效的基带传输系统来代替。
数字基带系统的基本结构
n(t)
数字基带
信号
G1(w)C(w)Gk(w)
图2.3数字基带传输系统框图
信道:
允许基带信号通过的媒质。
信道的传输特性通常不满足无失真传输条件,恒参信道对信号传输的影响主要是线形畸变;随参信道对信号传输的影响主要有频率弥散现象(多径传播)、频率的选择性衰落。
信道的线性噪声和加性噪声的影响。
在通信系统的分析中,常常把噪声n(t)等效,集中在信道中引入。
接收滤波器:
主要作用是滤除带外噪声,对信道特性均衡,使输出的基带波形有利于抽样判决。
抽样判决器:
它是在传输特性不理想及噪声背景下,在由位定时脉冲控制的特殊点对接收滤波器的输出波形进行抽样判决,以恢复或再生基带信号。
自同步法的同步提取电路:
有两部分组成,包括非线型变换处理电路和窄带滤波器或锁相环。
非线型变换处理电路的作用是使接收信号或解调后的数字基带信号经过非线型变换处理电路后含有位同步分量或位同步信息。
窄带滤波器或锁相环的作用是滤除噪声和其他频谱分量,提取纯净的位同步信号。
2.4数字基带传输的要求及常用码型
在实际基带传输系统中,并非所有的原始基带数字信号都能在信道中传输。
例如,有的信号含有丰富的直流和低频成分,不便提取同步信号;有的信号易于形成码间串扰等。
因此,基带传输系统首先面临的问题是选择什么样的信号形式,即传输码型的选择和基带脉冲波形的选择。
为了在传输信道中获得优良的传输特性,一般要将信码信号变化为适合于信道传输特性的传输码,即进行适当的码型变换
对传输码型的要求如下:
(1)传输信号的频谱中不应有直流分量,低频分量和高频分量也要小。
(2)码型中应包含定时信息,有利于定时信息的提取,尽量减小定时抖动。
(3)码型变换设备要简单可靠。
(4)码型具有一定检错能力,若传输码型有一定的规律性,则可根据这一规律性检测传输质量,以便做到自动检测。
(5)编码对信息类型不应有任何限制,即对信源具有透明性。
常用的码型有AMI码、HDB3码、分相码、反转码AMI等
3数字基带通信系统的设计与建模
3.1实现原理介绍
数字通信的基带传输方式是数字通信的最基本的传输方式,如利用中继方式在长距离上直接传输PCM信号、用双绞线进行局域网内的计算机数据传输等。
本课题讨论的主要对象是数字基带传输系统中的收发系统,具体是对包含绝相变换器的基带系统进行设计与建模。
对如何在信道中实现可靠传输不做探讨。
这主要是因为以FPGA/CPLD为目标器件,很实现对基带传输系统中发送滤波器和接收滤波器的设计。
3.2含绝相变换器和相绝变换器的基带系统的设计与建模
3.2.1系统模型
绝相变换是指将二进制非归零的数据码元变换成反映其相邻码元的电位
化的一种新的码元。
(3.1)
而相绝变换是绝相变换的反变换,公式如下
(3.2)
ak0
=1
延迟TB
=1
0bkbk0
0ak
0
0
bk-
延迟TB
1
bk-1
图3.2.1基带信号传输模型
由设计原理图可知,系统采用的的是D触发器和异或门实现的,绝相变换器和相绝变换器运用这两个元件的顺序不太一样而已,大体的思路基本一样。
3.2.2D触发器设计
D触发器的原理比较简单,就是通过时序信号的上升沿来控制的信号的输出。
当上升沿到来时,Q=D输出信号。
图3.2.2.1D触发器的电路图
图3.2.2.2D触发器的封装图
D触发器的实验代码:
libraryIEEE;
useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entityD_FFis
port(D,CLK:
instd_logic;
Q:
outstd_logic);
endD_FF;
architectureaofD_FFis
begin
process(CLK)is
begin
if(CLK'eventandCLK='1')then
Q<=D;
endif;
endprocess;
enda;
3.2.3异或门设计
异或门就是信号的A和B进行运算,最后L输出结果。
得到结果。
图3.2.3.1异或门的电路图
图3.2.3.2异或门的封装与
异或门代码:
libraryIEEE;
useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entityxor1is
port(A,B:
instd_logic;
L:
outstd_logic);
endxor1;
architectureex1ofxor1is
begin
L<=AxorB;
endex1;
3.3绝相变换器的设计
3.3.1绝相变换器的设计原理
绝相变换器的电路,如果按图3.2.1的基带信号传输,由于异或门为组合逻辑器件,因此其输出信号可能出现冒险现象,为了克服冒险现象,在后面增加一个D触发器则可保证正确的绝相变换信号输出。
图中:
DATAIN——码元输入;CLK——时钟输入;DATAOUT——绝相变换输出。
图3.3.1.1绝相变换器的电路图
图3.3.1.2绝相变换器的封装图
3.3.2绝相变换器的代码
libraryIEEE;
useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entityjuexiangis
port(DATAIN,CLK:
instd_logic;
DATAOUT:
outstd_logic:
='0');
endjuexiang;
architectureaeofjuexiangis
componentxor1is
port(A,B:
instd_logic;L:
outstd_logic);
endcomponentxor1;
componentD_FFis
port(D,CLK:
instd_logic;Q:
outstd_logic);
endcomponentD_FF;
signalDX,QX:
std_logic;
begin
A:
xor1portmap(DATAIN,QX,DX);
B:
D_FFportmap(DX,CLK,QX);
C:
D_FFportmap(DX,CLK,DATAOUT);
endae;
3.3.3绝相变换器的仿真分析
图3.3.3绝相变换器的仿真图
仿真运行后,D触发器是在时钟信号上升沿触发,每次触发后,判断ak(即data-in)与bk1(即前一时刻data-out),若相同,即此时刻data-out为0,反之为1。
如图3.3。
3中800ns时刻时钟处于上升沿,判断此时data-in为1且前一时刻data-out为0,两者不同,故此时刻data-out输出1。
由仿真波形图可以看出,其他基本正确,可以得出真值表如下。
DATAIN
0
1
0
1
DATAOUT
0
1
1
0
根据仿真图的结果分析得到,符合
,达到实验的目的。
3.4相绝变换器的设计
3.4.1相绝变换器的电路设计
相绝变换是绝相变换的反变换,其变换规则为
根据表达式画出相绝变换器电路图如图3.4.1.1图中用D触发器作为码元延迟器。
另外,为了克服组合逻辑电路带来的冒险现象,在输出端增加了一个D触发器。
图中:
XDATAIN——相对码输入;XCLKIN——时钟输入;JDATAOUT——绝对码输出。
图3.4.1.1相绝变换器的电路图
图3.4.1.2相绝变换器的封装图
3.4.2相绝变换器的代码
libraryIEEE;
useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entityxiangjueis
port(XDATAIN,XCLK:
instd_logic;
XDATAOUT:
outstd_logic);
endxiangjue;
architecturebeofxiangjueis
componentxor1is
port(A,B:
instd_logic;L:
outstd_logic);
endcomponentxor1;
componentD_FFis
port(D,CLK:
instd_logic;Q:
outstd_logic);
endcomponentD_FF;
signalXD,XQ:
std_logic;
begin
A:
xor1portmap(XDATAIN,XQ,XD);
B:
D_FFportmap(XDATAIN,XCLK,XQ);
C:
D_FFportmap(XD,XCLK,XDATAOUT);
endbe;
3.4.3相绝换器的仿真分析
图3.4.3相绝变换器仿真图
仿真运行后,D触发器是在时钟信号上升沿触发,每次触发后,判断bk(即data-in)与bk1(即前一触发时刻data-in),若相同即此时刻data-out为0,反之为一。
如图3.4。
3中80ns时刻时钟处于上升沿,判断此时data-in为1且前一时刻data-in为0,两者不同,故此时刻data-out输出1。
由此我们得出真值表
DATAIN
0
1
1
0
1
DATAOUT
0
1
0
1
1
根据仿真图的结果分析得到,符合
,达到实验的目的
3.5绝相和相绝变换器的综合设计
3.5.1绝相和相绝的基带系统的建模
绝相和相绝变换的基带系统VHDL设计模型如图所示。
图中将以上设计的绝相变换器和相绝变换器连接起来,构成了一个基带系统。
为了仿真方便,图中采用了同一时钟,而在实际的系统中,通常需要在接收端进行同步时钟信号提取。
图中:
JUE_X_OUT——绝相变换输出(相对码);DATA_IN——绝对码输入;CLK_IN——时钟输入;DATA_OUT——绝对码输出。
图3.5.1.1绝相和相绝组合的电路图
图3.5.1.2绝相和相绝组合的封装图
3.5.2综合设计代码
libraryIEEE;
useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entityalldesignis
port(DATA_IN,CLK_IN:
instd_logic;
DATA_OUT:
outstd_logic);
endalldesign;
architectureceofalldesignis
componentjuexiangis
port(DATAIN,CLK:
instd_logic;DATAOUT:
outstd_logic);
endcomponentjuexiang;
componentxiangjueis
port(XDATAIN,XCLK:
instd_logic;XDATAOUT:
outstd_logic);
endcomponentxiangjue;
signalJUE_X_OUT:
std_logic;
begin
g1:
juexiangportmap(DATA_IN,CLK_IN,JUE_X_OUT);
g2:
xiangjueportmap(JUE_X_OUT,CLK_IN,DATA_OUT);
endce;
3.5.3综合设计仿真分析
图3.5.3综合设计仿真图
根据仿真输出,显示了绝对码输入、相对码输出(绝相变换后)和经相绝变换后的绝对码输出。
可知该系统经过绝相和相绝变换后能正确地恢复原绝对码信号,只是有一点延时,不会造成太大影响,忽略延时,基本正确。
4心得体会
经过本学期对通信原理的学习,学习到了许多关于通信方面的知识。
对基带通信系统有了基本的了解。
加上自己掌握的EDA知识,本以为能够轻松完成这次课程设计的,但是正真实现的时候遇到了很多问题。
最后经过我们组内成员的讨论,完成了整个设计任务。
在通信原理课程设计的学习中,得到了很多东西。
一、让我养成了预习的好习惯,培养了我的动手能力。
二、在课程设计过程中,每个步骤我都亲自去做,不放弃,坚持寻找答案。
三、让我在探索中求得真知。
经过这一周,让我的动手能力有了明显的提高。
数字通信的基带传输方式是数字通信的最基本的传输方式,要探讨这种传输方式,先得查阅资料,了解其传输的原理。
在上网查阅资料后,知道是通过绝相和相绝的编码和解码方式,使得基带信号得以传输。
在课设中,以VHDL为目标器件,很难实现对基带传输系统中发送滤波器和接收滤波器的设计。
对于这个课程设计,我在探索中学习、在实践中掌握。
通过这次课程设计实践,我更深刻的了解了ISE的运用,我也更加系统的复习的通信原理的课程精髓。
在课设完成过程中,我遇到了许多问题,也非常的困扰着我。
但是我通过自己的努力,上网查阅资料、翻阅书籍,同时请教其他同学,最终解决了问题。
虽然过程比较艰苦,但是结果是令人喜悦的。
在此期间,我也学习到了,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 武汉理工大学 通信 原理
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)