标准4FSK基带信号系统的设计设计.doc

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摘 要
随着通信技术、航空航天技术、电子科学技术的迅速发展，数字通信技术的发展速度呈现出爆发式增长。如何提高数字通信技术中更好地过滤噪声成为数字对讲机发展的重要环节，而基于DCR标准的4FSK基带信号处理技术则应运而生，成为了一个热门的研究领域。
本文以数字对讲机为基础，研究并设计数字对讲机中的滤波器系统，即基带信号处理系统的。通过针对日本的数字对讲机标准DCR，研究了4FSK调制解调系统中基带信号处理的几项关键技术。
本文设计主要包括均方根余弦滚降滤波器、Isinc滤波器和帧同步检测器的设计方法，给出了相应的仿真结果，分析了整个系统的误码率，仿真结果表明系统误码率接近理论值，可以满足DCR标准的要求。

关键词：DCR；4FSK；成形滤波器；匹配滤波器；Isinc滤波器；帧同步检测器

Abstract
With fast development of communication technology, aeronautical and space technologies,electronic science and technology ,the digital communication technology has explosive growth of development speed.How to improve filter out the noise better in digital communication technology become an important part of the digital interphone development, and based on DCR standard of 4FSK baseband signal processing technology arises at the historic moment, has become a hot area of research.
In this paper, based on the digital interphone, research and design digital filter of intercom system, namely the baseband signal processing system.through the several key technologies of baseband signal processing are studied in 4FSK modulation and demodulation module based on the Japanese DCR standard．The work includes the design methods of square-root raised cosine FIR filter,inversed sinc(Isinc)filter and frame sync detector.The corresponding simulation results are given and the bit error rate(BER)of the entire system modules is analyzed.The simulation results show that the bit error rate of the system is close to the theoretical value,and able to meet the demand of DCR standards．

Key words:DCR;4FSK;square-root raised cosine filters;isinc filters;frame sync detector

前 言
随着人类科学技术的不断发展进步，人类对生活品质的需求不断提高，而作为即时通信技术，对讲机成为各个行业里不可缺少的一部分，也促使着拥有抗干扰能力强、通话质量好、可使用距离远等诸多优点的数字对讲机成为当下的热门研究领域。因此如何提高对讲机的通信距离及通信质量成为一个非常重要的环节。
在传统的对讲机模式上，以模拟对讲机为主流技术，模拟通信技术的原理是通过检测正弦波的频率、幅度、相位的变化，以及脉冲的宽度、幅度、位置变化来模拟原始信号，以此来达到通信目的。在模拟通信过程中，信号必须完成由低频段向高频段的转移，即实现调制过程。在接收端还需要将信号进行混频、谐振放大、解调、低频放大等相关处理，最终完成通信系统的基本过程。因此随着科学的快速发展及各方面对通信质量的要求越来越高，模拟通信技术逐渐出现了诸多缺点：1.保密性差，很容易被窃听。因为模拟信号本身的波形已经反映了话音信号的变化, 只要得到模拟信号就可以获取其中的信息。2.抗干扰能力弱，电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多。3.设备不易大规模集成化，在模拟通信中, 为了调制解调要用到较多的电感器件和滤波器, 这些器件都是不能集成的。4.不适于飞速发展的计算机通信要求。不能适应数字通信网的需要，如不能直接和计算机联网，只能采用数模兼容的方式。
然而，数字通信技术的出现这些缺点都能得以更好的解决，数字对讲机的基本原理是先把模拟语音转换成数字信号，以特定的数字编码方式和特定的基带调制形式，然后调制到射频上去，并采用数字信号处理器进行优化的数据化通讯模式。本文从改善通信质量为出发点，采用4FSK调制解调的方式，设计滤波器实现更好的数字传输及噪声处理功能。在设计过程中，采用日本无线电标准DCR标准，利用Parks-McCellan算法设计的成型滤波器和匹配滤波器的设计并实现，对利用窗函数设计的FIR滤波器进行讨论并分析。

目 录
摘 要 I
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究现状 3
1.3研究意义 4
1.4本文主要内容 5
第二章 方案设计算法及论证 5
2.1 dPMR数字对讲机制式 5
2.2 窗函数 6
2.2.1基本概念 6
2.2.2窗函数设计原理 6
2.3 窗函数 7
2.4 Parks-McCellan算法 10
2.5 奈奎斯特三大准则 11
2.6实验平台介绍 12
2.7 FPGA开发工具简介与使用 12
2.7.1 ISE简介 12
2.7.2 使用ISE进行FPGA设计的流程框图 13
2.7.3 Modelsim仿真工具简介与安装 14
第三章 系统设计与实现 15
3.1系统实现的总体结构 15
3.2 VHDL语言概述 16
3.3系统实现原理分析 17
3.3.1 有限状态机原理 17
3.3.2 状态机的基本描述方式 18
3.3.3 状态机实现的HDL描述方法 19
3.3.4滤波器的实现原理 19
3.4 FIR算法的具体实现 19
第四章 系统功能验证 23
4.1 仿真验证方法 23
4.2 仿真验证流程 24
4.3 系统仿真结果分析 25
4.3.1 软件仿真 25
4.3.2 硬件仿真 25
第五章 总结与展望 27
5.1论文总结 27
致 谢 29
参考文献 30

可修改编辑
第一章 绪论
1.1研究背景
无线通信早使用的无线对讲机早在二十世纪三十年代就被人们使用，是被最早使用的移动通信设备。而美国摩托罗拉公司发明了第一台移动无线电通信设备。经过数十年的发展移动通信技术已变得越来越普及，并逐渐从专业领域者的设计使用走向普通消费群众的生活，从军事扩展到民用。在移动通信领域，移动通信网络可分为公众移动和专业无线通信。从1970年到1990年期间，我国主要的专业无线电通信的方式是对讲机，随着移动通信的快速发展，专业通信市场份额逐渐被对讲机占据。对讲机在应急即时、集群调度等通信方面其他通信技术所不具备的优势，因此对讲机逐渐适用在如公安、消防、石油化工、物业管理、酒店餐厅、学校等各方面领域。
随着我国经济的快速发展，我国对讲机市场变得越来越大，对其需求也越来越多，对讲机通信已经渗透到各个行业里。显然，在我国越来越多的行业离不开对讲机通信。对讲机通信在国民生活和经济中占据了重要地位。即使目前世界经济处于低迷，各大经济领域发展减缓时，专业无线通信和公众低功率民用对讲机通信，仍保持较强的增长势头。中国拥有最大的移动通信对讲机市场，也是世界上在对讲机通信领域最被看好的市场之一。
经过考察，对讲机的家庭拥有量是反应一个国家公众无线通信水平高低的综合指标之一，同时也是一个国家国名经济和科学技术发展水平标志之一。在发达国家，如美国、德国、日本等国家消费者格外青睐对讲机。在上世纪90年带美国打开民用对讲机市场大门之后，对讲机逐渐成为主流通信设备，从1998年的2000年销量变成1000万台。同样，在德国、日本、法国等发达国家，有25%~30%的家庭在使用或拥有对讲机。
对讲机通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图1-1所示。

受信者
信道
发送设备
接收设备
信息源

噪声源

图1-1通信系统一般模型
对讲机通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。
模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-3所示。
受信者
解调器
信道
调制器
信息源

噪声源

图1-2 模拟通信系统模型
数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2所示。
受信者
信源译码器
信道译码器
数字调制器
数字解调器
信息源
信源编码器
信道编码器
信道

噪声源

图1-3 数字通信系统模型
目前模拟对讲机正在迎来一场重大变革，即数字时代的来临。传统的模拟对讲机是采用模拟信号的传输来实现信号传递，因此存在着频谱利用率低的缺点。而数字对讲机重新定义了信号的传输模式，它采用数字化模拟信号的方式，利用数字编码和数字调制的方式来实现通信，具有的优点如下：
一、抗干扰能力强。电信号在信道上传送的过程中，会必然的受到各种各样的噪声干扰。而在模拟通信过程中，很难消除这种噪声，就会使得通信质量变差。而数字通信在则是依据接收端接收到的“ 1 ”和“ 0 ”这两个数字来识别信号，只要噪声不是大到使“有电脉冲”和“无电脉冲”都分不出来的程度，就不会影响通信质量。
二、通信质量不会因距离长短而受影响。传统通信在传输过程中能量会逐渐减小而使信号变弱，为了延长通信距离，就要在通信过程中增加一些增音放大器。但增音放大器会把有用的信号和无用的噪声一同放大，在经过越来越多的放大器，噪声就会变得越来越强，以至于会超过正常的信号大小，使通信距离很受限制。而数字通信可采取“整形再生”的办法，可以把受干扰的脉冲重新处理成原始信号，不累计失真和噪声等干扰因素。可以增强通信的距离。
三、保密性好。使用原始通信技术传送的电信号，因模拟信号的方式来进行信号传输，因此加密比较困难。而数字通信采用离散的电信号进行传输，难以获取信息。而且采用随机性强的密码打乱数字信号的组合的方式就可以很简单的进行加密，即使窃收到加密后的数字信息，也无法在短时间内破译获取信息。
四、制造成本低维护费用少。数字通信的电路主要由电子开关组成，很容易采用各种集成电路，具有体积小、耗电少的优点。
五、适用于各种通信要求。数字传输可以将各种信息（电话、电报、图像、数据以及其它通信业务）变为统一的数字信号进行传输，而且与数字进行交换结合，从而实现统一的综合业务数字网。
六、便于实现通信网的计算机管理。随着光纤技术的发展，数字通信技术原本占用频带远宽于模拟通信的缺点被解决。数字通信将逐渐实现超高速、大容量、长距离，新的数字化智能终端将会产生。
1.2研究现状
自20世纪以来，随着人类逐渐发明了晶体管、集成电路，从而实现了通信技术的普及。特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。
1）移动通信的出现和卫星通信的升空，人们逐渐掌握了实时通信技术，即时通信成为了可能。
（2）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。
（3）光导纤维的出现大幅度的提升了通信容量。
（4）电子计算机的出现使通信技术产生了质的飞跃，通过通信网络和计算机的结合，世界变成了地球村。
（5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。
目前，数字对讲机发展较为成熟为欧美国家和日本。美国的数字对讲机标准为美国公众安全通信官员协会(APCO)第25计划委员会和电信工业协会(TIA)共同制定的APCO_ 25标准。欧洲电信标准委员会(ETSI)则推出DMR(Digital Mobile Radio)和dPMR(digital Private Mobile Radio)数字对讲机标准。
我国现行的对讲机模式和市场都是以模拟对讲机为主流形式流行于市场，我国在对讲机方面一直处于低端技术层面。而从2008年9月在深圳成立的“数字对讲机联盟”(简称“DRA”)标志着我国数字对讲机进入了一个新的时代，“DRA”成为我国新一代数字对讲机的标准，相信在不久的未来拥有我国自主研制的数字对讲机会走进千家万户。
本文采用的DCR(Digital Convenience Radio)协议是日本ARIB(Association of Radio Industries and Businesses)针对数字商业对讲机市场推出的数字对讲机标准，是在dPMR基础之上制定的，其现行标准为ARIB STD-98。
1.3研究意义
本文采用的DCR (Digital Convenience Radio)标准，是日本无线电工业协会2010年针对数字商业对讲机市场制定的数字对讲机标准，目前技术比较成熟的符合DCR标准的芯片大都被外国垄断。
CMX7141 是用于数字专网移动通信的专用芯片由CML半导体公司研制而出。是一款适用于ARIB STD—98 DCR标准的4FSK调制解调芯片。它可以实现DCR标准中数据链路层和呼叫控制层的大部分功能。AMBE—3000TM 是与CMX7141兼容的声码器芯片，AMB—3000TM声码器采用的是由DVSI公司研制的AMBE+2TM语音编码压缩算法的声码器。目前，语音压缩技术广泛运用于集群通信、中转台以及数字对讲机，而运用这种语音压缩技术的数字对讲机目前也正在被不少公司所采用。
在本文中，主要研究了基于AMBE3000的信源编码技术和基于CMX7141信道编码技术，设计遵从DCR标准的数字对讲机中的滤波器，并实现良好的滤波效果。
1.4本文主要内容
本文主要对DCR标准4FSK基带信号系统做出设计。
本文主要内容分为以下几个部分
第一章 主要介绍了数字对讲机的研究背景及意义，并简要介绍了国内外对数字对讲机的发展现状。
第二章 主要介绍了本设计方案所需算法、设计要求，以及设计所需的实验平台。
第三章 主要介绍了本设计方案的设计流程及设计方法。
第四章 主要介绍了本设计方案的实现及仿真结果。

第二章 方案设计算法及论证
2.1 dPMR数字对讲机制式
dPMR（digital Private Mobile Radio）是ETSI组织公开的数字设备标准。dPMR采用6.25KHz FDMA技术，4FSK调制方式、数据传输速率为4.8Kb/s。基于该技术，后续相继制定出NXDN、 DCR等标准。
dPMR已完成标准有ETSI TS 102 490（Tier1）、ETSI TS 102 658（Tier2）等。
dPMR由FDMA为接入端，具有成本低廉，技术实现容易等优点。其协议的实现分为直通与转发。于2005年由日本的建伍、ICOM提出，自2008年12月正式发布，协议文件为ETSI TS 102 490和TS 102 658，采用4FSK调制，6.25kHz信道间隔，业务速率4.8kbps。语音编码算法不作规定，但dPMR的MOU组织推荐采用AMBE 2声码器，编码速率为3.6kbps。
FDMA（Frequency Division Multiple Access/Address）,有许多不同技术可以用户来实现信道共享。其实现原理为分割信道频带形成数个更窄的相互不干扰的频带（称为子频带），然后将各个子频带分给一个指定唯一的用户（称为地址）。这种技术被称为“频分多址”技术。其中频分复用（FDM）是指将载波带宽划分为多种不同频带的子信道，子信道相互之间可以并行传输一路信号的一种技术。在运用到FDM时，多个不同的用户可以共享一个物理通信信道，这个过程被称为为多频复用（FDMA）。
2.2 窗函数
2.2.1基本概念
在实际进行数字信号处理时，往往需要把信号的观察时间限制在一定的时间间隔内，只需要选择一段时间信号对其进行分析。这样，取用有限个数据，即将信号数据截断的过程，就等于将信号进行加窗函数操作。而这样操作以后，常常会发生频谱分量从其正常频谱扩展开来的现象，即所谓的“频谱泄漏”。当进行离散傅立叶变换时，时域中的截断是必需的，因此泄漏效应也是离散傅立叶变换所固有的，必须进行抑制。而要对频谱泄漏进行抑制，可以通过窗函数加权抑制DFT的等效滤波器的振幅特性的副瓣，或用窗函数加权使有限长度的输入信号周期延拓后在边界上尽量减少不连续程度的方法实现。
窗函数的基本概念。设x(n)是一个长序列，w(n)是长度为N的窗函数，用w(n)截断 x(n)，得到N点序列xn(n)，即

在频域上则有

由此可见，窗函数即会影响原信号在时域上变化的波形，也会改变频域内原函数的形状。
2.2.2窗函数设计原理
窗函数设计法的基本原理是用有限长单位脉冲响应序列逼近。由于往往是无限长序列，而且是非因果的，所以用窗函数将截断，并进行加权处理，得到：
就作为实际设计的FIR数字滤波器的单位脉冲响应序列，其频率响应函数为：

式中，N为所选窗函数的长度。用窗函数法设计的滤波器性能取决于窗函数的类型及窗口长度N的取值。设计过程中，要根据对阻带最小衰减和过渡带宽度的要求选择合适的窗函数类型和窗口长度N 。
2.3 窗函数
数字信号处理的主要数学工具是博里叶变换．而傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系。不过，当运用计算机实现工程测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析。做法是从信号中截取一个时间片段，然后用观察的信号时间片段进行周期延拓处理，得到虚拟的无限长的信号，然后就可以对信号进行傅里叶变换、相关分析等数学处理。无线长的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，原来集中在处的能量被分散到两个较宽的频带中去了（这种现象称之为频谱能量泄漏）。
为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截短，截断函数称为窗函数，简称为窗。
信号截短以后产生的能量泄漏现象是必然的，因为窗函数是一个频带无限的函数，所以即使原信号是有限带宽信号，而在截短以后也必然成为无限带宽的函数，即信号在频域的能量与分布被扩展了。又从采样定理可知，无论采样频率多高，只要信号一经截短，就不可避免地引起混叠，因此信号截短必然导致一些误差。
泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱，为此，在时间域中可采用不同的窗函数来截短信号。
本设计采用窗函数截断，带来的直接后果就是过渡带变宽，码间串扰增大。以下是矩形窗设计的FIR滤波器，截止频率=1.2 kHz，采样速率为9.6kHz，阶数分别为11、21、31、41进行比较，冲击响应如图所示。

(a)

(b)

(c)

(d)
由表2.1可以看出，阶数越大，滤波器码间串扰越小，从其频谱来看越大，过渡带越窄，阻带最小衰减越大。但是越大，实现起来越困难，综合考虑后选择=31。
阶数 最大码间串扰
11 0．220 1
21 0．096 8
31 0．089 2
41 0．006 1
表2.1 不同阶数滤波器的码间串扰

2.4 Parks-McCellan算法
在线性相位FIR滤波器设计中，和是零相位频率响应。因此，设计的方伟是迭代调整滤波器的参数，以便使加权误差最小，得到的线性相位FIR滤波器，通常称为等波纹FIR滤波器。
长度为N+1的线性相位FIR滤波器的频率响应的一般形式为
。
式中幅度响应是的实函数。在这种情况下，加权误差函数定义为
。
式中是期望的幅度响应；是一个正的权重函数。
在指定的频带中，选择合适的来控制峰值误差的大小。Parks-McCellan算法可以迭代地调整幅度响应的系数，直到的峰值绝对值最小。
4种类型的线性相位FIR滤波器的幅度响应表达式可以用统一的形式来表示，因此，可以用同样的算法来设计4中滤波器（表1）中的任意形式1中。4种类型线性相位FIR滤波器的幅度响应可以表示为

由此，可以得到加权逼近函数的修正形式为

若使用记号和则上式可以重写为

这就是加权逼近误差函数的最终表达式。利用这一表达式，线性相位FIR滤波器的加权切比雪夫等波逼近问题可看成是求一组系数可表示成或或或]。在系数确定以后，由原幅度响应的系数计算得到吧滤波器的系数，使其在完成逼近的各个频带上（这里只指通带或阻带），的最大绝对值达到极小。
对于线性相位滤波器设计的切比雪夫等波纹逼近法，引进了逼近理论的一个定理，即瑞米兹（Remez）交错算法。这是一种高效的迭代算法，它假设已知滤波器长度N(或L)和比率。如果选择了权函数，也正确地选择了阶数N，并且设，就可以得到解。滤波器技术指标中给出了因此需要设定N的值。凯泽提出了一个简单的公式来逼近N，即

由于N是近似的，最大误差可能不等于。如果出现这种情况，需要增加N或减少N，再次用Remez算法确定一个新的。重复此过程至。这样就得到了等波滤波器。
2.5 奈奎斯特三大准则
数字信号在传输过程中产生二种畸变：叠加干扰与噪声，出现波形失真。瑞典科学家奈奎斯特在1928年为解决电报传输问题提出了数字波形在无噪声线性信道上传输时的无失真条件，称为奈奎斯特准则。
奈奎斯特三大准则：
奈奎斯特第一准则：抽样点无失真准则，或无码间串扰（ISIFree)准则
奈奎斯特第二准则：转换点无失真准则，或无抖动（JitterFree）准则
奈奎斯特第三准则：波形面积无失真准则。
第一准则：抽样值无失真。即如果信号经传输后整个波形发生了变化，但只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的方法仍然可以准确无误地恢复原始信码。奈奎斯特第一准则规定带限信道的理想低道截止频率为fH时，最高的无码间干扰传输的极限速度为2fH。例如，信道带宽为2000Hz时，每秒最多可传送4000个二进制码元。一路数字电话速率为64kbit/s，则无码间干扰的信道带宽为32kHz。
第二准则：转换点无失真。有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰，而在其余码元的抽样时刻无码间干扰，就能使频带利用率达到理论上的最大值，同时又可降低对定时精度的要求。通常把满足奈奎斯特第二准则的波形称为部分响应波形。利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统。
第三准则：脉冲波形面积保持不变。即如果在一个码元间隔内接收波形的面积正比于发送矩形脉冲的幅度，而其他码元间隔的发送脉冲在此码元间隔内的面积为零，则接收端也能无失真地恢复原始信码。
2.6实验平台介绍
本课题选用SDR无线电实验箱，本实验平台采用数字中频设计方案，系统整体采用FPGA+AD/DA+RF的架构，实现可以重配置的通信系统。实验平台分为以下部分：
1、核心板：FPGA实现全数字通信系统，主要包括基带信号处理与中频信号处理两部分。
2、 底板：承载FPGA核心板，以及外设接口。
3、 模数转换器（ADC）/数模转换器（DAC）：AD/DA实现数字信号与模拟信号的转换。
4、 射频（RF）单元：RF实现模拟信号的发射与接收。
该软件无线电实验平台主要由系统底板（接口板）、FPGA核心板、高速并行AD/DA模块和RF模块构成。
2.7 FPGA开发工具简介与使用
2.7.1 ISE简介
Foundation Series ISE(简称ISE)是由著名的可编程期间开发Xilinx公司提供的集成化开发平台，ISE的主要功能包括设计输入、综合、仿真、实现和下载，涵盖了FPGA开发的全过程。
（1） 设计输入
ISE提供的设计输入工具包括用于HDL代码输入和查看报告的ISE文本编辑器（The ISE Text Editor），用于原理图编辑的工具ECS(The Engineering Capture System),用于状态机设计的StateCAD及用于约束文件编辑的Constraint Editor等。
（2） 综合
ISE的综合工具不但包含了Xilinx自身提供的综合工具XST，同时还可以内嵌Mentor Graphics公司的LeonardoSpectrum和Synplicity公司的Synplify，实现无缝链接。
（3） 仿真
ISE本身自带了一个具有图形化波形编辑功能的仿真工具HDL Bencher，同时又提供了使用Model Tech公司的ModelSim进行仿真的接口。
（4） 实现
此功能包括了翻译、映射、布局布线的，还具备时序分析、管脚指定以及增量设计等高级功能。
（5） 下载
下载功能包括了BitGen，用于将布局布线后的设计文件转换为位流文件，还包括了IMPACT，功能是进行设备配置和通信，控制将程序烧写到FPGA芯片中。
2.7.2 使用ISE进行FPGA设计的流程框图
设计验证
如图2.2所示：
设计输入

功能仿真
设计综合

设计实现
静态时序分析

优化

时序仿真
反标注
FPGA
-映射
-布局布线

生成位流

电路验证
下载到
Xilinx 器件

图2.2 ISE设计框图
2.7.3 Modelsim仿真工具简介与安装
Modelsim是由Model公司开发的一款强大的仿真软件。它支持Verilog、VHDL以及他们的混合仿真，它可以将整个程序分步执行，使设计者直接看到它的程序下一步要执行的语句，而且在程序执行的任何步骤任何时刻都可以查看任意变量的当前值，可以在Dataflow窗口查看某一单元或模块的输入输出的连续变化等，是目前业界最通用的仿真器之一。其功能侧重于编译和仿真，不具备制定编译的器件和下载配置的能力，因此需要与ISE等软件关联使用。
第三章 系统设计与实现
根据DCR协议，基带信号处理过程，主要包括4部分的设计，分别是调制过程的成型滤波器、解调过程的匹配滤波器、Isinc函数滤波器、帧同步检测器。本文的主要工作是实现调制过程的成型滤波器、解调过程的匹配滤波器，这两个滤波器在实现上是一样的。
3.1系统实现的总体结构
DCR标准4FSK调制解调系统的具体实现结构框图如图3.1所示，调制过程包括组帧、零点内插、成形滤波、Sinc滤波、DA转换经过无线发送模块发送出去；解调过程首先接收信号经过AD转换进入FPGA内，然后经过匹配滤波、Isinc滤波、采样判决、最后进行帧同步检测。
调制解调器基带信号处理
Rx
A/D
Sw
Sinc
滤波器
成形滤波器
零点
内插
组帧
TA、x调制解调器基带信号处理
Tx
D/A

匹配滤波器
Isinc
滤波器
采样判决器
帧同步检测

图3.1 DCR标准4FSK调制解调系统
a) DCR标准4FSK调制过程
DCR标准：语音信号首先进行组帧，然后经过零点内插，成形滤波器和Sine函数滤波器，经过D/A，最后由射频模块发送出去。具体过程如下：
(1)组帧：将语音信号按DCR标准进行组帧，总共分为2种帧格式，同步脉冲SB0，通信用信道SC。
(2)零点内插：对每一帧数据按DCR符号化准则进行电平转换，由二进制变换为四进制。设定每个符号周期采样4个值，则在每2个原四电平信号之间等间隔插入3个零值点。
(3)成形滤波器和Sine函数滤波器：成形滤波器 采用均方根升余弦滚降滤波器，其频率响应满足升余弦特性。可以滤除高频成分，限制信号的频带和降低码间串扰。
b) DCR标准4FSK解调过程
从射频接收来的信号先经A/D采样，转换成数字信号，通过匹配滤波器，Isinc函数滤波器，抽样判决器，最后通过帧同步检测器恢复出数字信号。
(1)匹配滤波器和Isinc函数滤波器：接收滤波器与调制过程的成形滤波器完全相同。Isinc函数滤波器采用切比雪夫等波纹滤波器进行设计，可以有效减少码间串扰，校准波形。
(2)抽样判决器：设定合适判决阈值恢复四电平信号，然后再转换为二电平信号。
(3)帧同步检测：查找每一帧数据的帧头和帧同步字，确定帧起始位置后进行解帧，恢复出原来数据。
本文主要研究工作是在调制解调器基带信号处理部分的相关数字滤波器设计。
3.2 VHDL语言概述
VHDL是硬件描述语言，即Very High Hardware Description Language的简称。 VHDL语言于1982年诞生，1987年底，它被美国国防部和IEEE定为标准硬件描述语言，这个标准公布后，很多开发EDA工具的公司推出了自己开发环境，或宣布自己开发的设计环境可与VHDL兼容，此后，VHDL语言得到了快速发展，在电子设计领域也获得了广泛的认可。1993年，IEEE经过修改发布了新的VHDL版本，从系统描述和更高的抽象层次扩展VHDL语言。
VHDL语言是用于实现硬件电路的一种高级语言，最初由美国国防部开发VHDL语言，主要是为了提高美军武器的可靠性和缩短武器研制周期的一种使用范围较窄的设计语言。
VHDL语言主要用于数字系统设计的行为、结构、功能以及接口等功能的描述，采用VHDL语言设计硬件电路一般采用自上而下的设计方法，即先从整体结构设计，再向下细化各个模块的具体实现，分模块调试验证，最后将各个模块连接在一起进行调试。
目前，世界主流的硬件描述语言有VHDL和Verilog两种，在1995年Verilog硬件描述语言成为IEEE标准。这两种语言有以下共同特点：
1) 均能抽象描述电路的行为和结构；
2) 均能采用层次化设计方法；
3) 均能对电路进行仿真和验证；
4) 均能实现电路由高层到底层的综合转换；
5) 容易理解且设计可重用等。
这两者的区别有一下几点：
1) VHDL语言语法非常严谨，Verilog类似于C语言的描述，在学术界、航天设备中VHDL语言应用的较多，在企业界Verilog语言应用较多；
2) VHDL系统级抽象比Verilog语言好很多，适合大型系统的设计，Verilog语言在门级、RTL级以及算法级比Verilog有优势；
3) 在芯片设计中Verilog语言应用的较多，在不同应用领域各有各的优势。
由于VHDL语法非常严谨本，对于初学者采用VHDL有利于提高自己写代码的风格，本设计采用VHDL语言实现多功能豆浆机的控制电路。
3.3系统实现原理分析
3.3.1 有限状态机原理
本系统控制器的核心是有限状态机的设计，FPGA工程中有限状态机的设计也起到非常重要的作用，有限状态机不仅依赖当前的输入状态，还依赖于之前的输入状态，有限状态机包含时序电路和组合逻辑组成，时序逻辑即寄存器组由同一个时钟控制的触发器组，用来寄存当前输入的状态，组合逻辑分为输出译码器和状态译码器，状态译码器主要用于在时钟驱动下跳入下一状态，输出译码器主要用来产生状态机的输出向量。
有限状态机根据输入、输出以及当前状态的函数关系分为Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机，Moore型有限状态机指输出仅与当前的输入状态有关，Mealy型有限状态机不仅与当前的输入状态有关还与之前的输入状态有关，Mealy型有限状态机又可分为异步Mealy型状态机和同步Mealy型状态机。
有限状态机状态编码也是非常重要的一部分，编码方式不一样会导致实现时状态机面积过大或速度太慢。一般采用的编码方式有三种：格雷码、二进制码和独热码。格雷码和二进制码是采用的压缩状态编码，使用较少的状态位实现更多的状态编码，当使用格雷码编码时，相邻状态机只有一位发生变化，这样即可以减少多条状态转换信号传输的延迟产生的毛刺，也可以降低功耗。当使用独热码时，每一个状态使用唯一的状态编码，M个状态的状态机使用M个触发器，这样使用的触发器资源较多，但是状态译码简单，状态转换实现速度较快且能减少组合逻辑。这种编码方式在增加状态或改变状态转换条件时，都可以不影响其他的状态机而很方便的实现。
FPGA状态机设计时，若状态机的个数小于等于8时，一般采用格雷码或二进制码；若状态机的个数大于16时，通常采用独热码编码的方式。
3.3.2 状态机的基本描述方式
在数字系统设计中，常用的状态机的基本描述有3种：状态转换图、状态转换表和硬件语言描述。
1) 状态转换图
状态机描述比较自然直观的方式是状态转换图，通过状态转换图可以很直观的理解设计中的状态转换过程，经常在设计过程中定义具体实现的逻辑功能是使用，在分析代码中的状态机实现时也可以使用，如图3.2所示，状态转换图中列出了S0、S1、S2和S3四个状态、状态转换关系以及转换条件和输出，图中隐含了状态转换的时钟，大部分EDA设计软件里状态转换图可作为逻辑设计输入，可自动生成状态机实现的硬件描述语言的代码。

图3.2 状态转换图
2) 状态转换表
状态机描述采用列表的方式，数字系统设计中状态化简常用状态转换表，对于FPGA来说，由于内部逻辑资源比较丰富，且状态机编码要充分考虑整个设计的稳定性、安全性等因素，因此优化状态机时不常用状态转换表。
3) HDL语言描述状态机
HDL语言描述是状态机具体实现中常用的设计方法，本文多功能给豆浆机控制器的状态机（FSM）设计采用HDL语言描述，HDL语言描述状态机的具体实现非常灵活，通过规范化的设计方法描述状态机可使系统更安全、高效、稳定、便于维护。
3.3.3 状态机实现的HDL描述方法
FSM状态机设计分为三部分，当前状态寄存器转换状态（current_states）、下一个状态寄存器转换状态（next_states）和状态逻辑输出。常用的状态机描述有一段式、