第1章 CPLD建模

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1、新编电气与电子信息类本科规划教材基于CPLD/FPGA的数字通信系统与设计段吉海 黄智伟 编著 王毓银 主审电子工业出版社目录 第1章 绪论 第2章 通信系统的VHDL建模 第3章 常用基本电路模块的建模与设计 第4章 基带信号的编、译码建模与设计 第5章 数字复接技术及其建模与设计 第6章 同步技术与VHDL设计 第7章 数字通信基带系统的建模与设计 第8章 数字信号频带传输系统的建模与设计 第9章 伪随机序列与误码检测原理、建模与设计第1章 绪论内容提要本章主要分两部分内容，第一部分是关 于通信系统的概述，简单介绍了通信技术的 发展历史，通信系统的组成和有关概念以及 通信系统的主要性能指标

2、。第二部分是关于 EDA的概述，介绍了EDA的概念，VHDL硬件描 述语言的特点，仿真、综合和自顶向下的设 计方法，以及对可编程逻辑器件CPLD/FPGA和 Max+plusII开发设计平台做了简单介绍，最 后就数字通信系统的建模与EDA工程方法学 的关系做了简单说明。 知识要点 模拟和数字通信系统的基本模型； 信道的分类； 衡量通信系统性能的主要指标； VHDL的主要优点和基本结构； 基于VHDL的设计方法和步骤； CPLD/FPGA的基本结构； CPLD/FPGA的编程与配置； Max+plus开发系统的应用。教学建议 要求了解通信技术的发展历史，掌握通信系统的 基本组成和有关概念以及通信

3、系统的主要性能指标； 掌握EDA的概念、VHDL的特点、仿真、综合和自顶 向下的设计方法；了解CPLD/FPGA器件的结构和特点 ；掌握CLPD/FPGA的设计文件下载和配置方法；掌握 Max+plusII开发设计平台的应用； 学习本教材之前，应先修数字电路、通信 原理和VHDL实用教程等课程。 建议教学时数为2学时。 该章内容可根据具体情况，作为选修内容。1.1 通信系统概述 1.1.1 引言 随着人类社会生产力的发展，人类交流感 情、传递信息的各种方式发生了巨大变化， 进而形成了一门独立的学科通信。通信 可以理解为信息的传输与交换。 本书中的所谓通信指的是电通信。它的发 展起于十九世纪三十

4、年代。 1938年美国人Morse（莫尔斯）发明了有 线电报，利用导线中的有无电流分别表示传 号和空号，然后再根据传号和空号的长短来 组成点和划，编码成不同的电报符号。因此 若发信者先将所要传递的文字翻译成电报符 号，再利用电报机发送出去，则收信者将收 到的电报符号，再翻译成报文，既可实现有 线文字传输。这为通信技术的发展奠定了良 好的基础。 1864年Maxwell（麦克斯韦）提出了电磁辐射 方程，为无线电报的发明提供了理论依据。 1876年Bell（贝尔）发明了电话，因而实现 了语音传输。 1906年发明了电子管，它不仅为无线电话提 供了实现的基础，而且为后来的诸如电子管 计算机等提供了器

5、件基础，到了真正的电子 应用时代。 20世纪初到40年代，相继出现了调幅广播、 明线载波电话、多路通信、调频无线电广播 等 1948年发明了晶体管，进入了电子应用的新 时代。随着Shannon（香农）提出了信息论， 通信统计理论开始建立，为通信信道的研究 提供了理论依据，随后相继出现了时分多路 通信，卫星通信等。 20世纪60年代发明了集成电路和激光，标志着电子 和通信进入了第三个重要发展阶段，尔后相继产生了 程控交换机、光纤通信系统。 20世纪80年代，发明了超大规模集成电路，加速了现 代通信系统的发展。 数字通信是从模拟通信发展起来的，它已成为不可替 代的现代通信技术，特别是近年来，随着F

6、PGA/CPLD （现场可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件）的出 现和发展，对通信系统进行ASIC（专用集成电路）芯 片的研究开始盛行，VHDL等硬件描述语言已正广泛应 用于ASIC芯片的开发，将为现代通信技术的发展做出 重大贡献。 1.1.2 通信系统的组成 1. 通信系统的一般模型所谓通信系统是指构成信息传递所需的 技术设备的总和。组成通信系统的一般模型 如图1-1所示。 （）信源与信宿信源：指消息的产生来源，并将消息变换为电信号 。根据信源输出信号的性质可分为模拟信源和数 字信源。 模拟信源输出的是模拟信号。模拟信号是指幅 度连续的信号，如电话机输出的话音信号，摄像 机输出的图像信号等。

7、数字信源输出的是数字信号。数字信号是指幅 度离散，且时间也离散的信号。如电传机及计算 机输出的符号序列等信号属于数字信号。 信宿：也称收信者或受信者，是信号到达的终端。它 的作用是将接收设备的电信号转换成相应的消息 。 （）发送设备与接收设备发送设备：包括调制、放大、滤波、发射等等，其作用 是实现信源与信道的匹配。由于信源输出的信号 常为基带信号。它包含有低频成分甚至还有直流 成分，而这种信号不适合在大多数信道中传送。 基带信号经调制后成为所谓的频带信号。这种信 号能适应于信道传输，而且可实现多路复用和提 高抗干扰能力。 调制是指将基带信号转换为适合于在信道中传输 的信号。对于无线传输来说，发

8、送设备应包括从 调制到发射天线间的设备，对数字信源还包括信 源编码。 接收设备：其基本功能是完成与发送设备相反的变换。如 解调，译码（对应数字信号）等。（）信道最基本的信道（指狭义信道）包括两类：有线 信道和无线信道。有线信道有架空明线、对称电 缆、同轴电缆、光纤等等。无线信道是指空间传 输媒质。信道对信号的传输性能有直接的影响， 因此，不同的通信系统，对信道有不同的要求。 或者说，不同的信道，对通信系统有不同的要求 。关于狭义信道与广义信道的概念将在后面介绍 。 （）噪声源所谓噪声源是指噪声的来源。这里的噪声是指 信道中的噪声或干扰。关于噪声的种类和定义可 查阅参考文献1。 2. 模拟通信系

9、统模型根据信道中传输的信号特征，将通信系统分为模 拟通信系统和数字通信系统。其中，模拟通信系统是 指传输模拟信号的通信系统。其模型如图1-2所示。 调制器实现了基带信号到频带信号的转换，而 解调器则完成由频带信号到基带信号的转换。 调制器和解调器是非线性器件或设备。 需要指出的是上述模型是模拟通信系统的最简 化模型，而复杂系统还有滤波、放大、变频、发 射等部件或设备。 图1-2中的信源为模拟信源，即输出的是模拟信 号。 3. 数字通信系统模型 数字通信模型的框图如图1-3所示。 数字通信是指在该通信系统中所传输的是 二进制或多进制数字信号。发送设备包括信源 编码和信道编码两部分。 信源编码是指

10、把连续消息变换为数字信号 。例如，将模拟信号的语音信号经PCM(脉冲编 码调制)变换后，实现了数字化。这一过程就 是信源编码。 信道编码则是指在原来的数字信号序列中 引进某些作为误差控制用的数码，以实现自动 检错和纠错的目的。 经信道编码后的数码序列长度变长，从而降低了 码元传输速率，因此信道编码所提高的传输可靠性是 靠牺牲其传输的有效性来换取的。 下面介绍关于“狭义信道”、“广义信道”以及“ 调制信道”和“编码信道”的概念。（1）狭义信道：以具体媒质定义的信道称为狭义信道。（2）广义信道：指除具体媒质外，还包含一定的设备的信道。（3）调制信道：指包含从调制器输出到解调器输入之间的媒质和 设备

11、部分。调制信道属于模拟信道，它通过乘性干 扰和加性噪声对调制信号发生模拟变化。 （4）编码信道：指包含从编码器输出到解码器输入之间的媒质和 设备部分。编码信道属于数字信道，它对信号的影 响是一种数字序列的变换，即把一种数字序列变换 成另一种数字序列。 （5）调制信道和编码信道属于广义信道。 1.1.3 衡量通信系统的主要性能指标 传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的性 能指标。 有效性是指在给定信道内能传输信息内容的多少。可靠性是指接收信息的准确程度。模拟通信系统的有效性指标用有效传输频带来度量。 有效传输频带越窄，则系统传输的有效性越高。模拟通信系统的可靠性指标用接收端输出信噪比来衡

12、量。输出信噪比越大，则可靠性越高。 数字通信系统的有效性指标可用信息传输速率 ，单位为 （比特秒）或用码元传输速率，单 位为B（波特）来衡量。 信息速率是指单位时间内传输的信息量的多少 ，用 表示。而码元速率是指单位时间内传输的码 元个数，用 表示。 信息速率与码元速率有如下关系：（1-1） 式中的N 表示码元的进制数。 从上式可知，信息传输速率不仅与码元速率有 关，还与码元的进制有关。 系统在具有相同的信息速率条件下，所采用的进 制不同，则码元的传输速率也不同。二进制码元速率 与进制码元速率有如下关系：(1-2)例如，设二进制码元速率为 ，则三进制码元的 速率应为： 可见，在相同的信息速率条

13、件下，多进制信号码 元速率比二进制的码元速率低。 系统在相同的码元速率条件下，多进制的信息速率 比二进制的信息速率高。例如，设二进制的信息速率为 ，则三进制的信息 速率为： 衡量数字通信系统的另一常用指标是频带利用 率。 频带利用率的定义为单位频带内的码元传输速 率，其单位为 （波特/赫兹）。频带利用率 越高，则系统的有效性越好。 数字通信系统的可靠性用差错率 ，即误码率或误信率来表示。 所谓误码率，是指错误接收码元数 与所传送的总码元数之比。 误信率，也称误比特率，是指错误 接收的信息量占传送信息总量的比例。1.2 EDA概述 1.2.1 引言随着社会生产力发展到了新的阶段，各种电子新 产品

14、的开发速度越来越快。现代计算机技术和微电 子技术进一步发展和结合使得集成电路的设计出现 了两个分支。一个是传统的更高集成度的集成电路 的进一步研究；另一个是利用高层次VHDL/Verilog 等硬件描述语言对新型器件FPGA/CPLD进行专门设计 ，使之成为专用集成电路（ASIC）。这不仅大大节 省了设计和制造时间，而且对设计者，无须考虑集 成电路制造工艺，现已成为系统级产品设计的一项 新的技术。现代通信技术的发展随着VHDL等设计语言的出现 和ASIC的应用也进入了一个新的设计阶段，特别是 ，对数字通信系统的ASIC芯片的研究有着看得见的 使用价值。EDA（Electronic Design

15、 Automation）技术是现代 电子设计技术的核心。它以EDA软件工具为开发环境，采 用硬件描述语言（Hardware Description Language, HDL），采用可编程器件为实验载体，实现源代码编程、 自动逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合、布局 布线、逻辑优化和仿真等功能，以ASIC、SOC芯片为目标 器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化的 设计技术18。EDA技术可把数字通信技术，微电子技术和现代电子 设计自动技术结合起来，实现了硬件设计软件化，加速 了数字通信系统设计的效率，降低了设计成本。本书就是基于CPLD/FPGA，利用EDA技术针对数字通信 系统，对一些相关的功能部分的研究和设计方法进行了 介绍，以供读者借鉴和参考。1.2.2 关于专用集成电路（ASIC）与VHDL 在单片芯片上可集成某个系统的全部功能，称之 为系统级芯片（System On Chip），简称SOC。 ASIC(专用集成电路)是相对于通用集成电路而言 的，可分为数字ASIC、模拟ASIC和数模混合ASIC三 类。 ASIC芯片设计一方面基于“裸片”FPGA（现场可 编程逻辑器件）和CPLD（复杂可编程逻辑器件）的 可用门的集成度，另一方面基于高层次VHDL（甚高 速集成电路硬件描述语言）等自动设计技术。 甚高速集成电路硬件描述语言（Very-High-