摘要:在數(shù)字通信系統(tǒng)中,數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)占有非常重要的地位。文中介紹了FSK調(diào)制解調(diào)的基本原理,用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了2FSK調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在MAX+plusII開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行編譯仿真,最后在EPM7032LC44-15目標(biāo)芯片上實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明此設(shè)計(jì)方案是可行的,系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性和可靠性。
0 引言
在通信系統(tǒng)中,基帶數(shù)字信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸,特別是在有限帶寬的高頻信道如無(wú)線或光纖信道上傳輸時(shí),必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制,這在日常生活和工業(yè)控制中被廣泛采用。數(shù)字信號(hào)對(duì)載波頻率調(diào)制稱為頻移鍵控即FSK。FSK是用不同頻率的載波來(lái)傳送數(shù)字信號(hào),用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波信號(hào)的頻率,是信息傳輸中使用較早的一種調(diào)制方式。它的主要特點(diǎn)是:抗干擾能力較強(qiáng),不受信道參數(shù)變化的影響,傳輸距離遠(yuǎn),誤碼率低等。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中,特別是在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時(shí),有著廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的FSK調(diào)制解調(diào)器采用“集成電路+連線”的硬件實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行設(shè)計(jì),集成塊多、連線復(fù)雜且體積較大,特別是相干解調(diào)需要提取載波,設(shè)備相對(duì)比較復(fù)雜,成本高。本文基于FPGA芯片,采用VHDL語(yǔ)言,利用層次化、模塊化設(shè)計(jì)方法,提出了一種2FSK調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)方法。
調(diào)制信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)時(shí),這種調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中,載波的幅度、頻率和相位只有兩種變化狀態(tài)。相應(yīng)的調(diào)制方式有二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK),二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)和二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)。2FSK就是用兩種不同頻率的載波來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)。特別適合應(yīng)用于衰落信道,其占用頻帶較寬,頻帶利用率低,實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易,抗噪聲與抗衰減的性能較好,在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。
1 調(diào)制解調(diào)的基本原理
FSK就是利用載波信號(hào)的頻率變化來(lái)傳遞數(shù)字信息。在2FSK中,載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)之間變化。故其表達(dá)式為:
也就是說(shuō),一個(gè)2FSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載頻的2ASK信號(hào)的疊加。因此,2FSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式又可以寫成:
2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法主要有兩種。一種可以采用模擬調(diào)頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn),另一種可以采用鍵控法來(lái)實(shí)現(xiàn),即在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列的控制下通過(guò)開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通,使其在每個(gè)碼元Ts期間輸出f1或f2兩個(gè)載波之一。這種方法產(chǎn)生2FSK信號(hào)的差異在于:由調(diào)頻法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的。而鍵控法產(chǎn)生的2FSK信號(hào),是由電子開關(guān)在兩個(gè)獨(dú)立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成,故相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。
針對(duì)FSK信號(hào)的特點(diǎn),我們可以提出基于FPGA的FSK調(diào)制器的一種實(shí)現(xiàn)方法-分頻法,這種方法是利用數(shù)字信號(hào)去控制可變分頻器的分頻比來(lái)改變輸出載波頻率,產(chǎn)生一種相位連續(xù)的FSK信號(hào),而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)。在2FSK信號(hào)中,載波頻率隨著二元數(shù)字基帶信號(hào)(調(diào)制信號(hào))的“1”或“O”而變化,“1”對(duì)應(yīng)于頻率為f1的載波,“O”對(duì)應(yīng)于頻率為f2的載波。2FSK的已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為:
2FSK信號(hào)的常用解調(diào)方法是采用非相干解調(diào)和相干解調(diào)。其解調(diào)原理是將2FSK信號(hào)分解為上下兩路2ASK信號(hào)分別進(jìn)行解調(diào),然后進(jìn)行判決。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號(hào)抽樣值的大小,可以不專門設(shè)置門限。判決規(guī)則應(yīng)與調(diào)制規(guī)則相呼應(yīng),調(diào)制時(shí)若規(guī)定“1”符號(hào)對(duì)應(yīng)載波頻率f1,則接收時(shí)上支路的樣值較大,應(yīng)判為“1”,反之則判為“0”。
2 2FSK調(diào)制器設(shè)計(jì)
2.1 分頻法實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制器
鍵控法也常常利用數(shù)字基帶信號(hào)去控制可變分頻器的分頻比來(lái)改變輸出載波頻率,從而實(shí)現(xiàn)FSK的調(diào)制。實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制的原理方框圖如圖1所示。
其中FSK調(diào)制的核心部分包括分頻器、二選一選通開關(guān)等,圖中的兩個(gè)分頻器分別產(chǎn)生兩路數(shù)字載波信號(hào);二選一選通開關(guān)的作用是以基帶信號(hào)作為控制信號(hào),當(dāng)基帶信號(hào)為“0”時(shí),選通載波f1;當(dāng)基帶信號(hào)為“1”時(shí),選通載波f2。從選通開關(guān)輸出的信號(hào)就是數(shù)字FSK信號(hào)。這里的調(diào)制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。
2.2 仿真結(jié)果
整個(gè)設(shè)計(jì)使用VHDL語(yǔ)言編寫,以EPM7032LC44-15為下載的目標(biāo)芯片,在MAX+PLUSⅡ軟件平臺(tái)上進(jìn)行布局布線后進(jìn)行波形仿真,其中clk為輸入主時(shí)鐘信號(hào);start為起始信號(hào),當(dāng)start為“1”的時(shí)候,開始解調(diào);q1為載波信號(hào)f1的分頻計(jì)數(shù)器,q2為載波信號(hào) f2的分頻計(jì)數(shù)器:f1、f2為載波信號(hào);x為基帶信號(hào):y為經(jīng)過(guò)FSK調(diào)制器后的調(diào)制信號(hào);當(dāng)輸入的基帶信號(hào)x='O'時(shí),輸出的調(diào)制信號(hào)y為f1,當(dāng)輸入的基帶信號(hào)x='1'時(shí),輸出的調(diào)制信號(hào)y為f2。