基于VHDL的2FSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

相關(guān)專題: 無線 芯片

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語言實現(xiàn)了2FSK調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計,整個系統(tǒng)設(shè)計在MAX+plusII開發(fā)平臺上進行編譯仿真,最后在EPM7032LC44-15目標(biāo)芯片上實現(xiàn)。仿真結(jié)果表明此設(shè)計方案是可行的,系統(tǒng)具有較高的實用性和可靠性。

0 引言

在通信系統(tǒng)中,基帶數(shù)字信號在遠(yuǎn)距離傳輸,特別是在有限帶寬的高頻信道如無線或光纖信道上傳輸時,必須對數(shù)字信號進行載波調(diào)制,這在日常生活和工業(yè)控制中被廣泛采用。數(shù)字信號對載波頻率調(diào)制稱為頻移鍵控即FSK。FSK是用不同頻率的載波來傳送數(shù)字信號,用數(shù)字基帶信號控制載波信號的頻率,是信息傳輸中使用較早的一種調(diào)制方式。它的主要特點是:抗干擾能力較強,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,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”的硬件實現(xiàn)方式進行設(shè)計,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)備相對比較復(fù)雜,成本高。本文基于FPGA芯片,采用VHDL語言,利用層次化、模塊化設(shè)計方法,提出了一種2FSK調(diào)制解調(diào)器的實現(xiàn)方法。

調(diào)制信號是二進制數(shù)字基帶信號時,這種調(diào)制稱為二進制數(shù)字調(diào)制。在二進制數(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)制方式有二進制振幅鍵控(2ASK),二進制頻移鍵控(2FSK)和二進制相移鍵控(2PSK)。2FSK就是用兩種不同頻率的載波來傳送數(shù)字信號。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,實現(xiàn)起來較容易,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就是利用載波信號的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在2FSK中,載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點之間變化。故其表達(dá)式為:

基于VHDL的2FSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

也就是說,一個2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加。因此,2FSK信號的時域表達(dá)式又可以寫成:

基于VHDL的2FSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

2FSK信號的產(chǎn)生方法主要有兩種。一種可以采用模擬調(diào)頻電路來實現(xiàn),另一種可以采用鍵控法來實現(xiàn),即在二進制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關(guān)電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通,使其在每個碼元Ts期間輸出f1或f2兩個載波之一。這種方法產(chǎn)生2FSK信號的差異在于:由調(diào)頻法產(chǎn)生的2FSK信號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,是由電子開關(guān)在兩個獨立的頻率源之間轉(zhuǎn)換形成,故相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。

針對FSK信號的特點,我們可以提出基于FPGA的FSK調(diào)制器的一種實現(xiàn)方法-分頻法,這種方法是利用數(shù)字信號去控制可變分頻器的分頻比來改變輸出載波頻率,產(chǎn)生一種相位連續(xù)的FSK信號,而且電路結(jié)構(gòu)簡單,容易實現(xiàn)。在2FSK信號中,載波頻率隨著二元數(shù)字基帶信號(調(diào)制信號)的“1”或“O”而變化,“1”對應(yīng)于頻率為f1的載波,“O”對應(yīng)于頻率為f2的載波。2FSK的已調(diào)信號的時域表達(dá)式為:

基于VHDL的2FSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

2FSK信號的常用解調(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信號分解為上下兩路2ASK信號分別進行解調(diào),然后進行判決。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小,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)制時若規(guī)定“1”符號對應(yīng)載波頻率f1,則接收時上支路的樣值較大,應(yīng)判為“1”,反之則判為“0”。

2 2FSK調(diào)制器設(shè)計

2.1 分頻法實現(xiàn)2FSK調(diào)制器

鍵控法也常常利用數(shù)字基帶信號去控制可變分頻器的分頻比來改變輸出載波頻率,從而實現(xiàn)FSK的調(diào)制。實現(xiàn)2FSK調(diào)制的原理方框圖如圖1所示。

基于VHDL的2FSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

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,圖中的兩個分頻器分別產(chǎn)生兩路數(shù)字載波信號;二選一選通開關(guān)的作用是以基帶信號作為控制信號,當(dāng)基帶信號為“0”時,選通載波f1;當(dāng)基帶信號為“1”時,選通載波f2。從選通開關(guān)輸出的信號就是數(shù)字FSK信號。這里的調(diào)制信號為數(shù)字信號。

2.2 仿真結(jié)果

整個設(shè)計使用VHDL語言編寫,以EPM7032LC44-15為下載的目標(biāo)芯片,在MAX+PLUSⅡ軟件平臺上進行布局布線后進行波形仿真,其中clk為輸入主時鐘信號;start為起始信號,當(dāng)start為“1”的時候,開始解調(diào);q1為載波信號f1的分頻計數(shù)器,q2為載波信號 f2的分頻計數(shù)器:f1、f2為載波信號;x為基帶信號:y為經(jīng)過FSK調(diào)制器后的調(diào)制信號;當(dāng)輸入的基帶信號x='O'時,輸出的調(diào)制信號y為f1,當(dāng)輸入的基帶信號x='1'時,輸出的調(diào)制信號y為f2。

作者:連云港市無線電監(jiān)測站 劉家慶   來源:電子科技
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