基于FPGA的FSK调制解调器设计
2014-06-19孙志雄谢海霞
孙志雄 谢海霞
摘 要： 数字通信系统中的数字调制与解调技术包括幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK），而FSK是应用较广的一种调制与解调方式。利用VHDL语言设计了2FSK调制解调器，并通过Quartus Ⅱ仿真平台进行仿真验证，最后下载到FPGA芯片EP1K30QC208?2实现了2FSK调制解调电路。仿真及实验结果表明采用此设计方案是可行的，并具有速度快、可靠性高及易于大规模集成的优点。
关键词： FSK； 调制； 解调； VHDL； FPGA
中图分类号： TN914?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0080?03
0 引 言
在数字带通通信系统中，调制与解调电路是重要的组成部分，根据基带信号对载波的参数控制不同，分为振幅键控（ASK），频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。FSK在数字通信中应用广泛，它基本上不受信道特性变化的影响，特别适合用于信道特性变化较大的数字通信系统。目前，无线电通信得到了充分的发展，进一步推动了频带通信的进步，它扩展到了通信的各个领域。频移键控仍然是目前使用得最多的一种调制方法，虽然当今很多通信系统使用的是复合调制技术。二进制频移键控作为一种最简单的频移方法，由于它的调制解调原理简单，也很有代表性，因此对其进行研究是很有意义的。
1 FSK调制解调原理
FSK是数字通信不可或缺的一种调制方式，其优点是抗干扰能力较强，不受信道参数变化的影响，因此特别适合应用于衰落信道。FSK是用不同频率的载波来传送数字信号，并用数字基带信号来控制载波信号的频率变化。
二进制频移键控（2FSK）调制是指发送“0”时，发送一频率的正弦波；发送“1”时，发送另一个频率的正弦波，接收端收到不同的载波信号通过逆变换成为数字信号，完成信息传输的过程。由于2FSK传号及空号时采用两种频率的信号，不需要固定的比较电压。因此即使在空号时也有足够的信号幅度，也不至于因噪声产生误码，另外就是其自身是一个调频系统，有较好的抗干扰能力，抗衰落性能强[1]。
2 2FSK调制电路的VHDL设计及仿真
2.1 2FSK调制电路的VHDL设计
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息，在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在[f1]和[f2]两个频率点间变化。2FSK调制的方法有直接调频法和频率键控法。根据频率键控法建模的2FSK调制电路总体方框图如图1所示。根据FSK调制原理，用硬件描述语言VHDL进行设计，生成的FSK调制电路的VHDL元件符号如图2所示[2?4] 。
图1 2FSK调制电路总体方框图
图2 2FSK调制电路的元件符号
2.2 2FSK调制电路的仿真分析
在电子设计自动化（EDA）仿真软件Quartus Ⅱ环境下，对利用VHDL编程的FSK调制电路进行编译和仿真，其仿真波形如图3所示。当start信号为高电平“1”时， FSK调制开始，输入的基带信号为[x，]输出的调制信号为[y。]
图3 2FSK调制电路仿真波形
系统时钟clk周期为10 ns，载波[f1]和载波[f2]的周期分别为60 ns和20 ns，基带码元[x]的码元宽度为12个时钟（clk）周期，即[Ts=]120 ns。
从图3可以看出，当[x]即输入的基带信号为低电平（代表数字信号0）时，输出[y]（即2FSK调制信号的频率）与[f1]的频率相一致；当[x]为高电平（代表数字信号1）时，输出信号[y]的频率与[f2]的频率相同，得到的信号[y]即2FSK调制信号波形。
3 2FSK解调电路的VHDL设计及仿真
3.1 2FSK解调电路的VHDL设计
2FSK常用的解调方法包括非相干解调和相干解调。其解调原理是将2FSK信号信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。
2FSK解调电路的总体方框图如图4所示，其中分频器对时钟信号进行分频，得到与发送端相同的数字载波信号。调制信号由[f1]和[f2]的组成，其中基带信号电平“1”对应[f1，]基带信号电平“0”对应载波f2。计数器根据两种不同的计数情况，对应输出“1”和“0”。判决器对计数器输出信号进行抽样判决，并输出基带信号。
FSK解调电路的VHDL元件符号如图5所示[5?7]。
图4 2FSK解调电路的总体方框图
图5 2FSK解调电路的VHDL元件符号
3.2 2FSK解调电路的仿真分析
2FSK解调电路仿真波形如图6所示。其中clk为输入时钟信号，start为高电平有效的使能信号，[x]是基带调制信号，经FSK解调后得到解调后的波形[y。]
在解调电路中，分频器计数时钟信号clk的上升沿，当时钟的上升沿到来时，FSK信号存入寄存器。计数器对寄存器中调制信号的脉冲个数进行计数，当分频器计数到11时清零，若分频器的计数等于10时，通过对计数器计数的大小，来判决输出基带信号[y]的电平。若计数小于等于3则判为“0”，否则判为“1”。
从图6中还可以看出输出基带信号[y]有延迟，即当start高电平有效时，基带信号并没有随着调制信号的解调立即输出，而是滞后调制信号大约10个时钟信号clk。
图6 2FSK解调电路仿真波形
4 2FSK调制解调电路整体设计与仿真
2FSK调制解调电路的整体设计电路如图7所示，其实现将输入基带信号[x]进行调制，再将调制信号进行解调输出[y]的完整的调制解调过程。调制解调电路的仿真结果如图8所示。其输出信号[y]与输入信号[x]波形相互对应，从仿真结果说明电路设计是正确的，最后将设计配置文件下载到可编程器件FPGA芯片EP1K30QC208?2，实现了2FSK调制解调电路[8]。
图7 2FSK调制解调器整体电路
图8 2FSK调制解调器整体仿真波形
5 结 语
在通信系统的设计中，传统的方法是采用纯硬件电路进行实现的，其设计周期长、不容易进行设计修改等。而采用硬件描述语言VHDL进行设计，并最终通过下载到可编程逻辑器件FPGA进行实现的方法，是一种利用软件编程设计硬件实现的新的理念和方法，其设计周期短，方便设计电路的移植，为通信系统的设计提供了新的技术方向。
参考文献
[1] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社，2006.
[2] 吴海涛，梁迎春，陈英俊.基于FPGA的全数字FSK调制解调器设计[J].现代电子技术，2007，30（23）：72?76.
[3] 李艳丽，董丽凤.基于FPGA的FSK调制与解调器设计[J].中国新通信，2008（17）：79?82.
[4] 孙玉梅.基于FPGA的FSK调制解调器的设计及实现[J].电子科技，2009（5）：38?39.
[5] 应亚萍，许建凤，陈婉君.2FSK调制解调系统的FPGA设计与实现[J].浙江工业大学学报，2010（3）：282?285.
[6] 刘家庆.基于VHDL的2FSK调制解调器设计[J].电子技术， 2010（11）：73?75.
[7] 郑争兵.基于FPGA的FSK调制解调系统设计[J].陕西理工学院学报：自然科学版，2012（5）：20?24.
[8] 江国强.EDA技术与应用[M].3版.北京：电子工业出版社，2010.
[9] 关进辉，姜恒，刘全海，等.基于FPGA的相位连续的2FSK信号的设计与实现[J].现代电子技术，2013，36（9）：79?81.
[10] 雷能芳.基于CORDIC算法2FSK调制器的FPGA设计[J].现代电子技术，2011，34（9）：77?79.
从图6中还可以看出输出基带信号[y]有延迟，即当start高电平有效时，基带信号并没有随着调制信号的解调立即输出，而是滞后调制信号大约10个时钟信号clk。
图6 2FSK解调电路仿真波形
4 2FSK调制解调电路整体设计与仿真
2FSK调制解调电路的整体设计电路如图7所示，其实现将输入基带信号[x]进行调制，再将调制信号进行解调输出[y]的完整的调制解调过程。调制解调电路的仿真结果如图8所示。其输出信号[y]与输入信号[x]波形相互对应，从仿真结果说明电路设计是正确的，最后将设计配置文件下载到可编程器件FPGA芯片EP1K30QC208?2，实现了2FSK调制解调电路[8]。
图7 2FSK调制解调器整体电路
图8 2FSK调制解调器整体仿真波形
5 结 语
在通信系统的设计中，传统的方法是采用纯硬件电路进行实现的，其设计周期长、不容易进行设计修改等。而采用硬件描述语言VHDL进行设计，并最终通过下载到可编程逻辑器件FPGA进行实现的方法，是一种利用软件编程设计硬件实现的新的理念和方法，其设计周期短，方便设计电路的移植，为通信系统的设计提供了新的技术方向。
参考文献
[1] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社，2006.
[2] 吴海涛，梁迎春，陈英俊.基于FPGA的全数字FSK调制解调器设计[J].现代电子技术，2007，30（23）：72?76.
[3] 李艳丽，董丽凤.基于FPGA的FSK调制与解调器设计[J].中国新通信，2008（17）：79?82.
[4] 孙玉梅.基于FPGA的FSK调制解调器的设计及实现[J].电子科技，2009（5）：38?39.
[5] 应亚萍，许建凤，陈婉君.2FSK调制解调系统的FPGA设计与实现[J].浙江工业大学学报，2010（3）：282?285.
[6] 刘家庆.基于VHDL的2FSK调制解调器设计[J].电子技术， 2010（11）：73?75.
[7] 郑争兵.基于FPGA的FSK调制解调系统设计[J].陕西理工学院学报：自然科学版，2012（5）：20?24.
[8] 江国强.EDA技术与应用[M].3版.北京：电子工业出版社，2010.
[9] 关进辉，姜恒，刘全海，等.基于FPGA的相位连续的2FSK信号的设计与实现[J].现代电子技术，2013，36（9）：79?81.
[10] 雷能芳.基于CORDIC算法2FSK调制器的FPGA设计[J].现代电子技术，2011，34（9）：77?79.
从图6中还可以看出输出基带信号[y]有延迟，即当start高电平有效时，基带信号并没有随着调制信号的解调立即输出，而是滞后调制信号大约10个时钟信号clk。
图6 2FSK解调电路仿真波形
4 2FSK调制解调电路整体设计与仿真
2FSK调制解调电路的整体设计电路如图7所示，其实现将输入基带信号[x]进行调制，再将调制信号进行解调输出[y]的完整的调制解调过程。调制解调电路的仿真结果如图8所示。其输出信号[y]与输入信号[x]波形相互对应，从仿真结果说明电路设计是正确的，最后将设计配置文件下载到可编程器件FPGA芯片EP1K30QC208?2，实现了2FSK调制解调电路[8]。
图7 2FSK调制解调器整体电路
图8 2FSK调制解调器整体仿真波形
5 结 语
在通信系统的设计中，传统的方法是采用纯硬件电路进行实现的，其设计周期长、不容易进行设计修改等。而采用硬件描述语言VHDL进行设计，并最终通过下载到可编程逻辑器件FPGA进行实现的方法，是一种利用软件编程设计硬件实现的新的理念和方法，其设计周期短，方便设计电路的移植，为通信系统的设计提供了新的技术方向。
参考文献
[1] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社，2006.
[2] 吴海涛，梁迎春，陈英俊.基于FPGA的全数字FSK调制解调器设计[J].现代电子技术，2007，30（23）：72?76.
[3] 李艳丽，董丽凤.基于FPGA的FSK调制与解调器设计[J].中国新通信，2008（17）：79?82.
[4] 孙玉梅.基于FPGA的FSK调制解调器的设计及实现[J].电子科技，2009（5）：38?39.
[5] 应亚萍，许建凤，陈婉君.2FSK调制解调系统的FPGA设计与实现[J].浙江工业大学学报，2010（3）：282?285.
[6] 刘家庆.基于VHDL的2FSK调制解调器设计[J].电子技术， 2010（11）：73?75.
[7] 郑争兵.基于FPGA的FSK调制解调系统设计[J].陕西理工学院学报：自然科学版，2012（5）：20?24.
[8] 江国强.EDA技术与应用[M].3版.北京：电子工业出版社，2010.
[9] 关进辉，姜恒，刘全海，等.基于FPGA的相位连续的2FSK信号的设计与实现[J].现代电子技术，2013，36（9）：79?81.
[10] 雷能芳.基于CORDIC算法2FSK调制器的FPGA设计[J].现代电子技术，2011，34（9）：77?79.
