VHDL设计和实现2ASK/2FSK调制器

孟丽妍

摘要：此设计是在MAX+plusⅡ开发软件环境下，使用硬件描述语言VHDL来设计2ASK和2FSK调制器。本文给出了在MAX+plusⅡ开发软件环境下，利用VHDL硬件描述语言设计2ASK和2FSK的具体方法和仿真并分析结果。

关键词：VHDL；2FSK/2ASK；调制编译

中图分类号：TN761 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）33-0196-02

一、2FSK/2ASK的VHDL设计

由于2FSK/2ASK为模拟信号，而FPGA只能产生数字信号，因此需对正弦信号采样并经模数变换来得到所需的2FSK/2ASK信号。本例由FPGA产生正弦信号的采样值。

2FSK的设计：2FSK的设计是由分频器、m序列产生器、跳变检测、2∶1数据选择器、正弦波信号产生器和DAC数模变换器等六部分共同组成，其中的前五部分由FPGA器件来完成。

2ASK的设计：在2FSK的基础上，设计2ASK信号发生器。当检测到基带码元的上升沿时，2ASK与2FSK是一致的，在检测到基带码元的下降沿时，2ASK使输出波形为“零”值即可。可以通过一个按键控制信号发生器输出2FSK或是2ASK信号。

二、功能仿真波形

（一）分频

本例中数据传送速率为300kHz，要求产生两个不同的正弦信号，分别是12MHz的正弦信号和6MHz和正弦信号。由于正弦信号每周期取20个采样点，所以要求能够产生下面3个时钟信號，分别是300kHz的数据速率、12MHz的正弦信号和6MHz的正弦信号。其中的基准时钟由一个12MHz的晶振提供。设计中要求一个2分频（产生6MHz信号），然后载20分频（产生300kHz信号）共有两个分频值。

（二）m序列

m序列作为一种常用的伪随机码，显著特点是可预见性、随机特性和循环特性，最重要的是它具有良好的自相关特性，非常适于通信领域中的信号流的模拟与分析。本设计利用一种带有两个反馈抽头的三级反馈移位寄存器得到一串“1110010”循环序列，同时采取措施防止进入全“0”状态。

（三）跳变检测

在正弦波的产生中引入跳变检测，可以使每次基带码元上升沿或下降沿到来时，对应输出波形位于正弦波形的sin0处。

基带信号的跳变检测有很多方法，下图1所示为一种便于在可编程逻辑器件中实现的方法。

（四）频率选择

选择正弦波产生器的两个输入时钟是由2：1数据选择器来实现的。一个时钟的频率为12MHz，正弦波产生器产生一个12MHz的正弦波，代表数字信号“0”；另一个时钟的频率为6MHz，产生一个6MHz的正弦波信号，代表数字信号“1”。本程序中用到3个频率：CLOCK、CLOCK1和CLOCK2。

其中，MODE表示调制方式：MODE=0表示2FSK调制，MODE=1表示2ASK调制。M_CODE为m序列的数字信息。

在2FSK中，用与CLOCK相对应的正弦波表示‘0，CLOCK1表示‘1；在2ASK中的正弦波频率则都用CLOCK1。在设计中，数字基带信号与2FSK调制信号的对应关系为：“1”对应6MHz，“0”对应12MHz。

（五）正弦信号的产生

整个系统设计的一个关键是正弦波发生器。D/A变换即模拟信号要经过采样，量化过程后才能变成数字信号的过程。根据采样定理，当采样频率大于2倍的被采样的最高频率才可以无失真地恢复被采样信号。本设计中每个采样点采用8位量化编码。

（六）功能仿真波形

1.2FSK仿真波形。如下面两个图中所示：MODE=0，工作在2FSK模式下，可以看到图2中m序列由“1”变为“0”，图3中m序列由“0”变为“1”输出波形对应的VALUE值的变化，同时也看出传递信号“0”的波形密度明显比传递信号“1”的波形密度高。实现了2FSK的频率变化传递数字信息，即12MHz表示信号“0”，6MHz表示信号“1”。

2.2ASK仿真波形。如下面两个图中所示：MODE=1，工作在2ASK模式下，可以看到图4中m序列由“0”变为“1”，图5中m序列由“1”变为“0”，输出波形对应的VALUE值的变化，可以看出，m序列值为“0”时，输出为0，成功地实现了2ASK调制，波形有一些延时。

3.2ASK和2FSK的功能转换。2ASK和2FSK功能上的转换是根据MODE的值来控制的，如下图6所示：MODE由0变成1，工作模式由2FSK转变成2ASK。m序列的值没有跳变，一直是“1”，对应的正弦波形也没有变化，相对应的数值也没有变化。而图7中：MODE由1变成0，工作模式由2ASK变成了2FSK，m序列的值没有跳变，一直是“0”，对应的正弦波相应的有正确的变化。

三、总结

本设计通过自动调用MAX7000S家族的EPM7032LC44-7型FPGA器件实现。在设计前分好功能模块，分别进行编写而最后进行综合分析调试，达到我们要求的效果。

在这个设计中，需要输入一个整周期内20个采样点的值，利用的是直接在程序中输入20个采样点的值。2FSK信号发生器主要由分频器、m序列产生器、跳变检测、正弦信号发生器和DAC几个部分组成。2FSK的关键是通过判断信号跳变是来改变频率的变化，2ASK的关键是通过信号的跳变来改变幅度值的变化。

在编程的过程中，曾遇到了许多的问题。

第一，在处理分频时，习惯的是2的倍数的分频，在这个程序中需要一个20分频，和一个二分频，二分频好实现，而20分频经过反复编程、仿真、再编程才最终实现。

第二，在处理m序列的时候，一开始，没有输出，单独把那个模块拿出来编译仿真都没有问题，后来发现问题并不是出现在没有时钟的输入，而是一开始分频的数字太大，仿真出来的波形只有一个多周期，不够实现M序列的变换就完了，然后又重新改的合适的分频数，让仿真出来的波形可以观察到多个M序列周期的波形。

第三，在处理2ASK和2FSK的功能转换的时候，虽然编程语言上没有问题，逻辑上出现了问题，但是当仿真波形时，总是和预期的结果不一样，经过反复的修改调试，终于达到了预期的结果。

VHDL Design and Implementation of 2ASK/2FSK Modulator

MENG Li-yan

（Shijiazhuang Railway Transport School，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

Abstract：This article is the use of MAX + plus Ⅱ software development environment，VHDL hardware description language used to design 2ASK and 2FSK modulators.In the MAX + plus Ⅱ software development environment，the use of VHDL hardware description language design 2ASK and 2FSK specific methods and results of simulation and analysis.

Key words：VHDL；2FSK/2ASK；modulation circuit compiler