FSK／PSK調(diào)制的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：基于DDS和VHDL硬件描述技術(shù)，采用大規(guī)?？删幊涕T陣列FPGA，實(shí)現(xiàn)了FSK和PSK數(shù)字調(diào)制。介紹了m偽隨機(jī)基帶碼元發(fā)生器、跳變檢測(cè)器和DDS信號(hào)發(fā)生等模塊。系統(tǒng)參數(shù)易修改、可移植性強(qiáng)、性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：FSK／PSK；DDS；m偽隨機(jī)序列；FPGA

    在通信領(lǐng)域，經(jīng)常需要將基帶信號(hào)進(jìn)行某種調(diào)制，使其適合于信道傳輸。FSK、PSK即為常用的兩種數(shù)字調(diào)制方式。傳統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)中大量采用分立元件，體積較大，電路復(fù)雜。由于模擬元件自身參數(shù)的離散性和受環(huán)境溫度、濕度等因素影響，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。本文提出了一種基于DDS技術(shù)的FSK／PSK調(diào)制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，克服了模擬調(diào)制的弊端。

1 FSK／PSK調(diào)制原理
    頻移鍵控(Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK)，是利用載波的頻率參量來(lái)攜帶數(shù)字信息的調(diào)制方式。常用的是二進(jìn)制頻率鍵控信號(hào)，即2FSK，用載頻w1表示數(shù)字信息“1”，用載頻w2表示數(shù)字信息“0”，而w1和w2之間的變化是瞬間完成的。
   
    相移鍵控(Phase Shift Keying，PSK)，它是受鍵控的載波相位按數(shù)字基帶脈沖的規(guī)律而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式。這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)數(shù)字信息的相位鍵控，通常被稱為絕對(duì)移相方式。當(dāng)基帶信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)字脈沖序列時(shí)，所得到的相位鍵控信號(hào)為二進(jìn)制相位鍵控，即2PSK，它的表達(dá)式為
   
    式中，φ(t)由數(shù)字信息“0”“1”控制。在絕對(duì)移相中，因?yàn)?phi;(t)選用的參考相位基準(zhǔn)就是未調(diào)制的載波，所以φ(t)就是載波的絕對(duì)值。一般說(shuō)來(lái)，數(shù)字信息為“1”時(shí)，φ(t)=0，數(shù)字信息為“0”時(shí)，φ(t)=π。即
   
    FSK、PSK的調(diào)制示意圖如圖1所示。

2 FSK／PSK調(diào)制邏輯設(shè)計(jì)與仿真
    FSK／PSK調(diào)制邏輯共分為3個(gè)部分：分頻器、m序列產(chǎn)生器和FSK／PSK調(diào)制器。分頻器用于產(chǎn)生FSK／PSK調(diào)制器和m序列的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)f1，f2和f3，m偽隨機(jī)序列器產(chǎn)生基帶碼元。FSK／PSK調(diào)制器根據(jù)輸入的基帶碼元和基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生相應(yīng)的FSK或PSK信號(hào)，調(diào)制模式由mode模式選擇。當(dāng)mode為低電平時(shí)，表示選擇FSK調(diào)制，當(dāng)mode為高電平時(shí)，表示選擇PSK調(diào)制。FSK／PSK調(diào)制器輸出的數(shù)字調(diào)制信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。邏輯模塊框圖，如圖2所示。

2．1 分頻器
    分頻器對(duì)頻率為f0的時(shí)鐘輸入信號(hào)clk分別以分頻系數(shù)D1，D2和D3產(chǎn)生FSK／PSK調(diào)制器和m序列的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)f1，f2和f3。其關(guān)系如式(1)所示。
   
    f1和f2決定了FSK調(diào)制信號(hào)的兩個(gè)載波頻率，f2決定了PSK調(diào)制信號(hào)的載波頻率，f3決定了基帶碼元速率。為了保證每個(gè)基帶碼元的寬度T是載波周期的整數(shù)倍，在選擇分頻系數(shù)時(shí)應(yīng)滿足式(2)。
   
    式中，M為D1和D2的最小公倍數(shù)。
2．2 m序列產(chǎn)生器
    m序列是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過(guò)線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列。m序列的最大長(zhǎng)度取決于移位寄存器的級(jí)數(shù)，而碼的結(jié)構(gòu)取決于反饋抽頭的位置和數(shù)量。其特點(diǎn)是：隨機(jī)特性、預(yù)先可確定性、循環(huán)特性。
    本設(shè)計(jì)利用帶有兩個(gè)反饋抽頭的3級(jí)反饋移位寄存器得到一串7位循環(huán)序列“1110010”，并采取措施防止進(jìn)入全“0”狀態(tài)。通過(guò)更換時(shí)鐘頻率，可以方便地改變輸入碼元的速率。這一系列的循環(huán)序列碼作為基帶信號(hào)碼元。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2．3 FSK／PSK調(diào)制器
    FSK／PSK調(diào)制器由時(shí)鐘選擇模塊、跳變檢測(cè)模塊和DDS信號(hào)發(fā)生模塊3部分組成。原理如圖4所示。

2．3．1 時(shí)鐘選擇模塊
    載波頻率選擇模塊的兩個(gè)輸入端分別接時(shí)鐘信號(hào)f1和f2，其輸出信號(hào)fDDS作為DDS信號(hào)發(fā)生模塊基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。該模塊的輸出真值表，如表1所示。

2．3．2 跳變檢測(cè)模塊
    跳變檢測(cè)模塊用于檢測(cè)基帶碼元的變化情況。當(dāng)基帶碼元上升或下降沿到來(lái)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端產(chǎn)生與時(shí)鐘周期等寬的高脈沖信號(hào)jump_high或jump_low。該信號(hào)提供給下一級(jí)DDS的相位累加器，來(lái)控制累加器的相位偏移。跳變檢測(cè)原理圖如圖5所示。

2．3．3 DDS信號(hào)發(fā)生模塊
    DDS是一種應(yīng)用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生信號(hào)波形的方法。由于模塊中只需產(chǎn)生兩種頻率和相位的波形，因此對(duì)DDS的設(shè)計(jì)中省略了頻率控制字和相位控制字等部分。頻率改變通過(guò)時(shí)鐘選擇模塊選擇不同的基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)化后的DDS主要由相位累加器和波形ROM組成，如圖6所示。

    相位累加器在頻率為fc的時(shí)鐘信號(hào)clk控制下，以步長(zhǎng)K作累加，輸出的N位二進(jìn)制作為波形存儲(chǔ)器ROM的地址，以該地址對(duì)ROM進(jìn)行尋址。則DDS輸出波形的頻率f0的表達(dá)式，如式(3)所示
   
    本設(shè)計(jì)中，取K=1，N=8，波形存儲(chǔ)深度為100個(gè)采樣點(diǎn)，則可得f0=fc／100。jump_high、jump_low、mode和clk通過(guò)控制相位累加器的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)：FSK／PSK波形合成輸出。當(dāng)mode為低電平時(shí)，即FSK調(diào)制模式時(shí)，jump_high和jump_low中任一信號(hào)出現(xiàn)高脈沖時(shí)，累加器清零，然后根據(jù)clk進(jìn)行循環(huán)累加。當(dāng)mode為高電平時(shí)，即PSK調(diào)制模式時(shí)，累加器的工作方式如表2所示。

    ROM表是對(duì)選取的采樣點(diǎn)進(jìn)行量化、編碼，通過(guò)相位累加器的地址值查找ROM表中的內(nèi)容，以得到可合成正弦波的正弦點(diǎn)的值。其原理是：在橫軸上取100個(gè)采樣點(diǎn)，將縱軸的正弦值[-1，+1]總體提升一個(gè)單位，即將正弦值的取值區(qū)間變?yōu)閇0，2]，并將其均勻地分成255個(gè)量化區(qū)間，再對(duì)這255個(gè)量化間隔在00000000～11111111進(jìn)行編碼，即將所取的采樣點(diǎn)的幅度值對(duì)應(yīng)到各個(gè)量化間隔。
    具體實(shí)現(xiàn)方法，可通過(guò)用Matlab產(chǎn)生一個(gè)mif文件。Matlab源程序如下：
   

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果
    Altera公司的QuanusⅡ集合了綜合和仿真的功能。本設(shè)計(jì)在Quartus II中完成了VHDL的代碼編寫(xiě)和綜合布線，并對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)序仿真，仿真結(jié)果如圖7～圖8所示。其中，clk為外接輸入100 MHz時(shí)鐘；mode為模式控制鍵；code為由m序列產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼，用做基帶碼元；dout為輸出的調(diào)制結(jié)果。

    圖7中，mode的值為“0”，說(shuō)明是FSK調(diào)制方式。從圖中可以看出，當(dāng)基帶碼元code為“0”時(shí)，dout輸出低頻調(diào)制波。當(dāng)基帶碼元code為“1”時(shí)，dout輸出高頻調(diào)制波。實(shí)現(xiàn)了用不同的頻率變化傳遞數(shù)字信息，完成了FSK調(diào)制。
    圖8中，mode的值為“1”，說(shuō)明是PSK調(diào)制方式。從圖中可以看出，dout的輸出波形頻率是單一的，當(dāng)基帶碼元由“1”向“0”跳變時(shí)，波形出現(xiàn)倒π現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)相位變化傳遞信息，完成了PSK調(diào)制。

4 結(jié)束語(yǔ)
    介紹了一種基于DDS技術(shù)的FSK／PSK調(diào)制方式的FPGA實(shí)現(xiàn)方法。整個(gè)系統(tǒng)采用VHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行軟件編寫(xiě)，參數(shù)修改方便，并具有較強(qiáng)的可移植性。其原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。相比傳統(tǒng)模擬調(diào)制方式，這種數(shù)字調(diào)制方式具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，在通信領(lǐng)域中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。