基于FPGA的2FSK數(shù)字信號(hào)調(diào)制解調(diào)

摘要 基于FPGA的調(diào)制和解調(diào)的數(shù)字信號(hào)有多種，包括2ASK、2FSK、2PSK等，文中介紹了2FSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，以及該信號(hào)的功率譜。最后提供驗(yàn)證結(jié)果，證明仿真結(jié)果符合要求。
關(guān)鍵詞 2FSK；調(diào)制；解調(diào)

    隨著通信理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代通信系統(tǒng)中常用的是數(shù)字調(diào)制技術(shù)，數(shù)字信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)和識(shí)別是高科技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。調(diào)制解調(diào)技術(shù)是現(xiàn)代通信中一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，解調(diào)效果的好壞更是直接關(guān)系著通信系統(tǒng)的性能。而數(shù)字解調(diào)技術(shù)的關(guān)鍵在于瞬時(shí)幅度，瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位參數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì)。
    調(diào)制的目的是使信號(hào)波形適合于在信道中傳輸，調(diào)制可以分為基帶調(diào)制和載波調(diào)制兩類。基帶調(diào)制直接采用低通信號(hào)傳遞信息，這種技術(shù)通常用于銅線、光纖等一些無(wú)載波的傳輸方式。載波調(diào)制也稱為頻帶調(diào)制，是將要發(fā)送的信息加載到載波上進(jìn)行傳輸，即采用帶通信號(hào)傳輸信息，通過(guò)調(diào)制實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜的搬移。載波調(diào)制也就是通常所說(shuō)的調(diào)制，在現(xiàn)代通信中也主要涉及載波調(diào)制技術(shù)。
    通信信號(hào)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，各項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，文中主要研究了數(shù)字通信信號(hào)2FSK的調(diào)制解調(diào)技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)。

1 2FSK信號(hào)的調(diào)制及產(chǎn)生
1．1 2FSK信號(hào)的調(diào)制及產(chǎn)生
    設(shè)信息源發(fā)出的是由二進(jìn)制符號(hào)0，1組成的序列，且假定1符號(hào)出現(xiàn)的概率為P，0符號(hào)出現(xiàn)概率為1-P，它們彼此獨(dú)立。那么，一個(gè)二進(jìn)制的頻移鍵控信號(hào)可以表示成載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻點(diǎn)間變化。故其表達(dá)式為
   
    由于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

    在頻移鍵控中，初始相位φn和θn不攜帶信息，通?？梢粤钇錇榱恪Ｒ虼?FSK信號(hào)的表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為

    通常二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種。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)。圖1是2FSK信號(hào)的時(shí)間波形及鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)的原理圖。

1．2 2FSK信號(hào)的調(diào)制
    一般2FSK信號(hào)的調(diào)制方法比較簡(jiǎn)單，通常情況下是用一個(gè)隨機(jī)的1、0脈沖信號(hào)分別與一個(gè)載波相乘即可得到調(diào)制后的2FSK信號(hào)，如圖1(b)所示。

2 2FSK信號(hào)的解調(diào)
    2FSK信號(hào)有兩種解調(diào)方法：非相干解調(diào)及相干解調(diào)。相應(yīng)的接收系統(tǒng)方框圖如圖2所示。本次設(shè)計(jì)采用的是非相干解調(diào)方式。

    由于本次實(shí)驗(yàn)接收的是500 kHz和700 kHz的2FSK信號(hào)，所以首先要經(jīng)過(guò)濾波以得到兩路不同載頻的信號(hào)。濾波器系數(shù)由Matlab軟件仿真得出。
    帶通濾波器設(shè)計(jì)成一個(gè)24階的，對(duì)于500 kHz信號(hào)濾波器的過(guò)渡帶頻率分別為250～485 kHz與515～690 kHz，目的是將500 kHz的信號(hào)過(guò)濾出來(lái)，其幅度響應(yīng)如圖3(a)所示，對(duì)于700 kHz信號(hào)，濾波器的過(guò)渡帶頻率分別為520～690 kHz與710～880 kHz，目的是將700 kHz的信號(hào)過(guò)濾出來(lái)，其幅度響應(yīng)如圖3(b)所示。

    通過(guò)SignalTapII在線仿真，經(jīng)過(guò)濾波后的兩路信號(hào)波形如圖4(a)所示，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后，下一步要對(duì)兩路信號(hào)分別取絕對(duì)值，仿真波形如圖4(b)如圖，取絕對(duì)值后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)低通濾波后，進(jìn)行判決，仿真波形如圖4(c)所示。

    整個(gè)解調(diào)過(guò)程分別由各自的模塊組成，具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

3 2FSK信號(hào)的功率譜分析
    對(duì)相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)，可以看成由兩個(gè)不同載頻的2ASK信號(hào)的疊加。下面給出2FSK信號(hào)的功率譜表達(dá)式

    由式(6)畫出的典型的2FSK信號(hào)的功率譜如圖6所示。

    由圖可以看出，2FSK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。其中，連續(xù)譜由兩個(gè)中心位于f1和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個(gè)載頻f1和f2處；連續(xù)譜的形狀隨著兩個(gè)載頻之差的大小而變化，若|f1-f2|<fs，連續(xù)譜在fc處出現(xiàn)單峰；若|f1-f2|>fs，則出現(xiàn)雙峰；若以功率譜第一個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔計(jì)算2FSK信號(hào)的帶寬，則其帶寬近似為
    B2FSK≈|f2-f1|+2fs (7)
    其中，fs=1／Ts為基帶信號(hào)的帶寬。圖中的fc為兩個(gè)載頻的中心頻率。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中詳細(xì)介紹了2FSK數(shù)字通信信號(hào)的調(diào)制解調(diào)原理，并基于FPGA進(jìn)行了調(diào)制與解調(diào)的過(guò)程設(shè)計(jì)，各部分主要用模塊搭建，濾波器用Matlab設(shè)計(jì)系數(shù)并用VHDL語(yǔ)言編寫實(shí)現(xiàn)。經(jīng)在線仿真驗(yàn)證，有不錯(cuò)的解調(diào)效果。