2FSK调制解调系统设计

成都理工大学工程技术学院课程论文 2FSK2FSK 调制解调系统设计调制解调系统设计 作者姓名 舒珑塔 0 晋良斌 9 专业名称 2013 级信息工程 指导教师 刘晓丽 讲师 2FSK 调制解调系统设计 I 摘要摘要 2FSK 是一种在无线通信中很有吸引力的数字调制方式 目前在 短波 微波和卫星通信中均被采用 随着超大规模集成电路技术和计 算机技术的飞速发展 数字信号处理 DSP 技术在通信领域中已有 了广泛的应用 本论文研究并实现了基于 DSP 的全数字 2FSK 发送与 接收系统 本文分析并防真了基于直接数字频率合成原理的 2FSK 全 数字调制的方法 分析并防真了基于差分基带相位傅立叶变换的载波 频偏和位定时算法 最终得到结果如下 1 实现了数字的 2FSK 数字化调制 本文在独立设计的 DSP 系统 上进行了调制实验 通过改变程序中的参数 成功实现了多种速率的 数据发送 2 实现了 2FSK 信号的数字化接收 接收工作包括数据的读入 载波频偏估计 位同步 解调 关键词关键词 2FSK 调制 同步 解调 2FSK 调制解调系统设计 II AbstractAbstract 2fsk is a very attractive digital modulation in a wireless communication method currently in HF are used in microwave and satellite communications As VLSI Technology and the rapid development of computer technology digital signal processing DSP technology in a wide range of applications in the field of communication This thesis research and realization of DSP Based digital 2fsk sending and receiving systems Analysis and prevention of this article is based on the principle of direct digital frequency synthesis 2fsk digital modulation method analysis and prevention is based on the difference of base band phase of the Fourier transform algorithm of bit timing and carrier frequency offset Final results are as follows 1 Enabling digital 2fsk digital modulation This article about independent Design of DSP system modulation experiment By changing the parameters in the program the successful implementation of a variety of data sending rate 2 Implements 2fsk digital signals received Receiving the data is read into the carrier frequency offset estimation bit synchronization and demodulation Keywords 2fsk modulation Synchronized demodulation 2FSK 调制解调系统设计 III 目录目录 摘要 I Abstract II 目录 III 前言 1 1 二进制频移键控 2FSK 2 1 1 FSK 的基本原理 2 1 2 2FSK 基本原理 2 1 2 1 2FSK 信号的产生方法 3 2 调制原理 5 2 1 2FSK 调制原理 5 2 2 2FSK 调制算法 5 2 3 调制主程序流程图 6 3 解调原理 7 3 1 常见解调方法 7 3 2 实验解调算法 9 4 实验流程 10 4 1 调制实验 10 4 1 1 调制主程序 10 4 1 2 调制过程 10 4 2 解调实验 11 4 2 1 解调主程序 11 4 2 2 解调过程 11 总结 13 2FSK 调制解调系统设计 IV 参考文献 14 附件 1 实验程序 15 A1 1 调制主程序 15 A1 2 解调主程序 18 2FSK 调制解调系统设计 1 前言前言 课题主要研究 2FSK 信号的调制解调系统的实现 完成对数字信号 的调制及解调 使系统简单 并要调制解调过程容易实现 能正确的 完成调制解调任务 在现代数字通信系统中 频带传输系统的应用最为突出 用基带 数字信号控制高频载波 把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称 为数字调制 已调信号通过信道传输到接收端 在接收端通过解调器 把频带数字信号还原成基带数字信号 这种数字信号的反变换称为数 字解调 把包含调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输 系统 数字调制解调技术是现代通信的一个重要的内容 在数字通信系统 中 由于基带数字信号包含了丰富的低频部分 如果要远距离传输 特别 是在有限带宽的高频信道无线或光纤信道传输时 必须对数字信号进行 载波调制 使基带信号的功率谱搬移到较高的载波频率上 这就称为数 字调制 Digital Modulation 它可以分别对载波的幅度 频率 相 位进行调制 于是有 ASK 移幅键控 FSK 移频键控 PSK 移相键 控 等调制方式 数字调制同时也是时分复用的基本技术 其中 FSK 是利用数字信号去调制载波的频率 是信息传输较早的一种传输方式 2FSK 在通信系统中应用广泛 以数字信号作为调制信号的调制技术 一般采用正弦波作为载波 这种数字调制又称为载波键控 用电键进行控制 这是借用了电报传 输中的术语 载波键控是以数字信号作为电码 用它对正弦载波进行 控制 使载波的某个参数随电码变化 FSK Frequency shift keying 频移键控是利用载波的频率变 化来传递数字信息 它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波 频率以传递信息的一种数字调制技术 是信息传输中使用得较早的一 种调制方式 它的主要优点是 实现起来较容易 抗噪声与抗衰减的性 能较好 在中低速数据传输中得到了广泛的应用 2FSK 调制解调系统设计 2 1 1 二进制频移键控 二进制频移键控 2FSK2FSK 1 1 FSK 的基本原理的基本原理 FSK Frequency shift keying 频移键控 利用载频频率变 化来传递数字信息 是信息传输中使用得较早的一种调制方式 主要优点 1 实现起来较容易 2 抗噪声与抗衰减的性能较好 3 在中低速数据传输中得到了广泛的应用 FSK 用载波频率的变化来表征被传信息的状态的 被调载波的频 率随二进制序列 0 1 状态而变化 即载频为时代表传 0 载频为时代 表传 1 图一 2FSK 的典型时域波形 1 2 2FSK 基本原理基本原理 A 表达式 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 故其表达式为 B 典型波形 2FSK 调制解调系统设计 3 由图可见 2FSK 信号的波形 a 可以分解为波形 b 和波形 c 也就是说 一个 2FSK 信号可以看成是两个不同载频的 2ASK 信号的叠 加 因此 2FSK 信号的时域表达式又可写成 式中 g t 单个矩形脉冲 Ts 脉冲持续时间 n和 n分别是第n个信号码元 1 或 0 的初始相位 通常可令其 为零 因此 2FSK 信号的表达式可简化为 1 2 1 2FSK2FSK 信号的产生方法信号的产生方法 1 采用模拟调频电路来实现 信号在相邻码元之间的相位是连续变化的 2FSK 调制解调系统设计 4 2 采用键控法来实现 相邻码元之间的相位不一定连续 图二 信号产生流程图 2FSK 调制解调系统设计 5 2 2 调制原理调制原理 从 2FSK 的调制方法有两种 1 频率选择法 2 载波调频法 不同的方法有不同的优缺点 在不同的情况下使用不同的方法 2FSK 调制采用查表法 可以实现较好的实时性 特别适用于通信 载波的生成 2 1 2FSK2FSK 调制原理调制原理 2FSK 信号的产生通常有两种方式 1 频率选择法 2 载波 调频法 频率选择法 产生的 2FSK 信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号 之和 在二进制码元状态转换 或 时刻 2FSK 信号的相位通常是不 连续的 这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛 载波调频法 在一个直接调频器中产生 2FSK 信号 这时的已调信号出自 同一个振荡器 信号相位在载频变化时始终是连续的 这将有利于已 调信号功率谱旁瓣分量的收敛 使信号功率更集中于信号带宽内 2 2 2FSK 调制算法调制算法 2FSK 调制就是把输入数字序列变成适合于信道传输的变频正弦波 2FSK 的 DSP 实现关键就是产生正弦或余弦波形 产生正弦波的 方法有差分迭代法 泰勒级数展开法 查表法等多种方法 2FSK 调制采用查表法 可以实现较好的实时性 特别适用于通信 载波的生成 在 DSP 的程序存储空间 使用 Q15 定点数格式在 0 2 上以 2 N 的相位间隔固化 N 点正弦值 以供查表 这些值可由 MATLAB 软 件首先计算好 在此取 N 12 这样对于F0和F1的取样间隔分别为 时1发送数据 2192 3212 1 1 时0发送数据 1192 1612 0 0 FsFNi FsFNi 2FSK 调制解调系统设计 6 使用 DSP 定时器 T0 用来实现对数据解调 DAC 输出速率的控制 这样 如要实现 12Kbps 的数传输速率 需要将 DSP 定时器 T0 的溢出 率设置为 192KHz 2 3 调制主程序流程图调制主程序流程图 本文使用查表法提供 2FSK 调制所需要的两路正弦波 即 sin0 table 和 sin1 table 当发送的数据为 0 时是发送 sin0 的数 据 当发送的数据为 1 是发送 sin1 的数据 初始化完后 接收数 据 判断 0 或 1 打开中断 则定时器每隔一个周期产生一次 中断 中断服务程序则完成一个采样点的输出 一个码元周期结束后 关中断 判断下一个发送数据 继续循环 延时等待 AR7 0 关中断 设置中断程序入口地址 查找表的首地址 初始化定时器和IMR寄存器 开中断 关中断 接收要发送的数据 N Y 2FSK 调制解调系统设计 7 图三 调至主程序流程图 3 3 解调原理解调原理 3 1 常见解调方法常见解调方法 解调的原理就是将 2FSK 信号分解为上下两路分别进行解调 然 后进行判别 2FSK 信号的解调方法有 如包络检波法 相干解调法 鉴频法 过零检测法及差分检波法等 1 非相干解调 2 相干解调 相干解调器的一般模型为 2FSK 调制解调系统设计 8 相干解调器原理 为了无失真地恢复原基带信号 接收端必须提 供一个与接收的已调载波严格同步 同频同相 的本地载波 称为相 干载波 它与接收的已调信号相乘后 经低通滤波器取出低频分量 即可得到原始的基带调制信号 已调信号的一般表达式为 与同频同相的相干载波c t 相乘后 得 经低通滤波器后 得到 因为sI t 是m t 通过一个全通滤波器HI 后的结果 故上式 中的sd t 就是解调输出 即 3 过零检测法 2FSK 调制解调系统设计 9 3 2 实验解调算法实验解调算法 算法的基本思想是已调信号和它的延时信号相乘 然后经过低通 滤波 根据滤波结果的符号判断发送信号的值 从而实现信号的解调 前面一部分是仅与 k 有关的常数 后面一部分是与 n 有关的高频 分量 可通过对称系数低通滤波器 h n 来滤除 低通滤波器 h n 的截 止频率设为 12KHz 通过该低通滤波器后得到 k的选择是设计解调器的关键 应使差值 最后 以利于正确区分两种频率 降低判决的误码率 根据实际 的测试得到 当 k 2 时 可以得到较好的区分度 经过低通滤波后的 2FSK 调制解调系统设计 10 数据 U n 经过判决算法后 可以得到最终所要的解调数据 Y n 4 4 实验流程实验流程 4 1 调制实验调制实验 本次实验是 2FSK 基于 DSP 的调制实验 是在 Code Composer Studio2 2 上实现的 4 1 1 调制主程序调制主程序 详见附录 1 4 1 2 调制过程调制过程 将实验原程序中的 FSK DATA 数据变更为 0 x6b17 如图所示 在软件频率显示图中 将属性变为如图所示的情况 2FSK 调制解调系统设计 11 在经过程序和软件上的调试后 最终我们可以得到频率结果图 4 2 解调实验解调实验 本次实验是 2FSK 基于 DSP 的解调实验 是在 Code Composer Studio2 2 上实现的 4 2 1 解调主程序解调主程序 详见附录 1 2FSK 调制解调系统设计 12 4 2 2 解调过程解调过程 将实验原程序中的 FSK 调制数据改为 将频率显示图的属性更改为如图的属性 如此可方便的出最后的 结果图 经过程序和软件属性的修改 得到了如图所示的结果图 我们一 开始输入的 FSK 解调数为 可以从图上看出数据为 是相符合的 2FSK 调制解调系统设计 13 总结总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解 决实际问题 锻炼实践能力的重要环节 是对学生实际工作能力的具 体训练和考察过程 2FSK 调制解调系统设计 14 这次课程设计 至今我仍感慨颇多 从理论到实践 在整整两星 期的日子里 可以说得是苦多于甜 但是可以学到很多很多的的东西 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识 而且学到了很多在书本上所 没有学到过的知识 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合 是很重要的 只有理论知识是远远不够的 只有把所学的理论知识与 实践相结合起来 从理论中得出结论 才能真正为社会服务 从而提 高自己的实际动手能力和独立思考的能力 在设计的过程中遇到问题 可以说得是困难重重 这毕竟第一次做的 难免会遇到过各种各样的 问题 同时在设计的过程中发现了自己的不足之处 对以所学过的知 识理解得不够深刻 掌握得不够牢固 这次课程设计历时两个星期多左右 通过这两个星期的学习 发 现了自己的很多不足 自己知识的很多漏洞 看到了自己的实践经验 还是比较缺乏 理论联系实际的能力还急需提高 参考文献参考文献 1 解月珍 秦履多 谢沅清 信号产生电路 M 电子工业出版 1994 2 王慕坤 通信原理 M 哈尔滨工业大学出版社 2003 2FSK 调制解调系统设计 15 3 鲜继清 张德民 现代通信系统 M 西安电子科技大学出版社 2002 4 阎石 数字电子技术基础 M 高等教育出版社 2006 5 苏涛 DSP 实用技术 M 西安电子科技大学出版社 2002 6 高海林 钱满义 DSP 技术及其应用 M 北京交通大学出版社 2009 2FSK 调制解调系统设计 16 附件附件 1 实验程序实验程序 A1 1 调制主程序调制主程序 include myapp h int const sin0 table 16 0 1158 1638 1158 0 1159 1638 1158 0 1158 1638 1158 0 1159 1638 1158 int const sin1 table 16 0 1254 2317 3027 3276 3027 2317 1254 0 1254 2317 3027 3276 3027 2317 1254 int const sin1 table 16 0 627 1158 1514 1638 1514 1158 627 0 627 1159 1514 1638 1513 1158 626 int const sin0 table 16 0 1158 1638 1158 0 1159 1638 1158 0 1158 1638 1158 0 1159 1638 1158 unsigned int FSK DATA 0 x6b17 unsigned int FSK Tran BUFF 变量的地址可以查看 工程目录中 的 map 文件 可以 txt 文本打开 本例地址为 0 x2001 unsigned int FSK Tran Flag 0 定时中断控制位 unsigned int Counter unsigned int Counter0 unsigned int Counter1 unsigned int Temp DATA void main void unsigned int Counter c54init asm SSBX CPL 需要注意的是函数中的局部变量编译成汇编后会进行直接寻 址 因此必须初始化 DP 页指针 这样在函数中使用局部变量就 不会出现问题 asm LD 0 x40 DP 2FSK 调制解调系统设计 17 同样需要将 SP 指针初始化一下 SP 0 x3400 asm RSBX INTM initCLK CPU SPEED 160M initInterrupt asm rsbx INTM 开全局开中断 TCR 0 x0020 TSS 0 Timer start TRB 1 Reload Temp DATA FSK DATA for Counter 0 Counter 1 else sin1 Trans FSK DATA FSK DATA 1 port8000 0 port8000 0 x8888 port8000 0 2FSK 调制解调系统设计 18 for void sin0 Trans void unsigned int i unsigned int Counter0 for Counter0 0 Counter0 16 Counter0 while FSK Tran Flag FSK Tran BUFF sin0 table Counter0 在此加断点 FSK Tran Flag 0 void sin1 Trans void unsigned int i unsigned int Counter1 for Counter1 0 Counter1 16 Counter1 while FSK Tran Flag FSK Tran BUFF sin1 table Counter1 在此加断点 FSK Tran Flag 0 interrupt void TINT0 ISR void 2FSK 调制解调系统设计 19 FSK Tran Flag 1 A1 2 解调主程序解调主程序 R include myapp h include math h FSK 延时相乘非相干解调测试程序 Fc 24kHz F0 16KHz F1 32KHz Fs 192Khz 系数对称的 FIR 滤波器 N 8 h n h N 1 n y n h0 x n x n 7 h1 x n 1 x n 6 h2 x n 2 x n 5 h3 x n 3 x n 4 所有全局变量的地址可以在工程目录的 map 文件中查看 本程序中先关变量的地址如下 程序如有改动 地址会有变动 GLOBAL SYMBOLS SORTED ALPHABETICALLY BY Name address name d0 DEC By NUM ce DEC DATA BEF cd DEC DATA CURR d3 DEC DATA Ser d6 DEC Flag X cc DEC IN cf DEC NUM d1 DEC NUM X 2FSK 调制解调系统设计 20 d7 DEC OUT e3 DSIP FIRBUFF b FIR COEF f FSK DATA LPFOUT d2 ONCE DEC DONE dc TINT0 ISR e4 Temp DATA int const FIR COEF 4 0 x0005 0 x21AF 0 x18AB 0 x1C42 FIR 滤波器系数 int const FIR COEF 4 18 32768 26316 32768 19272 32768 22079 32768 FIR 滤波 器系数 int const FIR COEF 4 0 3298 32768 0 4121 32768 0 4483 32768 0 7211 32768 int const FIR COEF 4 0 001 32768 0 56 32768 0 93 32768 0 46 32768 前半部分噪音 后半部分 FSK 调制数据 F0 和 F1 的余弦表 F0 32767 28508 16384 0 16384 28508 32767 28508 16384 0 16384 28508 F1 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 FSK 调制数据表示 程序运行结束后可以在 DEC OUT DataSer Num 数组中 看到 int const FSK DATA DataNum 噪音 64 个点 18295 6420 19759 29306 6924 10388 12834 12498 7547 0 18295 6420 6084 10388 0 8530 12834 6420 622 18918 7547 6420 6084 10388 25843 10388 19759 25338 622 0 622 25338 19759 10388 25843 10388 6084 6420 7547 18918 2FSK 调制解调系统设计 21 622 6420 12834 8530 0 10388 6084 6420 18295 0 7547 12498 12834 10388 6924 29306 19759 6420 18295 0 18295 6420 19759 29306 FSK 调制数据 11 16 0 x0000 0 x30FB 0 x5A82 0 x7641 0 x7FFF 0 x7641 0 x5A82 0 x30FB 0 x0000 0 xCF0 5 0 xA57E 0 x89BF 0 x8000 0 x89BF 0 xA57E 0 xCF05 0 x0000 0 x5A82 0 x7FFF 0 x5A82 0 x0000 0 xA57E 0 x8000 0 xA57E 0 x0000 0 x5A 82 0 x7FFF 0 x5A82 0 x0000 0 xA57E 0 x8000 0 xA57E 0 x0000 0 x5A82 0 x7FFF 0 x5A82 0 x0000 0 xA57E 0 x8000 0 xA57E 0 x0000 0 x5A 82 0 x7FFF 0 x5A82 0 x0000 0 xA57E 0 x8000 0 xA57E 0 x0000 0 x30FB 0 x5A82 0 x7641 0 x7FFF 0 x7641 0 x5A82 0 x30FB 0 x0000 0 xCF0 5 0 xA57E 0 x89BF 0 x8000 0 x89BF 0 xA57E 0 xCF05 0 x0000 0 x5A82 0 x7FFF 0 x5A82 0 x0000 0 xA57E 0 x8000 0 xA57E 0 x0000 0 x5A 82 0 x7FFF 0 x5A82 0 x0000 0 xA57E 0 x8000 0 xA57E 0 x0000 0 x30FB 0 x5A82 0 x7641 0 x7FFF 0 x7641 0 x5A82 0 x30FB 0 x0000 0 xCF0 5 0 xA57E 0 x89BF 0 x8000 0 x89BF 0 xA57E 0 xCF05 0 x0000 0 x5A82 0 x7FFF 0 x5A82 0 x0000 0 xA57E 0 x8000 0 xA57E 0 x0000 0 x5A 82 0 x7FFF 0 x5A82 0 x0000 0 xA57E 0 x8000 0 xA57E 0 x0000 0 x5A82 0 x7FFF 0 x5A82 0 x0000 0 xA57E 0 x8000 0 xA57E 0 x0000 0 x5A 82 0 x7FFF 0 x5A82 0 x0000 0 xA57E 0 x8000 0 xA57E 0 x0000 0 x30FB 0 x5A82 0 x7641 0 x7FFF 0 x7641 0 x5A82 0 x30FB 0 x0000 0 xCF0 5 0 xA57E 0 x89BF 0 x8000 0 x89BF 0 xA57E 0 xCF05 0 x0000 0 x30FB 0 x5A82 0 x7641 0 x7FFF 0 x7641 0 x5A82 0 x30FB 0 x0000 0 xCF0 5 0 xA57E 0 x89BF 0 x8000 0 x89BF 0 xA57E 0 xCF05 0 x0000 0 x30FB 0 x5A82 0 x7641 0 x7FFF 0 x7641 0 x5A82 0 x30FB 0 x0000 0 xCF0 5 0 xA57E 0 x89BF 0 x8000 0 x89BF 0 xA57E 0 xCF05 2FSK 调制解调系统设计 22 32767 28508 16384 0 16384 28508 32767 28508 16384 0 16384 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 32767 28508 16384 0 16384 28508 32767 28508 16384 0 16384 28508 32767 28508 16384 0 16384 28508 32767 28508 16384 0 16384 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 32767 28508 16384 0 16384 28508 32767 28508 16384 0 16384 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 32767 28508 16384 0 16384 28508 32767 28508 16384 0 16384 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 28508 0 28508 int FIRBUFF 8 0 0 0 0 0 0 0 0 FIR 滤波器输入缓冲区 intLPFOUT DataNum 滤波器输出 intDEC IN 0 判决器输入 intDEC DATA CURR 0 当前采样点判决值 intDEC DATA BEF 0 前一次采样点判决值 intDEC NUM 0 判决用计数器 intDEC By NUM 0 判决用计数器 intDEC NUM X 0 周期计数器 intONCE DEC DONE 0 一次有效判决结束 intDEC DATA Ser DEC PASS NUM 0 0 intDEC Flag X 0 当前判决码元符号标志 intDEC OUT DataSer Num 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 判决器输出 结果存储在 这里 long Temp DATA 0 暂存数据 int DSIP 0 显示变量 void main void int Counter Counter01 2FSK 调制解调系统设计 23 c54init asm SSBX CPL 需要注意的是函数中的局部变量编译成汇编后会进行直接寻址 因此必须初始化 DP 页指针 这样在函数中使用局部变量就不会