基于VHDL的2FSK调制与解调

1、基于VHDL的2FSK调制与解调基于VHDL的2FSK调制与解调第一章概述i.i引言FSK信号可利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得, 这正是频率键控通信方式早期采用的实现方法，也是利用模拟调频法 实现数字调频的方法.FSK信号的另一方法是采用键控法，即利用受 矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率进行选通二 进制FSK信号的常用解调方法是采用非相干检测法和相干检测法。矚 慫润厲钐瘗睞枥庑赖。1.2 FSK简介FSK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。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1.3

2、FSK的发展FSK是载波频率随数字信号变化的一种调制方式，近十年来，数字移动通信新系统的开发取得了巨大进展，要求传输数字化的信令，又传数字化的信息，因 而系统必须采用数字调制技术，然而一般的数字调制技术：如移相键控PSK频移键控FSK因传输效率低而无法满足移动通信的要求：为此；需要专门研究 一些抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高的调制技术，尽可能地提高单位 频带内传输数据的比特率。适应移动通信的要求；目前已发展为：正交相移键控 QPSK正交调幅QAM最小移频键控MSK高斯最小移频键控 GMS等。残骛楼諍锩 瀨濟溆塹籟。第二章总体设计方案2.1 实验原理所谓FSK就是用数字信号去调制载波的频

3、率。本实验中，二进制的基带信号 是用正负电平来表示的。“ 1”码对应于载波频率F1, “0”对应于F2。使其输出 频率为f1和f2相间的正弦波行。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。FSK信号的解调分为相干解调法和非相干解调法。非相干解调分为鉴频法 ， 过零检波法，微分法等（本实验采用相干方式）类型：二进制移频键控 （2FSK）， 多进制移频键控（MFSK）彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。相位不连续的FSK信号可以看作是两个不同载波频率的 ASK以调信号的叠加 因此其功率谱是两个ASK信号功率之和当基带信号不含直流分量时，其带宽为BFs=|f2-f1|+2fs。謀养抟箧飆鐸怼类蒋薔。2.2 FSK调制器的工作原理FS

4、K调制功能框图如图,F眩图2.1 FSK调制功能框图首先由晶振电路产生正弦波信号，然后在经过分频器后再分别通过两个带 通滤波器,产生fl和f2两个载频.用 1 0码和巴可码来控制模拟开关的数字基带信号，其中：巴克码是一种具有特殊规律的二进制码组。它是一个非周期 序列，一个n位的巴克码X1, X2, X3, Xn。，每个码元只可能取值十1或 一 1,它的局部自相关函数为:厦礴恳蹒骈時盡继價骚。n - jR(j)=Z xixi+j=*j =1n当 j = 0、0,+ 1,- 1 当j n，0当j启n表中“ + ”表示Xi取值为十I ,“一”表示Xi取值为一 I，以七位巴克码组+-+-为例，求出它的

5、自相关函数如下：同样可以求出 j二2, 3, 4, 5, 6, 7时R(j)的值分别为一I , 0, I , 0, I , Q另外，再求出j为负值的自相关 函数，两者一起画出的七位巴克码的 R(j)与j的关系曲线如图2.4所示。由图 可见，自相关函数在j = 0时具有尖锐的峰值。 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。图2.4巴克码的自相关函数产生巴克码的方法常用移位寄存器，七位巴克码产生器如图2.5 :轉恒方向men(1)图2.5巴克码产生器图2.5(a)是串行式产生器，移位寄存器的长度等于巴克码组的长度。七位巴克码由七级移位寄存器单元组成，各寄存器单元的初始状态由预置线预置成巴克 码组相应的数字。七位巴克

6、码的二进制数为IIIOOIO ，移位寄存器的输出端反馈 至输入端的第一级，因此，七位巴克码输出后，寄存器各单元均保持原预置状态。 移位寄存器的级数等于巴克码的位数。另一种是采用反馈式产生器，同样也可以产生七位巴克码，如图2.5(b)所示，这种方法也叫逻辑综合法，此结构节省部件。巴克码的识别仍以七位巴克码为例， 用七级移位寄存器、相加器和判决器 就可以组成一个巴克码识别器，如图2.6所示，各移位寄存器输出端的接法和巴 克码的规律一致，即与巴克码产生器的预置状态相同。鹅娅尽損鹤惨歷茏鴛賴。I输出判决相加0 10 10 10 10 10 10 1输入码元11111 11 1 1 1務位方向图2.6巴

7、克码判决当输入数据中的1进入移位寄存器时，输出电平为+ l，而0进入移位寄存 器时，输出电平为一I，识别器实际是对输入的巴克码进行相关运算。当七位巴克码在图2.7(a)中的tl时刻已全部进入了七级移位寄存器时，七个移0”进入识别器后，识别器输出一个帧同步 2.7所示。籟丛妈羥为贍债蛏练淨。位寄存器输出端都输出+I，相加后得最大输出+7、若判决器的判决电平定为+6, 那么，就在七位巴克码的最后一位“ 脉冲表示一帧数字信号的开头，如图(b)巴克码邑克码识别器出图2.7巴克码用于帧同步两路载频经过由数字基带信号控制的模拟开关4052后产生FSK信号，整个过程波形如图2.3 FSK解调的工作原理框图F

8、SK解调分为相干解调和非相干解调这里使用非相干解调（过零检波法八 这里采用的是过零检测法对2FSK调制信号进行解调。大家知道，2FSK信号的过 零点数随不同载频而异，故检出过零点数就可以得到关于频率的差异， 这就是过 零检测法的基本思想。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。11 o a 1FSK卩艮幅徴分mum h 卜 h lua uu脉冲*展宽】on取直济 分量非相干解调时FSK信号经过放大限幅电路得到脉冲波形 .。限幅器对输入 信号进行限幅，以消除各种干扰和噪声。使输入信号的变换成跳变陡峭的方波以 取得过零点信息。经过微分整形后得到尖脉冲，其中脉冲的个数代表FSK信号过零点的次数，经脉冲形成器得到一定高

9、度和一定脉宽的方波，方波的占空比由 RC电路可调，信号的平均直流分量与脉冲重复频率成正比，也就是与输入信号 的载频成正比。经过低通滤波器输出其平均直流分量， 再经判决整形后，即得到 解调原始数字基带信号。在过零检测中两个载频频差越大，平均直流分量则越大， 抗干扰性能也越好，但所占的频带也就越宽。低通滤波器的截止频率fc的选择原则为：fl fc f2。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。(a)4(afe干方式COS COCOS cot(b)(b)相干方式;2FSK解调原理框图2FSK有多种方法解调，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，相应的接收系统的框图如图所示。 这里采用的是过零检

10、测法对 2FSK调制信号进行解调。大家知道，2FSK信号的过零点数随不同载频而异，故 检出过零点数就可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。用过 零检测法对FSK信号进行解调的原理框图如图1 (c)所示。其中整形1和整形2 的功能类似于比较器，可在其输入端将输入信号叠加在 2.5V上。2FSK调制信号 从“FSK-IN”输入。UA03(LM339的判决电压设置在2.5V，可把输入信号进行 硬限幅处理。这样，整形1将2FSK信号变为TTL电平；整形2和抽样电路共同 构成抽样判决器，其判决电压可通过标号为“ 2FSK判决电压调节”的电位器进 行调节。单稳1和单稳2分别被设置为上升沿触发

11、和下降沿触发， 它们与相加器 UA0(74HC32起共同对TTL电平的2FSK信号进行微分、整流处理。电阻RA14 与RA16决定上升沿脉冲宽度及下降沿脉冲宽度。抽样判决器的时钟信号就是2FSK基带信号的位同步信号，该信号应从“ FSK-BS输入，可以从信号源直接 引入，也可以从同步信号恢复模块引入。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。第三章单元电路设计3.1正弦波产生电路它是由4096反相器和4.096MHz组成的晶振电路产生4.096MHz的正弦波信 号。*把4khz的正弦波分成2khz再输入到带通滤波器3.3 2KHZ 和 4khz 滤波3.4电源电路+12TDlD2*DIOEE100JI0K+ Hl

12、亠1-TVri1)01nfBT1 IKPr1CAVTy?01nfDDIODI电源电路由LM7805CT、LM79L05CZ、MC7908(ffl成，为FSK提供电源3.5微分整流及脉冲形成电路riUUAG哦CDIR+UA74)10&WC303W3LM?*TIFLN747PonLTLlA+QI52CQH2FSK信号经过UA741和40106放大限幅电路，在由4098微分整流及脉冲形成，低通滤波和抽样判决电路由 LM747 4013组成，经过LM747经过低通滤波器输出其平均直流分量，再经4013判决整形后，即得到解调原始数字基带信号擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。第四章 计算机仿真电路图4.1 Syste

13、m View的使用简介SystemView是一个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境。 它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、 非线性控制系统的设计和仿真。尤具特色的是，它可以很方便地进行各种滤波器 的设计。系统备有通信、逻辑、数字信号处理(DSP)、射频/模拟、码分多址个人 通信系统(CDMA/PCS)数字视频广播(DVB)系统、自适应滤波器、第三代无线移 动通信系统等专业库可供选择，适合于各种专业设计人员。该系统支持外部数据 的输入和输出，支持用户自己编写代码(C/C + + )，兼容Matlab软件。同时，提 供了与硬件设计工具的接口，支持Xil

14、inx 公司的FPGA芯片和TI公司的DSP芯 片，是一个用于现代工程和科学系统设计与仿真的动态系统分析工具平台。 SystemView已大量地应用于现代数字信号处理、通信系统及控制系统的设计与 仿真等领域。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。4.2主菜单功能遵循以下步骤进入System View系统视窗：1. 双击System View图标，开始启动系统。2. 首先会出现System View License Manager窗口，可用来选择附加库。本实验中选择Select All再左键单击0K结束选择。坛搏乡囂忏蒌鍥铃氈淚。3. 然后会出现Recent System View Files 窗口，可用来方便

15、的选择所需打 开的文件。如果没有选择文件，单击Close结束选择。结束以后就可以进入System View系统窗口。如图 4-1所示。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。系统视窗最上边一行为主菜单栏，包括：文件（File ）、编辑（Edit ）、参数 优选（Preferences ）、视窗观察（View）、便签（Note Pads）、连接（Compiler ）、 系统菜单（System）、图符块（Tokens）、工具（Tool）和帮助（Help）等11项 功能菜单。買鯛鴯譖昙膚遙闫撷凄。Eie E* &EfefEnE匚gnecbont 匚Systetn lokens Tw|s tHp，空IH昌即回比仏口打匡

16、包堂渤雷 A $芻曲阳图4-1系统窗口4.2快捷功能按钮 在主菜单栏下,System View为用户提供了16个常用快捷功能按钮，按纽功能如下:保存系统打印系统清除系统綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦删图符块切断连线布放连线复制图符诛髅貺庑薔。便签注释系统定时建亚系统重绘系统分析窗口终止运行锹籁饗迳琐筆襖鸥娅图4-2快捷功能按钮4.3图符库选择按钮系统视窗左侧竖排为图符块选择区。图符块（Toke）是构造系统的基本单元 电路模板，相当于系统组成框图中的一个子框图，用户在屏幕上所能看到的仅仅 是代表某一个数学模型的图形标志（图符块），图符块的传递特性由该图符块所 具有的仿真数学模型决定。

17、创建一个仿真系统的基本操作时，按照需要调出相应 的图符块，将图符块之间用带有传输方向的连线连接起来，这样一来，用户进行的系统输入完全是图形操作，不涉及语言编程问题，使用十分方便。进入系统后, 在图符库选择以下图符如图 4-3选择按钮，即：構氽頑黉碩饨荠龈话骛。信源库加法器輒峄输入/输出檉簖疖網儂號泶。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。操作库匚圍函数库:乘法器信宿库图5-3图符选择按钮4.4 System View 滤波器在System View设计窗口双击图符工具栏的丨.图标，工作区域将出现一个算子库图符，双击该图符可以访问算子库。双击滤波器域线性（）图标，或者先单击该图标再单击 【Parameters】

18、按钮，将激活线性系统设计窗口，如图5-4所示直接在System View设计窗口的工作区域点右键，在弹出的快捷菜单中 选“ NewFilter/Linear System”项，可以一步完成放置图符和辛激活线性系统设计窗口。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。SyiTBmVIew I irwar SysTem Bulterwnrth nR)凶ie Edfc PreFerenc DSP 时ode： Piters L-a pl ace- System 世 ndowNaOtf Huneartgr Colicenlt z-D|S.7B9672556556fl9EH日阳6572596554勺E-ll |1|3 5154

19、!：91?eE-1Q2I5 2732U3533933S9E 103|a515463O226220E-1O 审N& DencMiiii&m 匚砧I盅11 响Clear DimgmhatoiCoefJicied: z-D11)-5965621615.952025296697623)-3.95215310E511StandardDifibltd-与dpnpd IntDecrrdJngFlR FsfcwCecimglian Fadw iC lid & duf mctKiia 蜒 工gmDesignJ_LLg_y4.5 System View时间设置System View系统是一个离散时间系统。仿真系统

20、运行时，首先对信号进行采样，然后对各个采样点的值进行分析计算，最后输出时，在分析窗口内，按要求画出各个点的值或模拟曲线。所以，在开始仿真前必须对采样起始纸上时间、 采样频率、采样间隔和采样点数等参数进行设置。如果这类参数设置不合理，仿 真运行后的结果往往不能令人满意，甚至根本得不到预期的结果。凍鈹鋨劳臘错痫婦胫籴。单击System View设计窗口工具栏的按钮，将出现系统时间设置（System Time Specification）对话框，如图5-5所示。用户需要设置几个参数框内的参数，包括以下几条。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。图 4-5 System Time Specification（1） S

21、tart Time/Stop Time（开始 /终止时间）（2）Sample Rate/Time Spaci ng （采样率 / 采样间隔）（3）No.of Samples （采样点数）（4）频率分辨力（Freq.Res.）（5）Time Values （更新数值）（6）Auto Set No.Samples （自动标尺）（7）No.of System Loops （系统循环次数）4.6信号源库信号源图符是一些常见的波形的发生器，或者说是整个System View模型进行仿真所必须的输入数据。这种图符只有输出端，没有输入端。有的信号源图符有多个输出端，例如正弦信号源有两个正交的输出。噪声 /伪

22、噪声信号是用随机 算法为用户提供几种模拟的噪声信号，几种信号源的图符名称和功能如表5-1所列。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。表5-1信号源图符库表图符名称参数功能03Pulse Train脉冲序列幅度、频率、相位、脉宽和偏置产生指定频率和脉宽的脉冲序列信号， 脉宽必须小于信号周期（频率的倒数）Sinu soid正弦波幅度、频率和 相位产生两个正交的正弦波：yt)=A sin(2 n fc(t)+ 0 )y2(t)=A cos(2 n f c(t)+ 0 )1iPN Seq伪随机信号幅度、频率、 信号阶数、偏置和相位按指定的参数产生伪随机信号、二进制移频键控（2FSK）调制I ）2FSK信号的产生原理框图二逬制数据模拟调频器图2,6 2FSK信号的产生原理框團隹模拟调频法（b）键控法n ）产生2FSK信号的SystemView仿真电路图调频法键控法|2FSK信号产生的两种方祛III)调