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吉 林 农 业 大 学

学 士 学 位 论 文

论文题目： 数字频带通信实验系统的研究

学生姓名：

院 系：信息技术学院专业年级：06级电子信息科学与技术

指导教师： 职 称： 讲师

2010年 5 月 25 日

目 录

题目 I
摘要及关键词 I
1 前 言 1
1.1 数字通信实验系统简介 1
1.2 数字通信传输技术的发展现状及趋势 1
数字通信传输技术的发展现状 1
1
2 数字通信的频带传输 2
2.1 数字通信的基带与频带传输技术 2
2
2
2.2 数字频带传输研究的主要问题及意义 3
3 基于FPGA的数字频带通信实验系统 5
3.1 硬件描述语言 5
5
6
3.2 可编程逻辑器件 6
3.3 基于FPGA的调制解调建模思想 6
6
4 数字频带系统的设计 7
4.1 二进制振幅键控（2ASK）系统 7
ASK系统的原理 7
VHDL硬件描述语言的ASK振幅键控法调制程序设计 8
VHDL硬件描述语言ASK振幅键控法解调建模与设计 10
4.2 二进制移频键控（2FSK）系统 12
FSK系统的原理 12
VHDL硬件描述语言的FSK频率键控法调制程序设计 13
VHDL硬件描述语言的FSK频率键控法解调程序设计 16
4.3 二进制移相键控（2PSK）系统 18
PSK系统的原理 18
4.4 二进制差分相位键控（2DPSK）系统 19
DPSK系统的原理 20
20
CPSK调制电路的VHDL建模与程序设计 21
CPSK解调电路的VHDL建模与程序设计 23
DPSK信号的调制的VHDL建模与程序设计 25
DPSK信号的解调的VHDL建模与程序设计 27
5 总结 29
参考文献 30
致谢 31
附录 仿真波形 32

数字频带通信试验系统的研究
姓 名：郭磊
专 业：电子信息科学与技术
指导教师：宫鹤

摘 要
：通信的目的是传递消息中所包含的信息。现代通信过程中的电信号可以分为两大类：模拟信号)和数字信号,以数字信号(由二进制“0”和“1”组成的数字码流)携带并传输信息的通信方式就是数字通信。而数字信号的传输方式又分为基带传输和频带传输。本文主要对数字频带系统进行研究分析。通过一种设计方式，而实现数字频带信号的各种波形输出。
关键词：数字通信；频带传输；调制解调

The System of Digital Trequency Communications
Name：Guolei
Major：Electronic Information Science and Technology
Tutor：Gonghe

Abstract: The purpose of communication is transmits information that include message. Electrical signal in the course of contemporary communication is divided into two categories: analog signal and digital signal, the communication way that transmits information by digital signal is digital communication(it’s composed of binary digital bit stream “0”and “1”). And the way that digital communication is divided into baseband communication and trequency communication. The text is researching the system of digital trequency communication. Through the design and realization of digital frequency signal output waveform.
Keywords: digital communication;band pass transmission;modulation and demodulation

1 前 言

1.1 数字通信实验系统简介
如图1-1所示，为通信系统的一般模型。通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟系统和数字系统。模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，而数字系统在信道中传输的是数字信号。
数字通信的缺点是，一般需要较大的传输带宽，且数字通信对同步要求高，因而系统设备复杂。但是，随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现，数字系统的设备复杂程度大大降低。因此，数字通信的应用必将会越来越广泛。

图1-1通信系统一般模型
Figure 1-1 General Model of Communication System
1.2 数字通信传输技术的发展现状及趋势

数字通信传输技术的发展现状
Systemview是美国的Elanix公司推出的基于PC机windows平台的动态系统仿真软件，它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。
Matlab是美国公司推出的软件产品，它是一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境，受到信号处理、控制系统、通信系统等诸多应用学科的科技工作者的欢迎。MATLAB中的通信工具箱是目前比较成熟的通信系
统模拟仿真工具它由运算函数和仿真模块组成，可以用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。其方便实用性既大大减轻了工程技术人员和科研人员的编程负担，也为初学者快速全面地了解和掌握通信系统的基本概念与原理提供了一个便捷工具。
FPGA技术是当今电子设计的研究热点，为了实现开创数字通信创新实验研究的想法，通过大量技术文献，对现代数学系统设计现状的各种通信技术进系那个了深入的研究，设疑一套数字通信研究实验平台系统，以FPGA芯片为核心，配以相关部件，共建相应的通信系统模型。
数字通信传输技术的发展趋势
数字通信技术每时每刻都在飞速发展中,其发展趋势主要有如下方面：
（1）传输速率更高、容量更大、距离更长波分复用技术已进入实用阶段,相对于光通信、光孤子通信已取得重大进展。光纤传输速率越来越高,波长从1.3μm发展到1.55μm并已大量采用。无线传输包括微波接力和卫星通信已由4 G H z/6GHz的C频段发展到11GHz/14GH的Ku频段,并在向20GHz/30GHz的Ku频段甚至更高发展,这样不但扩充了可用频段,而且大大地增加了容量。光放大代替光电转换中继器可使无中继距离延长到几百甚至上千公里。传输复用采用同步数字系列,使各国复用系列得到了统一,上下电路更为灵活。同时采用数字交叉连接设备使传输网上具有电路群交换功能,大大便利了组网,并提高了网的效率和可靠性。【1】
（2）向着小型化、综合化、智能化方向迅速发展
随着人的流动性增加,个人移动通信技术使用越来越广泛,发展也非常快,从无
绳 、寻呼到蜂窝式移动 。2 G、3 G时代也将很快过去,随之而来将是进入移动通信成熟期的4G时代。为了更好的满足用户多种业务的需要,数字通信网络必将向综合业务网络方向进一步发展。随着通信接续的自发展通信网可提供更多的功能。因此把由用户来判断、操作的相当部分功能交给通信网来进行,从而使通信网具有人工智能,这是通信发展的智能化方向。目前已有一批智能业务,使用最广泛的如被叫集中付费、转移呼叫、 卡、语音信箱等业务,随着需求和技术的发展,还有更多的智能业务被开发。
2 数字通信的频带传输

2.1 数字通信的基带与频带传输技术
数字通信涉及的技术比较多,主要包括信源编码、信道编码(也称差错控制编码)、保密编码、数字调制、定时与同步问题等等,不同的通信方式需要解决不同的问题。在数字频带传输系统中，数字信号对高频载波进行调制，变为频带信号，通过信道传输，在接收端解调后恢复成数字信号。
数字通信基带传输技术
由消息源的消息直接经过转换器转成的由“0”和“1”组成的脉冲信号,未被高频振荡器调制,其频谱常含有直流分量或极低频率的成分,称之为基带信号。在某些有线信道中,特别是传输距离不太远的情况下,由于传送信号信道的带宽与基带信号的频带宽度相当,数字基带信号可以通过双绞线或电缆直接传送,而无须由高频信号调制。这种不使用调制和解调装置而直接传送基带信号的系统称之为数字信号基带传输系统。数字通信基带传输过程不需要调制,但需要对基带信号进行码型变换和波形形成(虚线框部分)。不同的码型具有不同的频域特性,经发送滤波器变换成适合信道传输的波形,接收滤波器主要用于滤除带外噪声并对已接收的波形均衡,以便通过抽样判决器正确判断。再生判决器用来对判决器的输出信号进行再生,以获得与输入码型相应的原脉冲序列。目前,基带传输主要应用于计算机局域网、 线、石油测井的井下仪到地面设备的电缆传输线等。
数字通信频带传输技术
在远距离的情况下,特别是在无线或光纤信道上传输时,因为信道都是带限信道或带通信道,含有丰富低频成分的数字基带信号无法直接传输,必须经过调制器进行调制,使其成为数字频带(载波)信号后再进行传输,在接收端通过相应解调器进行解调,将其还原成数字基带信号,数字调制与解调的过程统称为数字调制,此传输系统则为数字信号频带传输系统(或数字信号载波传输系统)。从实际的应用上来看,频带传输技术比基带传输技术要更加广泛。但是,基带传输也是一种重要的传输方式,对其研究仍然十分重要,它与频带传输之间有着紧密的联系。甚至从广义上的角度来看,如果把调制和调解过程看做广义信道一部分的话,频带传输也可以归于基带传输系统。【2】
2.2 数字频带传输研究的主要问题及意义
实际中的大多数信道（如无线信道）因具有带通特性而不能直接传送基带信号，这是因为数字基带信号往往具有丰富的低频分量。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程称为数字调制。在接收端通过解调器把频带信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字频带传输系统。为了与“基带”一词相对应，频带传输也称为带通传输，又因为是借助于正弦载波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号的，所以带通传输也叫做载波传输。
一般说来，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。因此数字调制技术有两种方法：
（1）利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；
（2）利用数字信号的离散取值特点通过开关控制载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控（ Amplitude Shift Keying,ASK ）、频移键控（ Frequency Shift Keying,FSK ）和相移键控（ Phase Shift Keying,PSK ）三种基本的数字调制

图2-1 三种二进制数字调制的波形
Figure 2-1 Binary digital modulation waveforms of three
数字信息有二进制和多进制之分，因此，数字调制可分为二进制调制和多进制调制。在二进制调制中，信号参量只有两种可能的取值；而在多进制调制中，信号参量可能有M（M>2）种取值。本论文主要讨论二进制数字系统。
调制信号时二进制数字基带信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率和相位只有两种变化状态。相应的调制方式有二进制振幅键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）和二进制相移键控（2DPSK）。
如图2-2所示，为数字调制系统方框图，由调制器、解调器及调制信道构成。

图2-2 数字调制系统原理方框图
Figure 2-2 Block diagram of digital modulation system

需要说明的是，发送滤波器及接收滤波器都是带通滤波器。发送滤波器用来限制进入信道的信号带宽，以提高信道的频率利用率。接收滤波器除带外噪声，提高信噪比，并且与发送滤波器及信道的频率特性相匹配，使系统无码间串扰。
3 基于FPGA的数字频带通信实验系统
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可靠性，减轻了设计者的劳动强度。
3.1 硬件描述语言
硬件描述语言(HDL)是各种描述方法中最能体现EDA优越性的描述方法。所谓硬件描述语言，实际就是一个描述工具，其描述的对象就是待设计电路系统的逻辑功能，实现该功能的算法，选用的电路结构以及其它各种约束条件等。通常要求HDL既能描述系统的行为，又能描述系统的结构。HDL的使用与普通的高级语言相似，编制的HDL程序也需要首先经过编译器进行语法，语义的检查，并转换为某种中间数据格式。但与其它高级语言相区别的是，用硬件描述语言编制程序的最终目的是要生成实际的硬件，因此HDL中有与硬件实际情况相对应的并行处理语句。此外，用HDL制程序时，还需注意硬件资源的消耗问题(如门，触发器，连线等的数目)，有的HDL程序虽然语法，语义上完全正确，但并不能生成与之相对应的实际硬件，其原因就是要实现这些程序所描述的逻辑功能，消耗的硬件资源将十分巨大。目前主要有以下两种HDL语言:
Verilog-HDL语言
Verilog-HDL语言是在1983年由GDA(Gateway Design Automation)公司的首创的。主要用于数字系统的设计。设计者可以用它来进行各种级别的逻辑设计，可以用它进行数字逻辑系统的仿真验证，时序分析，逻辑综合等。它是目前应用最广泛的硬件描述语言之一。其最大优点是与工艺无关性，这使得工程师在功能设计，逻辑验证阶段可以不必过多考虑门级电路及其工艺实现的具体细节，只需要利用系统设计时对芯片的要求，施加不同的约束条件，即可设计出实际电路。实际上，这是利用EDA工具，把逻辑验证与具体工具库匹配，把布线及延时计算由计算机自动完成，从而减轻了设计者的劳动。Verilog-HDL把数字系统当作一组模块来描述，每一个模块具有模块接口以及关于模块内容的描述，一个模块代表一个逻辑单元，这些模块用网络相互连接，相互通信。由于Verilog-HDL是标准化的，所以能把完成的设计移植到不同厂家的不同芯片中去。又由于Verilog-HDL设计的信号位数很容易改变，所以可以通过对信号位数的修改，来适应不同的硬件规模，而且在仿真验证时，仿真测试用例可以用同一种描述语言来完成。
VHDL语言
VHDL语言是美国国防部于20世纪80年代后期，出于军事工业的需要开发的。1984年VHDL被IEEE确定为标准化的硬件描述语言。1993年IEEE对VHDL进行了修订，增加了部分新的VHDL命令与属性，增强了对系统的描述能力，并公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。现在，VHDL已经成为系统描述的国际公认标准，得到众多EDA公司的支持，越来越多的硬件设计者使用VHDL描述数字系统。VHDL涵盖面广，抽象描述能力强，支持硬件的设计，验证，综合与测试。VHDL能在多个级别上对同一逻辑功能进行描述，如可以在寄存器级别上对电路的组成结构进行描述，也可以在行为描述级别上对电路的功能与性能进行描述。无论哪种级别的描述，都可以利用综合工具将描述转化为具体的硬件结构。VHDL的基本结构包含有一个实体和一个结构体，而完整的VHDL结构还包括配置，程序包与库。各种硬件描述语言中，VHDL的抽象描述能力最强，因此运用VHDL进行复杂电路设计时，往往采用自顶向下结构化的设计方法。比较而言，VHDL语言是一种高级描述语言，适用于电路高级建模，综合的效率和效果较好。Verilog-HDL语言是一种低级的描述语言，适用于描述门级电路，容易控制电路资源，但其对系统的描述能力不如VHDL语言。【3】
3.2 可编程逻辑器件
可编程逻辑器件(简称PLD)是一种由用户编程来实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。它不仅速度快，集成度高，能够完成用户定义的逻辑功能外，还可以加密和重新定义编程，其允许编程次数可多达上万次。使用可编程逻辑器件可大大简化硬件系统，降低成本，提高系统的可靠性，灵活性。因此，自20 世纪70年代问世以后，就受到广大工程人员的青睐，被广泛应用于工业控制，通信设备，智能仪表，计算机硬件和医疗电子仪器等多个领域。目前，PLD主要分为FPGA(现场可编程门阵列)和 CPLD(复杂可编程逻辑器件)两大类。FPGA和CPLD最明显的特点是高集成度，高速度和高可靠性。高速度表现在其时钟延时可小至纳秒级，结合并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有着非常广阔的应用前景;其高可靠性和高集成度表现在几乎可将整个系统集成于同一芯片中，实现所谓片上系统，从而大大缩小了系统体积，也易于管理和屏蔽。
3.3 基于FPGA的调制解调建模思想

ASK调制建模原理
建模思想：
（1）采用数字载波信号
数字载波信号产生的方法既可以从外部输入，也可以通过高频时钟 信号分频得到。
（2）采用键控法调制
数字基带信号作为键控信号控制与门来完成ASK调制。
（3）数字载波调制的ASK信号可经过外接滤波器转换成模拟形式的信号输出
因为采用数字载波调制的ASK信号是数字信号，含丰富的高频成分，所以经过一个带通滤波器或低通滤波器后，将减少高频成分，输出的信号接近模拟载波调制。
ASK解调建模原理
建模思想：
（1）首先考虑输入信号根据ASK信号的相干解调原理，解调器的输入信号应包括收端的本地同步载波、ASK信号，但考虑到采用的目标器件为CPLD/PFGA器件，因而解调器也应采用数字载波。
得到数字载波的方法一方面是：从ASK信号中应用模拟滤波或模拟锁相环提取模拟载波信号后，进行放大整形，得到与发端同步的数字载波；
另一种方法是：采用数字锁相环法提取载波。为了重点说明ASK信号的解调的建模与VHDL程序设计，本节不对载波信号的提取做研究。另外，为了模型设计方便，采用外时钟输入，控制分频器，得到数字载波，并假设解调器包括分频器、计数器、寄存器和判决器等。分频器的功能是对时钟信号进行分频得到与发端数字载波相同的数字载波信号。
（2）解调器包括分频器、计数器、寄存器和判决器等。分频器的功能是对时钟信号进行分频得到与发端数字载波相同的数字载波信号；寄存器的功能是在时钟的上升沿到来时把数字ASK信号存入寄存器XX；
（3）计数器的功能是利用分频器输出的载波信号作为计数器的时钟信号，在其上升沿到来时，对寄存器中的ASK载波个数进行计数，当计数值m>3时，输出为“1”，否则输出为“0”；
（4）判决器的功能是：以数字载波作为判决时钟，对计数器输出信号进行抽样判决，并输出解调后的基带信号。【4】
4 数字频带系统的设计

4.1 二进制振幅键控（2ASK）系统

ASK系统的原理
数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调制类似，它同样可以去控制正弦振荡的振幅、频率或相位的变化。但由于数字信号的特点—时间和取值的离散性，使受控参数离散化而出现“开关控制”，称为“键控法”。
振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”和“1”。一种常用的、也是最简单的二进制振幅键控方式称为通—断键控（On Off Keying,OOK）。
2ASK/ OOK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法，相应的调制器如图3-1所示(a)表示模拟相乘法，(b)表示通-断键控法。

图4-1所示 2ASK/ OOK信号调制器原理框图
Figure 4-1 2ASK / OOK signal modulator block diagram
基于VHDL硬件描述语言的ASK振幅键控法调制程序设计
1 ASK调制建模原理
ASK调制的建模方框图如图4-2所示，ASK调制电路的VHDL建模符号如图4-3所示。说明：图中没有包含模拟电路部分，输出信号为数字信号。
建模思想
（1）采用数字载波信号
数字载波信号产生的方法既可以从外部输入，也可以通过高频时钟信号分频得
（2）采用键控法调制
在图4-2中，数字基带信号作为键控信号控制与门来完成ASK调制。
（3）数字载波调制的ASK信号可经过外接滤波器转换成模拟形式的信号输出
因为采用数字载波调制的ASK信号是数字信号，含丰富的高频成分，所以经过一个带通滤波器或低通滤波器后，将减少高频成分，输出的信号接近模拟载波调制。本文的侧重点放在可数字化处理部分。

图4-2 Ask调制的建模方框图
Figure 4-2 Ask modeling modulation block diagram

图4-3 Ask调制电路的VHDL符号
Figure 4-3 Ask VHDL symbol modulation circuit
2 ASK调制的VHDL程序
--文件名：PL_ASK
--功能：基于VHDL硬件描述语言，对基带信号进行ASK振幅调制
library ieee;

entity PL_ASK is
port(clk :in std_logic; --系统时钟
start :in std_logic; --开始调制信号
x :in std_logic; --基带信号
y :out std_logic); --调制信号
end PL_ASK;
architecture behav of PL_ASK is
signal q:integer range 0 to 3; --分频计数器
signal f :std_logic; --载波信号
begin
if clk'event and clk='1' then
if start='0' then q<=0;
elsif q<=1 then f<=‘1’;q<=q+1; --改变q后面数字的大小，就可以改变载波信号的占空比
elsif q=3 then f<=‘0’;q<=0; --改变q后面数字的大小，就可以 改变载波信号的频率
else f<='0';q<=q+1;
end if;
end if;
end process;
y<=x and f; --对基带码进行调制
end behav;
2ASK/ OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干（noncoherent）解调（包络检波法）和相干（coherent）解调（同步检波法），相应的接收系统组成方框图如图4-4所示。与模拟信号的接收系统相比，这里增加了一个“抽样判决器”方框，这对于提高数字信号的接收性能是必要的。

图4-4所示2ASK/ OOK信号解调器原理框图
Figure 4-4 2ASK / OOK signal demodulator block diagram
基于VHDL硬件描述语言ASK振幅键控法解调建模与设计
1 ASK解调的建模方框图及电路建模符号
ASK解调方框图如图4-5所示，ASK解调电路的VHDL建模符号如图4-6所示。说明：图中没有包含模拟电路部分，调制信号为数字信号形式。
建模思想：
（1）首先考虑输入信号根据ASK信号的相干解调原理，解调器的输入信号应包括收端的本地同步载波、ASK信号，但考虑到本书采用的目标器件为CPLD/PFGA器件，因而解调器也应采用数字载波。得到数字载波的方法一方面是：从ASK信号中应用模拟滤波或模拟锁相环提取模拟载波信号后，进行放大整形，得到与发端同步的数字载波；另一种方法是：采用数字锁相环法提取载波。为了重点说明ASK信号的解调的建模与VHDL程序设计，本节不对载波信号的提取做研究。
另外，为了模型设计方便，图采用外时钟输入，控制分频器，得到数字载波，并假设解调器包括分频器、计数器、寄存器和判决器等。分频器的功能是对时钟信号进行分频得到与发端数字载波相同的数字载波信号。
（2）解调器的建模设计
解调器包括分频器、计数器、寄存器和判决器等。分频器的功能是对时钟信号进行分频得到与发端数字载波相同的数字载波信号；寄存器的功能是在时钟的上升沿到来时把数字ASK信号存入寄存器XX；
计数器的功能是利用分频器输出的载波信号作为计数器的时钟信号，在其上升沿到来时，对寄存器中的ASK载波个数进行计数，当计数值m>3时，输出为“1”，否则输出为“0”；
判决器的功能是：以数字载波作为判决时钟，对计数器输出信号进行抽样判决，并输出解调后的基带信号。

图4-5 ask解调方框图
Figure 4-5 ask demodulator block diagram
注：a.当q=11时，对计数器m清零。
b.当q=10时，根据计数器m的数值，进行判决。

图4-6 ask解调的VHDL建模符号
Figure 4-6 ask demodulation of the VHDL model symbols
2 ASK解调VHDL程序及注释
根据上述的建模思想编写ASK信号解调的VHDL源程序如下：
--文件名：PL_ASK2
--功能：基于VHDL硬件描述语言，对ASK调制信号进行解调
library ieee;

entity PL_ASK2 is
port(clk :in std_logic; --系统时钟
start :in std_logic; --同步信号
x :in std_logic; --调制信号
y :out std_logic); --基带信号
end PL_ASK2;
architecture behav of PL_ASK2 is
signal q:integer range 0 to 11; --计数器
signal xx:std_logic; --寄存x信号
signal m:integer range 0 to 5; --计xx的脉冲数
begin
process(clk) --对系统时钟进行q分频
begin
if clk'event and clk='1' then xx<=x; --clk上升沿时，把x信号赋给中间信号xx
if start='0' then q<=0; --if语句完成q的循环计数
elsif q=11 then q<=0;
else q<=q+1;
end if;
end if;
end process;
process(xx,q) --此进程完成ASK解调
begin
if q=11 then m<=0; --m计数器清零
elsif q=10 then
if m<=3 then y<='0'; --if语句通过对m大小，来判决y输出的电平
else y<='1';
end if;
elsif xx'event and xx='1'then m<=m+1; --计xx信号的脉冲个数
end if;
end process;
end behave;

4.2 二进制移频键控（2FSK）系统

FSK系统的原理
频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随着二进制基带信号在两个频率不同的载波频率点变化。
2FSK信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路来实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元时间内输出两个载波之一，如图4-7所示。这两种方法产生2FSK信号的差异在于：由调频法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。（这是一类特殊的FSK，称为连续相位FSK（Continuous-Phase FSK,CPFSK）而键控法产生的2FSK信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。

图4-7 所示 键控法产生2FSK信号的原理图
Figure 4-7 shows keying signal generated schematic 2FSK
基于VHDL硬件描述语言的FSK频率键控法调制程序设计
1 FSK调制的建模方框图及电路符号
FSK调制方框图如图4-8所示， FSK调制电路的VHDL建模符号如图4-9所示。有了ASK调制的建模方法基础，再根据FSK调制原理，对FSK信号产生的建模框图就容易理解了。FSK调制的核心部分包括分频器、二选一选通开关等。
图4-8中的两个分频器分别产生两路数字载波信号；二选一选通开关的作用是：以基带信号作为控制信号，当基带信号为“0”，选通载波f1；当基带信号为“1”时，选通载波f2。从选通开关输出的信号就是数字FSK信号。

图4-8 Fsk调制方框图
Figure 4-8 Fsk modulation block diagram

图4-9 Fsk调制电路的VHDL建模符号
Figure 4-9 Fsk modulation circuit VHDL model symbols
2. FSK调制VHDL程序及仿真
--文件名：PL_FSK
--功能：基于VHDL硬件描述语言，对基带信号进行FSK调制
library ieee;

entity PL_FSK is
port(clk :in std_logic; --系统时钟
start :in std_logic; --开始调制信号
x :in std_logic; --基带信号
y :out std_logic); --调制信号
end PL_FSK;
architecture behav of PL_FSK is
signal q1:integer range 0 to 11; --载波信号f1的分频计数器
signal q2:integer range 0 to 3; --载波信号f2的分频计数器
signal f1,f2:std_logic; --载波信号f1，f2
begin
process(clk) --此进程通过对系统时钟clk的分频，得到载波f1
begin
if clk'event and clk='1' then
if start='0' then q1<=0;
elsif q1<=5 then f1<='1';q1<=q1+1; --改变q1后面的数字可以改变，载波f1的占空比
elsif q1=11 then f1<='0';q1<=0; --改变q1后面的数字可以改变，载波f1的频率
else f1<='0';q1<=q1+1;
end if;
end if;
end process;
process(clk) --此进程通过对系统时钟clk的分频，得到载波f2
begin
if clk'event and clk='1' then
if start='0' then q2<=0;
elsif q2<=0 then f2<='1';q2<=q2+1; --改变q2后面的数字可以改变，载波f2的占空比
elsif q2=1 then f2<='0';q2<=0; --改变q2后面的数字可以改变，载波f2的频率
else f2<='0';q2<=q2+1;
end if;
end if;
end process;
process(clk,x) --此进程完成对基带信号的FSK调制
begin
if clk'event and clk='1' then
if clk'event and clk='1' then
if x='0' then y<=f1; --当输入的基带信号x=‘0’时，输出的调制信号y为f1
else y<=f2; --当输入的基带信号x=‘1’时，输出的调制信号y为f2
end if;
end if;
end process;
end behav;
2FSK信号的常用解调方法是采用如图4-10非相干解调（包络检波）和图4-11相干解调。其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决（decision）。这里的抽样判决时直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限。判决准则应与调制规则相呼应，调制时若是规定“1”符号对应载波频率f1，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”。

图4-10 所示 非相干解调
Figure 4-10 Non-coherent demodulation
抽样判决器的判决准则为

图4-11 相干解调
Figure 4-1