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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
1.1 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。
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。
1.3 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GMSK等。
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。
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).
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 BFSK=|f2-f1|+2fs。
2.2 FSK调制器的工作原理
FSK调制功能框图如图,
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f1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:

表中“＋”表示Xi取值为十l，“－”表示Xi取值为－l，以七位巴克码组{+++--+-}为例，求出它的自相关函数如下：同样可以求出j＝2，3，4，5，6，7时R(j)的值分别为－l，0，－l，0，－l，O。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。

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：

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。七位巴克码的二进制数为lll00lO，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。

图2.6 巴克码判决
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－l，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，七个移位寄存器输出端都输出+l，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“0”进入识别器后，识别器输出一个帧同步脉冲表示一帧数字信号的开头，如图2.7所示。

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
FSK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)。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。

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： f1〈 fc〈 f2。

（a）非相干方式

（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和下降沿触发，它们与相加器UA05（74HC32）一起共同对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。
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。

3.2分频器

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

电源电路由LM7805CT 、LM79L05CZ 、MC7908C组成，为FSK提供电源

3.5微分整流及脉冲形成电路

FSK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。
第四章 计算机仿真电路图
4.1 System 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Xilinx 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。
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OK结束选择。
3.然后会出现Recent System View Files窗口，可用来方便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。
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。

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：
打开系统 保存系统 打印系统 清除系统

删图符块 切断连线 布放连线 复制图符

图符转换 便签注释 建亚系统 进亚系统

系统运行 系统定时 分析窗口
根轨迹 波特图 重绘系统 终止运行

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。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：

信源库 亚器件库 加法器 输入/输出

操作库 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 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】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“New Filter/Linear System”项，可以一步完成放置图符和激活线性系统设计窗口。

4.5 System View时间设置
System View系统是一个离散时间系统。仿真系统运行时，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。
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。

图4-5 System Time Specification
（1）Start Time/Stop Time（开始/终止时间）
（2）Sample Rate/Time Spacing（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。
表5-1 信号源图符库表
图 符
名 称
参 数
功 能

Pulse 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）

Sinusoid
正弦波
幅度、频率和相位
产生两个正交的正弦波：
y1(t)=A·sin(2πfc(t)θ)
y2(t)=A·cos(2πfc(t)+θ)

PN 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

一、二进制移频键控(2FSK)调制

Ⅰ)2FSK信号的产生原理框图

Ⅱ)产生2FSK信号的SystemView仿真电路图

III)调频法和监控法输出的调制波形图
 (a) 调频法2FSK的输出
 (b) 键控法2FSK的输出

 (C) 2FSK信号的功率谱

 2、2FSK解调的SystemView仿真电路图

三、典型示例
Ⅰ、理想信号的仿真原理图

源波形

调制后波形

解调后波形

功率谱

Ⅱ、加噪后的仿真原理图

源波形

调制后波形

解调后波形

功率谱

5 protel 99se 设计
protel 99se的简介：

6 安装与调试

致    谢

心 得 体 会

参考文献