2FSK调制解调系统的FPGA设计与实现

第38卷第3期2010年6月

浙江工业大学学报

J OURNAL OF ZH E J IAN G UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY

Vol.38No.3J un.2010

收稿日期:2009209215

作者简介:应亚萍(1966—

),女,浙江东阳人,实验师,硕士研究生,主要从事电子和通信等方向的研究,E 2mail :yyp825@https://www.360docs.net/doc/fd209523.html,.2FS K 调制解调系统的FP GA 设计与实现

应亚萍,许建凤,陈婉君

(浙江工业大学之江学院,浙江杭州310024)

摘要:FS K (Frequency Shift Keying )———移频键控,或称数字频率调制,是数字通信中使用较早的一种调制方式.数字频率调制的基本原理是利用载波的频率变化来传递数字信息.在数字通信系统中,这种频率变化不是连续而是离散的.详细介绍了基于FP GA 的2FS K 调制解调系统的原理、设计、实现和调试,通过Quart us Ⅱ软件,在FP GA 实验板上设计了一种全数字2FS K 调制解调系统,并调试出结果.根据调试结果做出的优化设计,能够简化传统调制器的设计,缩短系统设计周期.关键词:2FS K;FP GA ;Quart us Ⅱ;HDL 中图分类号:TN914.3 文献标识码:A

文章编号:100624303(2010)0320282204

Design and implementation of 2FSK modulation 2demodulation

system based on FPGA

YIN G Ya 2ping ,XU Jian 2feng ,C H EN Wang 2jun

(Zhijiang College ,Zhejiang University of Technology ,Hangzhou 310024,China )

Abstract :FS K —Frequency Shift Keying ,or digital f requency modulation ,is an earlier modulation mode used in digital co mmunication.The basic principle of digital frequency modulation is using t he changes of carrier frequency to t ransmit digital information.In digital communication systems ,t he changes of f requency are not continuous but discrete.The paper int roduces t he principle ,design ,implementatio n ,and debug p rocess of t he 2FS K modulation 2demodulation system based on FP GA in details.U nder t he software of Quart us Ⅱ,a kind of digital 2FS K modulation 2demodulation system is designed o n t he FP GA experiemental board and t he debugged result s are achieved.The debugged result s can be used to optimize t he system design ,simplify t he design of t raditional modulator 2demodulator ,and shorten t he period of system design.K ey w ords :2FS K;FP GA ;Quart us Ⅱ;HDL

随着数字技术日益广泛的应用,以现场可编程门阵列FP GA 为代表的器件得到了广泛的应用,器件的集成度和速度都在高速增长.FP GA 既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性,又具有可编程逻辑器件的用户可编程性.它的可编程特性带来了电路设计的灵活性,在数字电路设计中发挥着越来越重

要的作用.

在通信系统中,基带数字信号在远距离传输,特别是在有限带宽的高频信道如无线或光纤信道上传输时,必须对数字信号进行载波调制.FS K 就是用数字信号去调制载波的频率,是信息传输中使用较早的一种调制方式.具有抗噪声性能好、传输距离

远、误码率低等优点[1].在中低速数据传输中,特别是在衰落信道中传输数据时,有着广泛的应用[2].针对传统用硬件实现FS K 的方法,特别是相干解调需要提取载波,设备相对复杂、成本较高的特点,研究了基于FP GA 芯片的调制解调系统.通过Quart us II 软件平台,采用硬件描述语言,提出了一种2FS K 调制解调系统的设计实现方法,重点研究非相干的过零检测解调算法的实现.

1　2FSK 调制解调原理及系统设计

1.1　2FSK 调制解调原理

2FS K 信号是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f 1时代表传0,载频为f 2时代表传1.显然,2FS K 信号完全可以看成两个分别以f 1和f 2为载频,以a n 和a n 为被传二进制序列的两种2AS K 信号的合成.

2FS K 信号的产生通常有两种方式:(1)频率选择法;(2)载波调频法.频率选择法是在二进制基带脉冲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.实现比较简单,获得了广泛应用.载波调频法是采用模拟调频电路来实现.在这里,采用的是频率选择法.

2FS K 信号的常用解调方法可采用非相干检测法和相干检测法,实现比较复杂.此外,2FS K 信号还有其他解调方法,比如鉴频法、过零检测法及差分检波法等.过零检测法的原理框图如图

1.

图1　2FS K 键控信号的过零检测法解调原理框图

Fig.1　The zero assay of 2FSK

输入的已调信号经限幅放大后成为矩形脉冲

波,再经微分电路得到双向尖脉冲,然后整流得到单向尖脉冲,每个尖脉冲表示信号的一个过零点,尖脉冲的重复频率就是信号频率的2倍.将尖脉冲去触发一个单稳态电路,产生一定宽度的矩形脉冲序列,该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比,即与输入频率信号成正比.所以经过低通滤波器输出平均量的变化反映了输入信号的变化,这样就完成了频

率—幅度变换,把码元“1”与“0”在幅度上区分开来,恢复出数字基带信号[3].1.2　2FSK 调制解调系统设计

2FS K 调制解调系统框图如图2.输入时钟通过

分频器1得到载波f 1的时钟,通过分频器2得到载波f 2的时钟,电路中设计两个载波映射表,根据时钟输入频率的不同,将A/D 正弦转换表映射成频率不同的载波f 1和f 2.设计5阶伪随机m 序列模块,用于产生基带信号.通过二选一数据选择器完成载波频率选择,生成2FS K 调制信号

.

图2　2FS K 调制解调系统图

Fig.2　The modulation and demodulation system diagram

of 2FSK

已调信号经外部DA 转换芯片DAC0832转换

为模拟信号,经信道传输,在接收端采用模数转换芯片MX7821采样,得到已调数字信号序列.

系统解调电路采用过零检测法,不同的载波对应的零点数不同,过零点数反映了载波变化的不同,也反映了信码的不同.根据过零解调原理,解调模块包括正弦波限幅整形模块、微分整流模块、脉冲展宽模块、低通滤波模块以及抽样判决模块等子模块.为使解调部分的时钟信号与调制部分同步,加入了位同步dpll 模块,控制解调部分的抽样判决时钟.

2　2FSK 调制电路的FPGA 实现

2.1　m 序列生成

在通信系统中,伪噪声序列(即PN 序列)得到了广泛的应用.最常用的PN 序列是最大长度线性码序列,又称为m 序列,是由n 级线性反馈移位寄存器产生的最大周期(2n -1)非零序列,其特点是具有周期性和伪随机性.

m 序列是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种二进制序列.线性反馈移位寄存器的一般由移位寄存器,若干模二加法器组成线性反馈逻辑网络和时钟脉冲产生器连接而成.

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382?第3期应亚萍,等:2FSK 调制解调系统的FP GA 设计与实现

系统选用m 序列的阶数为5,五阶m 序列的本原多项式为g (x )=x 5+x 2+1.序列生成器采用D 触发器和门电路组成,如图3.异或门XOR 为线性反馈电路,门电路OR5和NO T 确保状态全零时系统能自启动

.

图3　m 序列电路图

Fig.3　m sequence diagram

2.2　正弦载波信号

系统采用f 1和f 2两种不同频率正弦波,两者频率相差一倍.载波f 1和f 2通过查找A/D 映射表产生,每个正弦周期取16点采样.载波映射表由两个模块组成,分别是f1_zb.v 和f2_zb.v ,每个模块又调用下面的两个子模块rom.v 和sin16.mif ,其中rom.v 由Quart us II 开发环境的MegaWizard Plug 2In Manager 工具产生.表数据文件sin16.mif 的产生方法很多,可以在simulink 中的正弦波发生器后接示波器,然后把示波器的数据保存到workspace 中,再将数据填入用Quart us II 建立的mif 文件中.设计采用matlab 编程方法直接生成sin16.mif 文件,程序如下:

x =0:1:15;

y =ro und (1273sin (23pi 3x/16))+128;

A =[x ;y ];

fid =fopen (’C :\sin16.mif ’,’w ’);fprintf (fid ,’width =8;\r\n depth =16;\r\n ’);fp rintf (fid ,’address_radix =dec ;\r\n data_radix =dec ;\r\n ’);

fp rintf (fid ,’content begin\r\n ’);fp rintf (fid ,’%d :%d ;\r\n ’,A );fp rintf (fid ,’end ;’);fclose (fid );plot (x ,y )

plot 命令产生取值量化后的16点正弦波形.2.3　调制电路实现

调制电路的实现采用模块化设计,对系统时钟计数分频,分频器div8和div16产生频率相差一倍　

的时钟;m5模块产生五阶m 序列;mux 模块检测m5模块输出的跳变,当基带信号m 序列变化时,mux 模块根据m 序列值选择f 1或f 2频率的载波

输出,完成基带信号的调制.

3　2FSK 解调电路FPGA 实现

3.1　解调电路实现

解调电路系统接收模拟信号,经A/D 转换芯片mx7821采样得到数字信号;在zx 模块中进行限幅处理,得到方波信号;微分整流模块wf 进行边沿检测;pluse 模块负责脉冲展宽;lpf 模块为低通滤波器,得到待判决基带信号.低通滤波后的信号输入到同步模块中,提取位同步时钟信号,供给判决模块使用.最后,在同步时钟控制下进行判决得到解调后的基带信号.3.2　位同步设计解调系统中,需要对接收码元做位同步,目的是使每个码元得到最佳的解调和判决.设计利用FP 2GA 实现位同步,超前—滞后数字锁相环DPLL 的原理框图如图4所示

.

图4　位同步原理图

Fig.4　Bit synchronization schematic diagram

数字锁相环电路主要是由鉴相器、序列滤波器、可控分频器和时钟源组成,完成对输入定时信号提

取、数字滤波和定时综合.其中可控分频器模值设计为N +1,N ,N -1三种;序列滤波器受鉴相器的输出控制.鉴相器采用的是微分型导前—滞后型鉴相器.时钟源使用系统时钟.

锁相环的算法如图5所示.当提取位同步基准脉冲后,锁相环读取表示位同步脉冲可变模分频器的相位计数值,如果相位差在0～8(可调整,与锁相环参数有关)之间,则加大或减小分频器模值存储器,如果相位差为零,则为同步状态,保持原来的分频器模值大小.经过调整,可以使本地振荡器的相位与从线路码提取的位同步基准脉冲同相.

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图5　位同步锁相环算法图

Fig.5　Bit synchronization phase 2locked loop algorithm

4　2FSK 调制解调系统仿真及硬件配置

为了整体观察调制解调过程是否正确,将各调

制和解调模块组成电路,完成整个系统的电路设计.系统仿真波形图如图6.信号mo ut 为输出基带m 序列;zx 信号输出为限幅后的矩形脉冲;微分整流信号wf 检测信号的过零点,可以通过wf 信号观察

到频率的变化;p ulse 为脉冲展宽信号,输出为一定宽度的矩形脉冲序列,该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比,即与输入频率信号成正比;bsyn 为位同步定时;dout1信号为判决输出.通过仿真分析,判决输出dout1与发送基带信号mout 一致,但由于信号处理过程产生了一定的延时.

设计好的电路图进行硬件下载,验证设计的正确性.硬件实现采用天箭公司的通信系统实验箱,FP GA 芯片为EP1K30TC14423,A/D 模块为MAXIM 公司的MX7821,D/A 模块为DAC0832.管脚可通过Quart us II 软件的菜单Assignment/Assignment Editor 来配置,芯片配置可通过Quar 2t us II 软件的菜单Tools/Programmer ,在Hardware Set up 中选择ByteBlaster 配置硬件设置,在Mode

中选择Passive Serial ,选择待编程文件,进行器件编程下载.

通过FP GA 的外围引脚,可以比较mout 和do ut1一致,并将示波器观察结果与图6比较,两者

也一致.2FS K 输出符合要求,以及其他一些中间结果是正确的

.

图6　解调系统仿真图

Fig.6　The waveform of modulation and demodulation system simulation

5　结　论

调制解调系统各模块在实验室内进行了一系列

测试,包括载频、低通滤波器通频带以及A/D 采样、微分整流、脉冲展宽、抽样判决,位同步等,并通过已经实用化的数字译码设备对产生的信号进行了实际接收.结果表明,信号精度和可用性完全可以满足要求.该方案不仅体现了FP GA 编程的优越性,又便于修改和扩充其功能,获得需要的信号.具有分辨率高、频率变换快,相位可控等优点,能够较好地实现

2FS K 调制,产生2FS K 信号.根据调试结果做出的

优化设计,能够简化传统调制解调器的设计,缩短系

统设计周期.参考文献:

[1]　陈华鸿.频移键控(FSK )及其最新应用[J ].现代计算机,2009

(9):36239.

[2]　樊昌信.通信原理[M ].北京:国防工业出版社,2001.

[3]　梅灿华,张潜.基于FP GA 的键控移频调制解调器的设计与实

现[J ].安徽大学学报:自然科学版,2005,29(2):22227.

(责任编辑:刘　岩)

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