基于FPGA的全數字FSK調制解調器設計

1 系統整體結構框圖

本文設計的FSK調制解調器采用了ALTERA公司的EP1C3T144C8芯片，系統主時鐘頻率為20 MHz(芯片外部有源晶振)，“0”，“1”數字信號由偽隨機信號(m序列)發生器產生。為完成FSK調制器和解調器的發送與接收，由FPGA芯片完成的系統整體邏輯功能框圖如圖1所示。

2 系統的具體設計與實現

2.1 偽隨機序列的產生

最大長度線性移位寄存器序列(m序列)是數字通信中非常重要的、應用十分廣泛的一種偽隨機序列。由于他具有隨機性、規律性及較好的自相關性和互相關性，而且要求設備簡單，易于實現，成本低的特點，本系統采用m序列作為數字基帶信號進行程序調試。

m序列是由帶線性反饋的移位寄存器產生的周期最長的一種二進制序列。線性反饋移位寄存器的一般結構如圖2所示。他是由n級移位寄存器，若干模二加法器組成線性反饋邏輯網絡和時鐘脈沖產生器連接而成。

由于帶有反饋，因此在移位脈沖作用下，移位寄存器各級的狀態將不斷變化，通常將移位寄存器的最后一級作為輸出，由此所產生的輸出序列為：{ak}=a0a1…ak-1。

輸出序列是一個周期序列，其特性由移位寄存器的級數、初始狀態、反饋邏輯及時鐘頻率(決定著輸出碼元的寬度)所決定。

當移位奇存器的級數及時鐘一定時，輸出序列就由移位寄存器的初始狀態及反饋邏輯完全確定；當初始狀態為全零狀態時，移位寄存器輸出全0列。因此初始狀態不能為全零狀態。

本系統選用m序列的級數為n=7，序列長度為m=27-1=127，若選用的反饋系數的八進制數值為235，轉換成二進制數值為10011101，即c0=c2=c3=c4=c7=1，c1=c5=c6=0。仿真波形如圖3所示。

2.2 FSK調制

本系統是利用2個獨立的分頻器來改變輸出載波頻率，以數字鍵控法來實現FSK捌制。

數字鍵控法也稱為頻率選擇法，他有2個獨立的振蕩器，數字基帶信號控制轉換開關，選擇不同頻率的高頻振蕩信號實現FSK調制。鍵控法產生的FSK信號頻率穩定度可以做到很高并且沒有過渡頻率，他的轉換速度快，波形好，頻率鍵控法在轉換開天發生轉換的瞬剛，2個高頻振蕩的輸出電壓通常不相等，于是已調信號在基帶信息變換時電壓會發生跳變，這種現象稱為相位不連續，這是頻率鍵控特有的情況。

本文設計的FSK調制系統方框圖如圖4所示。

2.3 FSK解調

過零檢測法與其他解調方法相比較，最明顯的特點就是結構簡單，易于實現，對增益起伏不敏感，特別適用于數字化實現。他是一種經濟、實用的最佳數字解調方法。其方框圖如圖5所示。他利用信號波形在單位時間內與零電平軸交義的次數來測定信號頻率。輸入的已調信號經限幅放大后成為矩形脈沖波，再經微分電路得到l圾向尖脈沖，然后整流得到單向尖脈沖，每個尖脈沖表示信號的一個過零點，尖脈沖的重復頻率就是信號頻率的2倍。將尖脈沖去觸發一單穩態電路，產生一定寬度的矩形脈沖序列，該序列的平均分量與脈沖重復頻率成正比，即與輸入頻率信號成正比。所以經過低通濾波器輸出平均量的變化反映了輸入信號的變化，這樣就完成了頻率-幅度變換，把碼元“1”與“0”在幅度上區分開來，恢復出數字基帶信號。

本文設計的FSK解調方框圖如圖6所示。

3 系統仿真與實驗結果分析

整個設計使用VHDL編寫，以EP1C3T144CS為下載的目標芯片，在Quartus II軟件平臺上進行布局布線后進行波形仿真，可得到如圖7所示的波形圖。其中：clk為輸入主時鐘信號；en為置位信號；clks為clk經過200分頻器的輸出信號；ps7為時鐘源經過n=7的偽隨機發生器產生的偽隨機(m序列)信號；fsk為ps7經過FSK調制器后的已調信號；q為fsk經過FSK解調器后的解調信號。

在實際硬件電路上進行測試，用示波器觀察各個模塊的工作過程，得到如圖8和圖9所示的波形圖。

其中，圈8中Ch1為已調信號，Ch2為數字基帶信號。圖9中Ch1為數字基帶信號，Ch2為解調信號。

由上面的軟件和硬件的測試結果可知：

(1)本系統的FSK調制解調器功能已經實觀，結果正確無誤，經驗證滿足預期的設計指標要求，且其整個工作過程可通過軟件波形仿真，或是實際硬件電路通過示波器來直觀、清晰觀察。

(2)傳統的調制解調方式可以采用軟件與硬件結合的方式來實現，符合未來通信技術發展的方向。

4 結 語

傳統的FSK調制解調方式都是采用硬件電路實現，電路復雜、調試不便。文中采用硬件描述語占設計的基于FPGA調制解調器，設計靈活、修改方便，有效地縮小了系統的體積，增加了可靠性，同時系統采用VHDL語言進行設計，具有良好的可移植性及產品升級的系統性。