基于FPGA的MFSK調(diào)制電路設(shè)計(jì)與仿真

摘要：數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)在數(shù)字通信中占有非常重要的地位，數(shù)字通信技術(shù)與FPGA的結(jié)合是現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢。文中介紹了MFSK調(diào)制解調(diào)的原理，并基于FPGA實(shí)現(xiàn)了MFSK調(diào)制電路,仿真結(jié)果表明了該設(shè)計(jì)的正確性。
關(guān)鍵詞：MFSK；FPGA；調(diào)制;解調(diào)

數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)．頻帶傳輸系統(tǒng)也叫數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)制信號(hào)又稱為鍵控信號(hào)，數(shù)字調(diào)制過程中處理的是數(shù)字信號(hào)，而載波有振幅、頻率和相位3個(gè)變量，且二進(jìn)制的信號(hào)只有高低電平兩個(gè)邏輯量1和0，所以調(diào)制的過程可用鍵控的方法由基帶信號(hào)對(duì)載頻信號(hào)的振幅、頻率及相位進(jìn)行調(diào)制，最基本的方法有3種：正交幅度調(diào)制(QAM)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)．根據(jù)所處理的基帶信號(hào)的進(jìn)制不同分為二進(jìn)制和多進(jìn)制調(diào)制(M 進(jìn)制)．多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與二進(jìn)制相比，其頻譜利用率更高。本文研究了基于FPGA的MFSK(多頻鍵控)調(diào)制電路的實(shí)現(xiàn)方法，并給出了MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結(jié)果。

1 MFSK簡介

MFSK系統(tǒng)是2FSK(二頻鍵控)系統(tǒng)的推廣,該系統(tǒng)有M個(gè)不同的載波頻率可供選擇，每一個(gè)載波頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)M進(jìn)制碼元信息，即用多個(gè)頻率不同的正弦波分別代表不同的數(shù)字信號(hào)，在某一碼元時(shí)間內(nèi)只發(fā)送其中一個(gè)頻率。MFSK信號(hào)可表示為：

為載波角頻率，通常采用相位不連續(xù)的振蕩頻率，這樣便于利用合成器來提供穩(wěn)定的信號(hào)頻率。圖1 為MFSK系統(tǒng)的原理框圖。在發(fā)送端，輸入的二進(jìn)制碼元經(jīng)過邏輯電路和串/并變換電路轉(zhuǎn)換為M進(jìn)制碼元，每k位二進(jìn)制碼分為一組，用來選擇不同的發(fā)送頻率。在接收端，當(dāng)某一載波頻率到來時(shí)，只有相應(yīng)頻率的帶通濾波器能收到信號(hào)，其它帶通濾波器輸出的都是噪聲。抽樣判決器的任務(wù)就是在某一時(shí)刻比較所有包絡(luò)檢波器的輸出電壓，通過選擇最大值來進(jìn)行判決。將最大值輸出就得到一個(gè)M進(jìn)制碼元，然后，再經(jīng)過邏輯電路轉(zhuǎn)換成k位二進(jìn)制并行碼，再經(jīng)過并/串變換電路轉(zhuǎn)換成串行二進(jìn)制碼，從而完成解調(diào)過程。

圖1 MFSK系統(tǒng)原理框圖

2 MFSK調(diào)制電路的FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 基于FPGA的MFSK調(diào)制電路方框圖

調(diào)制電路方框圖如圖2所示。基帶信號(hào)通過串/并轉(zhuǎn)換得到2位并行信號(hào)；四選一開關(guān)根據(jù)兩位并行信號(hào)選擇相應(yīng)的載波輸出（例中M取4）。

圖2 MFSK調(diào)制電路方框圖

2.2 MFSK調(diào)制電路VHDL程序

調(diào)制電路VHDL關(guān)鍵代碼如下：

entity MFSK is

port(clk :in std_logic; --系統(tǒng)時(shí)鐘

start :in std_logic; --開始調(diào)制信號(hào)

x :in std_logic; --基帶信號(hào)

y :out std_logic); --調(diào)制信號(hào)

end MFSK;

architecture behav of MFSK is

signal q :integer range 0 to 15; --計(jì)數(shù)器

signal f :std_logic_vector(3 downto 0); --分頻器

signal xx:std_logic_vector(1 downto 0); --寄存輸入信號(hào)x的2位寄存器

signal yy:std_logic_vector(1 downto 0); --寄存xx信號(hào)的寄存器

begin

process(clk) --此進(jìn)程過對(duì)clk進(jìn)行分頻，得到4種載波信號(hào)f3、f2、 f1、f0。

begin

if clk'event and clk='1' then

if start='0' then f="0000";

elsif f="1111" then f="0000";

else f=f+1;

end if;

end if;

end process;

process(clk) --對(duì)輸入的基帶信號(hào)x進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，得到2位并行信號(hào)的yy

begin

if clk'event and clk='1' then

if start='0' then q=0;

elsif q=0 then q=1;xx(1)=x;yy=xx;

elsif q=8 then q=9;xx(0)=x;

else q=q+1;

end if;

end if;

end process;

process(clk,yy) --此進(jìn)程完成對(duì)輸入基帶信號(hào)x的MFSK調(diào)制

begin

if clk'event and clk='1' then

if start='0' then y='0'; -- if語句完成2位碼并行碼到4種載波的選通

elsif yy="00" then y=not f(3);

elsif yy="01" then y=not f(2);

elsif yy="10" then y=not f(1);

else y=not f(0);

end if;

end if;

end process;

end behav;

2.3 仿真結(jié)果

MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 MFSK調(diào)制程序仿真結(jié)果

注：中間信號(hào)yy與輸出調(diào)制信號(hào)y的對(duì)應(yīng)關(guān)系：“00”=f3；“01”=f2；“10”=f1；“11”=f0。

3 結(jié)束語

多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制技術(shù)與FPGA的結(jié)合使得通信系統(tǒng)的性能得到了迅速的提高。本文基于FPGA實(shí)現(xiàn)了MFSK調(diào)制電路部分，限于篇幅，沒有對(duì)解調(diào)部分的電路進(jìn)行討論。在實(shí)際應(yīng)用中，完全可以把調(diào)制部分和解調(diào)部分電路都集成到一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)，這樣即提高了FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的利用率，又可以降低系統(tǒng)的成本。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 董在望.通信電路原理[M].北京：高等教育出版社,2002