【正文】 1 １ 引言 目前 ,由于電子技術(shù)的跨越式發(fā)展 ,使得 VHDL 語言在數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起到了重要作用 ,其提供的自上而下的設(shè)計(jì)模式和易于讀取調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的歡迎 ,這提高了數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)效性。 Quartus‖是 Altera 公司開發(fā)的可以解決在 CPLD/FPGA 過程中的編輯、編譯、綜合和仿真等內(nèi)容的一款軟件，其繼承了前一代 MAX+PLUS‖的優(yōu)點(diǎn)，既支持圖形輸入又支持代碼輸入，并增添了網(wǎng)絡(luò)編輯功能，提升了系統(tǒng)的調(diào)試能力。近幾年來，信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)得到了長足的進(jìn)步，而其中，頻移鍵控方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，并且解調(diào)不需要恢復(fù)本地載波 ，其良好的抗噪聲和抗衰落性能使得廣泛應(yīng)用于中低數(shù)據(jù)傳輸，以及衰落通道和頻帶較寬的信道中。 【 1】 課題的目的及意義 目前，數(shù)字通信已經(jīng)在通信技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其良好的保密性，抗干擾性，使得其在衛(wèi)星通信，多媒體通信，光纖通信，數(shù)字電視，移動(dòng)通信，軍事通信，微波通信，視頻通信等關(guān)鍵的領(lǐng)域得到了重要的應(yīng)用。 數(shù)字調(diào)制技術(shù)是數(shù)字通信的一部分，它把基帶信號(hào)的頻譜遷移到高頻處成為適于在通道中傳輸?shù)男盘?hào)，其中頻移鍵控（ FSK）就是利用不同頻率的載波表示 0和 1 兩個(gè)電平來實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶信號(hào)的調(diào)制，而利用仿真系統(tǒng)對(duì)其調(diào)制解調(diào) 過程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)使得學(xué)習(xí)者更直觀的，形象的了解和掌握其工作過程，這樣減少了復(fù)雜框圖和公式推倒的繁瑣。因此該設(shè)計(jì)就由此應(yīng)運(yùn)而生，透過此次實(shí)驗(yàn)可以更清楚的看見頻移鍵控（ FSK）的調(diào)制解調(diào)的過程和仿真結(jié)果。 數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀 調(diào)制的目的有以下三個(gè)方面：首先，將基帶信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)囊粭l信號(hào)。其次，改善通信系統(tǒng)的抗噪聲性能。再次，即實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用。 近幾十年來，隨著通信終端，通信介質(zhì)、信號(hào)處理等技術(shù)的跨越式發(fā)展，通信信號(hào)尤其是數(shù)字信號(hào)的調(diào)制解調(diào)的技術(shù)得到了長足的進(jìn)步，對(duì)于常用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究有著十分重要的影響。信號(hào)從信源中產(chǎn)生后在未經(jīng)解調(diào)之前屬于基帶信號(hào)，基帶信號(hào)是不適合在通道中直接傳輸?shù)?，因?yàn)樗目垢蓴_性很弱，因此在信號(hào)進(jìn)入通道之前，有必要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，即用基帶信號(hào)來影響未調(diào)制的高頻載波，使得載波的參數(shù)（振幅、相位和頻率）隨著基帶信號(hào)的變化而變化，這樣被調(diào)制的信號(hào)就可以在通道中傳輸了。 【 2】 而已調(diào)信號(hào)在接收端通過進(jìn)入解調(diào)設(shè)備從而恢復(fù)原始的基帶信號(hào) ，實(shí)現(xiàn)完整的調(diào)制解調(diào)傳輸過程。在數(shù)字信號(hào)的調(diào)制過程中，我們按被影響的載波參數(shù)的性質(zhì)分可以分為振幅鍵控（ ASK），頻移鍵控（ FSK），相移鍵控（ PSK）以及差分相移鍵控（ DPSK）等。 振幅鍵控（ ASK），一般情況下采用二進(jìn)制振幅鍵控即 2ASK，其使用數(shù)字信號(hào) 0 和 1的兩個(gè)矩形脈沖與正弦載波相乘得到調(diào)制信號(hào)，其實(shí)現(xiàn)過程可以通過模擬調(diào)頻法或鍵控法實(shí) 2 現(xiàn)，當(dāng)有載波輸出時(shí)即為信號(hào)“ 1”，無載波輸出時(shí)即為信號(hào)“ 0” 。 2ASK 信號(hào)是信息傳輸中應(yīng)用較早的一種傳輸方式，但其實(shí)現(xiàn)過程太簡單導(dǎo)致信號(hào)的抗干擾能力很差；頻移鍵控（ FSK），二進(jìn)制頻移鍵控即為 2FSK，其原理是利用兩個(gè)不同頻率的正弦載波來分別代表0 和 1兩個(gè)數(shù)字信號(hào)在信道上進(jìn)行傳輸。從原理上講， 2FSK 可以通過模擬調(diào)頻法來實(shí)現(xiàn)，即用一個(gè)矩形脈沖序列對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，也可以應(yīng)用鍵控法即利用矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同頻率的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通來實(shí)現(xiàn)。 2FSK信號(hào)實(shí)現(xiàn)起來較容易，其抗噪聲性能良好，在中低速數(shù)據(jù)傳輸中起到了廣泛的作用；相移鍵控（ PSK），二進(jìn)制相移鍵控又稱 2PSK 即利用了兩種不同相位的正弦載波（通常用 0和π）來分別表示信號(hào) 0和 1，它的實(shí)現(xiàn)方式亦可以經(jīng)過鍵控 法或模擬調(diào)頻法實(shí)現(xiàn)。而差分相移鍵控（ DPSK） 是通過利用前后相鄰碼元的載波相位相對(duì)變化而傳遞數(shù)字信息 【 3】 ，即逢“ 1”則相位發(fā)生變化，逢“ 0”不變，其調(diào)制過程需要對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行碼變換通過鍵控調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。除上述四種調(diào)制方式外，還有 QAM 即正交振幅調(diào)制、 QPSK 四進(jìn)制相移鍵控， MSK 最小頻移鍵控等等。它們在移動(dòng)通信衛(wèi)星通信等方面有著重要的作用，調(diào)制手段和之前四種也有所不同，這里不一一概述。 對(duì)于解調(diào)過程，大體上也可分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)，相干解調(diào)即通過已調(diào)信號(hào)通過帶通濾波器濾除噪聲后與同頻率的本地載波相乘，再 進(jìn)入低通濾波器，最后通過抽樣判決來恢復(fù)原信號(hào)；此外還有差分相干解調(diào)，它的原理是利用對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行一個(gè)碼元間隔T 的延時(shí)后與原已調(diào)信號(hào)相乘，結(jié)果進(jìn)入低通濾波器，然后抽樣判決得到原信號(hào)。非相干檢測法一般通過對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行限幅、整流，脈沖展寬等方式恢復(fù)原始信號(hào)，其中過零檢測法可以應(yīng)用于 2FSK 信號(hào)的解調(diào)，而對(duì)于 2ASK 信號(hào)的解調(diào)也可以通過非相干解調(diào)法進(jìn)行，同步解調(diào)法應(yīng)用廣泛對(duì)于 2ASK,2FSK,2PSK 等均適用。差分相干解調(diào)一般應(yīng)用在對(duì)差分信號(hào)如 DPSK 信號(hào)的解調(diào)過程中。 本文的結(jié)構(gòu)及主要工作 第一章主要 針對(duì) VHDL 語言及 Quartus‖平臺(tái)仿真進(jìn)行介紹，以及對(duì)本課題的目的、意義以及對(duì)于數(shù)字調(diào)制技術(shù)的目前發(fā)展和種類進(jìn)行一些介紹。 第二章主要是對(duì) 2FSK 信號(hào)的調(diào)制解調(diào)的基本原理進(jìn)行總結(jié)和介紹，以及介紹了幾種調(diào)制方法和在 FPGA 仿真下的 2FSK的調(diào)制解調(diào)的原理圖。 第三章為本文的主體，其對(duì) 2FSK 信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過程用 VHDL 語言進(jìn)行了描述，并在Quartus‖下進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。 第四章對(duì)全文進(jìn)行全面的總結(jié)。 3 2 2FSK 調(diào)制和解調(diào)技術(shù)的基本原理 二進(jìn)制頻移鍵控（ 2FSK）是由兩種不同頻率的正弦波來分別表示數(shù)字信號(hào) 0 和 1，即通過頻率的變化來傳遞信息。它的典型的調(diào)制方式有：鍵控法，直接調(diào)頻法，差分檢波算法。在接收端， 2FSK 信號(hào)的解調(diào)方法也有多種，其中同步解調(diào)和包絡(luò)檢波法較為常見，此外還有鑒頻法，過零檢測法等等。 2FSK調(diào)制技術(shù) 基本原理 在 2FSK信號(hào)中，載波頻率隨著 f1 和 f2 兩個(gè)不同的頻率間的變化因此其表達(dá)式為 ??? ??? ”當(dāng)基帶信號(hào)為“ ”當(dāng)基帶信號(hào)為“ 0)(c os 1)c os ()(212 ?? ?? tA tAte F SK (21) 即從表達(dá)式可以看出，一個(gè) 2FSK 可以寫成兩個(gè)不同載頻的 2ASK 信號(hào)的疊加，由此可以看出 2FSK 的時(shí)域表達(dá)式可以寫為 )c os ()()c os ()()( 212 nn snnn snF SK tnTtgatnTtgate ???? ??????? ????????? ?? ?? (22) 式中： g(t)為單個(gè)矩形脈沖，寬度等于 Ts ??? ?? ppa n 101 概率為概率為 (23) an 是 an 的反碼 其中， β 和 θ不攜帶任何信息，通?？闪钸@兩個(gè)變量為零 ,其波形圖 如圖 21所示： t t t 典型波形： (a) 2FSK 信號(hào)： （ b） s1(t)cosω1t (c)s2(t)cosω2t 圖 21 一種 2FSK 波形示意圖 4 直接調(diào)頻法 直接調(diào)頻法即用數(shù)字基帶信號(hào)直接控制在品振蕩器的振蕩頻率。其實(shí)現(xiàn)方法有多種，一般采用的方法是：當(dāng)基帶信號(hào)輸入為“ 1”時(shí)，更改振蕩器諧振回路的參數(shù)，使得振蕩器的振蕩頻率提高；當(dāng)基帶信號(hào)的輸入為“ 0”時(shí)，改變振蕩器諧振回路的參數(shù)，使得振蕩器的振蕩頻率降低；，從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻，這種方法產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)時(shí)相位是連續(xù)的。方法雖然比較簡單，但是頻率穩(wěn)定度并不高，同時(shí)頻率轉(zhuǎn)換速度不能夠太快。 2FSK 信號(hào)是由兩個(gè)不同頻率的正弦波來表示，因此我們可以通過調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩器的振蕩頻率 使其不失真地反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律 ，因此用一個(gè) 矩形脈沖序列對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻即可實(shí)現(xiàn)。 【 4】 直接 調(diào)頻法原理如圖 22所示， S（ t）為輸入基帶信號(hào)， e o（ t）為輸出波形。 圖 22 2FSK 信號(hào)的模擬調(diào)頻法框圖 頻率鍵控法 2FSK 信號(hào)的調(diào)制可以通過頻率鍵控法實(shí)現(xiàn)，其原理是在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通，時(shí)期在每一個(gè)碼元 T間輸出 f1 或 f2兩個(gè)載波之一。與模擬調(diào)頻電路方法相比，其產(chǎn)生的 2FSK信號(hào)的相位不一定是連續(xù)變化的，因?yàn)槠潆娮娱_關(guān)在兩個(gè)獨(dú)立的頻率源之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。頻率鍵控法產(chǎn)生的 2FSK 信號(hào)的穩(wěn)定度可以做的很高并且沒有過度頻率，其轉(zhuǎn)換速度快、穩(wěn)定性好。頻率鍵控發(fā)在轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)生轉(zhuǎn)換的瞬間，兩個(gè)高頻振蕩器的輸出電壓通常不可能相等，因此相位不一定連續(xù)。圖 23顯示了鍵控法的基本原理。 圖 23 2FSK 信號(hào)的鍵控法原理圖 振蕩器 1 f1 振蕩器 2 f2 反相器 選通開關(guān) 選通開關(guān) 相加器 基帶信號(hào) 基帶信號(hào) e2FSK(t) e2FSK(t) S（ t） VCO 壓控振蕩器 e o（ t） 5 2FSK解調(diào)技術(shù) 相干解調(diào)法 相干解調(diào)法是將已調(diào)信號(hào)通過與其相同頻率的本地載波相乘后再經(jīng)過低通濾波器恢復(fù)原信號(hào)， 2FSK 信號(hào)的同步檢測法是將已調(diào)信號(hào)分為兩路，兩路信號(hào)分別經(jīng)過兩路不同頻率的帶通濾波器，然后分別與兩路不同的頻率的載波信號(hào)相乘，其中 f1 對(duì)應(yīng)“ 1”信號(hào)頻率； f2 對(duì)應(yīng)“ 0”信號(hào)的頻率，在解調(diào)器中，中心頻率為 f1 的帶通濾波器只允許中心頻率為 f1 的信號(hào)通過，而濾除中心頻率為 f2 的頻率的信號(hào)；同時(shí)，中心頻率為 f2 的帶通濾波器只允許中心頻率為 f2 的信號(hào)通過，而濾除中心頻率為 f1 的頻率的信號(hào)通過。 【 5】 圖 24顯示了 2FSK 信號(hào)的同步解調(diào)過程圖。 圖 24 2FSK 的同步解調(diào)過程圖 非相干解調(diào)法 非相干解調(diào)法即利用包絡(luò)檢波器從已調(diào)信號(hào)的波形的幅度中提取調(diào)制信號(hào)，我們說過，2FSK可以看做頻率不同的兩個(gè) 2ASK信號(hào)的疊加而成，對(duì)于 2ASK信號(hào)可以使用包絡(luò)檢波法，因此 2FSK 亦適用于這種非相干解調(diào)的方式，下面的圖 25 顯示了非相干解調(diào)的基本解調(diào)過程。 輸 入 帶通濾波器 1ω 1 帶通濾波器 2ω 2 相乘器 相乘器 cosω 1t cosω 2t 低通濾波器 低通濾波器 抽樣判決器 定時(shí)脈沖 輸 出 6 圖 25 2FSK 非相干解調(diào)原理圖 過零檢測法 過零檢測法是基于 2FSK 信號(hào)的過零點(diǎn)隨著不同頻率而異，通過檢測過零點(diǎn)數(shù)目的多少從而區(qū)分兩個(gè)不同頻率的型號(hào)碼元。在圖 26中， 2FSK信號(hào)經(jīng)過限幅、微分、整流后形成于頻率變化相對(duì)應(yīng)的脈沖序列，這些脈沖的密集度形象的反映了信號(hào)的頻率高低，而尖脈沖的個(gè)數(shù)就是信號(hào)的過零點(diǎn)個(gè)數(shù)了。在脈沖展寬的階段，脈沖被展寬成矩形脈沖，這樣就擴(kuò)大了它的直流分量，然后經(jīng)過低通濾波器濾除其直流分量，這 樣就完成了頻率 幅度的變換過程，最后由直流分量幅度上的區(qū)別來還原出數(shù)字信號(hào)“ 0”和“ 1”。 圖 26 2FSK 的過零檢測法原理圖 限幅 微分 整流 脈沖展寬 低通濾波器 輸入 輸出 帶通濾波器 1 ω 1 帶通濾波器 2 ω 2 輸 入 包絡(luò)檢波器 1 包絡(luò)檢波器 2 抽樣判決器 定時(shí)脈沖 輸 出 7 3 基于 VHDL 的 2FSK 信號(hào)的調(diào)制和解調(diào) 2FSK信號(hào)的調(diào)制過程 基于 VHDL 語言的 2FSK 信號(hào)的調(diào)制過程 2FSK 信號(hào)是由兩種不同頻率的信號(hào)來表示“ 0”和“ 1”，因此這兩種頻率的信號(hào)我們可以通過對(duì)時(shí)鐘信號(hào)頻率進(jìn)行分頻來實(shí)現(xiàn)之后再通過設(shè)計(jì)一個(gè)二選一的選通開關(guān)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行選通，因此得出調(diào)制信號(hào)。 圖 31顯示了在 VHDL語言下對(duì)于 2FSK 信號(hào)的調(diào)制的整個(gè)過程。圖 32畫出了其建模的基本原理。 圖 31 2FSK 調(diào)制方框圖 圖 32 2FSK 調(diào)制電路的 VHDL 建模符號(hào) 整個(gè)設(shè)計(jì)使用 VHDL 語言編寫，以 EPF10K10LC844為下載的目標(biāo)芯片，在 QuartusⅡ軟件平臺(tái)上進(jìn)行布局布線后進(jìn)行波形仿真，其中 clk為輸入主時(shí)鐘信號(hào)； start 為起始信號(hào)，當(dāng) start 為“ 1”的時(shí)候，開始解調(diào)； q1 為載波信號(hào) f1 的分頻計(jì)數(shù)器， q2 為載波信號(hào) f2 clk start y x PPPL_FSK clk start y x clk start 基帶信號(hào) 分頻器 1 分頻器 2 載波 f1 載波 f2 二選一 選通開關(guān) 調(diào)制信號(hào) FPGA 8 的分頻計(jì)數(shù)器： f f2 為載波信號(hào)； x