以FPGA為核心的數(shù)字通信信號2FSK的調(diào)制解調(diào)技術(shù)及其實現(xiàn)方案詳解

隨著通信理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代通信系統(tǒng)中常用的是數(shù)字調(diào)制技術(shù)，數(shù)字信號的調(diào)制、解調(diào)和識別是高科技術(shù)的發(fā)展趨勢。調(diào)制解調(diào)技術(shù)是現(xiàn)代通信中一項關(guān)鍵的技術(shù)，解調(diào)效果的好壞更是直接關(guān)系著通信系統(tǒng)的性能。而數(shù)字解調(diào)技術(shù)的關(guān)鍵在于瞬時幅度，瞬時頻率和瞬時相位參數(shù)的準確估計。

調(diào)制的目的是使信號波形適合于在信道中傳輸，調(diào)制可以分為基帶調(diào)制和載波調(diào)制兩類?；鶐д{(diào)制直接采用低通信號傳遞信息，這種技術(shù)通常用于銅線、光纖等一些無載波的傳輸方式。載波調(diào)制也稱為頻帶調(diào)制，是將要發(fā)送的信息加載到載波上進行傳輸，即采用帶通信號傳輸信息，通過調(diào)制實現(xiàn)信號頻譜的搬移。載波調(diào)制也就是通常所說的調(diào)制，在現(xiàn)代通信中也主要涉及載波調(diào)制技術(shù)。

通信信號的調(diào)制解調(diào)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，各項技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，文中主要研究了數(shù)字通信信號2FSK的調(diào)制解調(diào)技術(shù)及其實現(xiàn)。

1 2FSK信號的調(diào)制及產(chǎn)生

1．1 2FSK信號的調(diào)制及產(chǎn)生

設(shè)信息源發(fā)出的是由二進制符號0，1組成的序列，且假定1符號出現(xiàn)的概率為P，0符號出現(xiàn)概率為1-P，它們彼此獨立。那么，一個二進制的頻移鍵控信號可以表示成載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻點間變化。故其表達式為

由于2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加，因此2FSK信號的時域表達式又可以寫成

在頻移鍵控中，初始相位φn和θn不攜帶信息，通?？梢粤钇錇榱恪Ｒ虼?FSK信號的表達式可以簡化為

通常二進制頻移鍵控信號的產(chǎn)生方法有兩種。一種可以采用模擬調(diào)頻電路來實現(xiàn)；另一種可以采用鍵控法來實現(xiàn)。圖1是2FSK信號的時間波形及鍵控法產(chǎn)生2FSK信號的原理圖。

1．2 2FSK信號的調(diào)制

一般2FSK信號的調(diào)制方法比較簡單，通常情況下是用一個隨機的1、0脈沖信號分別與一個載波相乘即可得到調(diào)制后的2FSK信號，如圖1（b）所示。

2 2FSK信號的解調(diào)

2FSK信號有兩種解調(diào)方法：非相干解調(diào)及相干解調(diào)。相應(yīng)的接收系統(tǒng)方框圖如圖2所示。本次設(shè)計采用的是非相干解調(diào)方式。

由于本次實驗接收的是500 kHz和700 kHz的2FSK信號，所以首先要經(jīng)過濾波以得到兩路不同載頻的信號。濾波器系數(shù)由Matlab軟件仿真得出。

帶通濾波器設(shè)計成一個24階的，對于500 kHz信號濾波器的過渡帶頻率分別為250～485 kHz與515～690 kHz，目的是將500 kHz的信號過濾出來，其幅度響應(yīng)如圖3（a）所示，對于700 kHz信號，濾波器的過渡帶頻率分別為520～690 kHz與710～880 kHz，目的是將700 kHz的信號過濾出來，其幅度響應(yīng)如圖3（b）所示。

通過SignalTapII在線仿真，經(jīng)過濾波后的兩路信號波形如圖4（a）所示，信號經(jīng)過濾波后，下一步要對兩路信號分別取絕對值，仿真波形如圖4（b）如圖，取絕對值后的信號再經(jīng)過低通濾波后，進行判決，仿真波形如圖4（c）所示。

整個解調(diào)過程分別由各自的模塊組成，具體設(shè)計如圖5所示。

3 2FSK信號的功率譜分析

對相位不連續(xù)的2FSK信號，可以看成由兩個不同載頻的2ASK信號的疊加。下面給出2FSK信號的功率譜表達式

由式（6）畫出的典型的2FSK信號的功率譜如圖6所示。

由圖可以看出，2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。其中，連續(xù)譜由兩個中心位于f1和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個載頻f1和f2處；連續(xù)譜的形狀隨著兩個載頻之差的大小而變化，若|f1-f2|fs，則出現(xiàn)雙峰；若以功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算2FSK信號的帶寬，則其帶寬近似為

B2FSK≈|f2-f1|+2fs （7）

其中，fs=1／Ts為基帶信號的帶寬。圖中的fc為兩個載頻的中心頻率。

4 結(jié)束語

文中詳細介紹了2FSK數(shù)字通信信號的調(diào)制解調(diào)原理，并基于FPGA進行了調(diào)制與解調(diào)的過程設(shè)計，各部分主要用模塊搭建，濾波器用Matlab設(shè)計系數(shù)并用VHDL語言編寫實現(xiàn)。經(jīng)在線仿真驗證，有不錯的解調(diào)效果。