一种基于2FSK的调制解调系统设计

摘 要

本文根据2FSK调制解调的工作原理，提出了一种基于FPGA 芯片的2fsk调制解调器的设计方法。该方法采用频率选择法实现调制器设计，非相干解调法实现解调器设计。同时利用VHDL语言在Xilinx公司的Spartan-6系列芯片上进行实现。经过实际工程验证，该方法满足系统要求，具有较高的通用性和可靠性。

【关键词】2FSK 频移键控 调制 解调 系统

1 引言

FSK频移键控（FSK-Frequency Shift Keying）是一种用数字信号去调制载波频率的调制方式，是信息传输中使用较早的一种调制方式，具有实现方法简单，并且解调不须恢复本地载波、可以异步传输、抗噪声和抗衰落性能强等特点。在中低速数据传输，特别是在衰落信道数据传输中，有着广泛的应用。

针对传统用硬件实现2FSK调制解调的方法，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，本文重点研究了基于FPGA 芯片的非相干调制解调系统。通过ISE软件平台，进行硬件描述语言的设计，提出了一种2FSK调制解调系统的设计及实现方法。

2 2FSK数字调制解调原理

2FSK 也称为二进制频移键控。二进制频移键控信号码元的“1”和“0”分别用两个不同频率的正弦波来传送，其振幅和初始相位不变。可表示为。

上式中假设码元的初始相位分别θ1和θ2；ω1=2πf1和ω2=2πf2为两个不同频率码元的角频率。

2FSK信号的产生有两种方式：

（1）频率选择法；

（2） 载波调频法。

频率选择法是用基带脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行开关选通。载波调频法采用调频电路来实现，将码元调制到不同的载波频率上，使其输出不同频率的码元信号。这两种方法产生的 2FSK 信号的波形基本相同，但由调频器产生的 2FSK 信号在相位上是连续的，而频率选择法产生的2FSK 信号，由于分别由两个独立的频率源产生两个不同频率的信号，因此相邻码元的相位不连续。

2 FSK信号的解调方法有相干解调、非相干解调两种方法

相干解调通过将两路信号与本地相干载波相乘后，经低通滤波器进行抽样判决，比较两路信号包络的大小，进行解调。相干解调中的相干载波必须从接收信号中提取，并且和信号码元同频同相。非相干解调中应用较多的是包络检波法，用两个窄带滤波器滤除无用信号，保留有用信号后，经包络检测后分别取出包络信息，再⒘铰肥涑鐾时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号，本系统采用非相干解调的方法。

3 2FSK数字调制信号产生

本文采用FPGA芯片进行2FSK数字化设计，系统时钟在FPGA内部经分频器后得到频率产生器1、频率产生器2的工作时钟，生成两个频率为f1、f2的正弦载波频率信号。根据输入的二进制串行数据，通过选通开关，完成对f1、f2两个载波频率的选择，生成2FSK调制信号，经过D/A芯片转换后，经信道将信号发送。

2FSK 数字信号发生器的原理框图如图1 所示，整个系统共分为时钟产生模块、频率产生模块、选通开关模块及D/A模数变换器等4 部分， 其中前3 个部分均在FPGA 器件内部设计生成。

本文利用FPGA芯片进行数字DDS[3-5]设计，直接用数字频率合成方式产生频率、相位和幅度可控的2FSK调制所需的两种数字载波频率信号。DDS主要由相位累加器、相位调制器、正弦查找表构成。

本设计中选择调制中频频率为70MHz，系统时钟设置为200MHz，设置两个输入频率字分别为70.1 MHz和69.9 MHz，通过DDS模块可产生以上两个频率的数字信号。

选通开关根据数字基带码元信号选择输出频率信号，当选通开关接收到码元“0”时，输出频率为70.1 MHz的正弦波；当选通开关接收到码元“1”时，输出频率为69.9 MHz的正弦波。

4 2FSK非相干解调

在本设计中，2FSK信号经过收信机模拟放大和变频后，形成一个幅度稳定的中频信号，经过A/D变换器直接对中频信号进行采样，采样后在FPGA芯片内完成2FSK信号的非相干数字解调。

2FSK非相干数字解调器由数字下变频器、包络检波器、定时恢复单元等组成，工作原理框图如图2所示。

本设计中首先将70M中频模拟信号进行A/ D 变换，转换为数字信号后，在数字域上采用FPGA 来实现2FSK信号的解调处理。数字化的中频信号通过与本地载波信号的正交下变频变换，将两路数字信号变换到零频，再通过信号的包络检测，比较每个频点的能量值就可以恢复出原始码元信息。

由于解调系统的系统时钟为50MHz，故设置两个本地载波信号的频率分别为20.1MHz和19.9MHz。输入的70MHz中频信号通过分路器分为I、Q两路信号，分别与本地载波信号混频到零频，经过低通滤波滤除倍频项和带外噪声后，分别对I、Q 两支路进行平方相加，计算每一个支路能量，在比特定时脉冲的控制下，比较两路信号能量值即可恢复出基带信息。

5 结语

本文中2FSK调制解调模块均进行了系统仿真和测试，并采用VHDL 语言在Xilinx公司的Spartan-6系列芯片上进行了工程化实现，并进行了实际测试，结果表明，信号频率精度、调制谱指标及解调指标完全满足设备指标要求。

参考文献

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作者单位

中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北石家庄 050081