基于VHDL的2FSK調(diào)制與解調(diào)

1、基于VHDL的2FSK調(diào)制與解調(diào)基于VHDL的2FSK調(diào)制與解調(diào)第一章概述i.i引言FSK信號可利用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調(diào)頻而獲得, 這正是頻率鍵控通信方式早期采用的實現(xiàn)方法，也是利用模擬調(diào)頻法 實現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻的方法.FSK信號的另一方法是采用鍵控法，即利用受 矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的獨立頻率進行選通二 進制FSK信號的常用解調(diào)方法是采用非相干檢測法和相干檢測法。矚 慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。1.2 FSK簡介FSK是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，它的主要優(yōu)點是：實現(xiàn)起來 較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。聞創(chuàng)溝燴鐺險愛氌譴凈。1.3

2、FSK的發(fā)展FSK是載波頻率隨數(shù)字信號變化的一種調(diào)制方式，近十年來，數(shù)字移動通信新系統(tǒng)的開發(fā)取得了巨大進展，要求傳輸數(shù)字化的信令，又傳數(shù)字化的信息，因 而系統(tǒng)必須采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)，然而一般的數(shù)字調(diào)制技術(shù)：如移相鍵控PSK頻移鍵控FSK因傳輸效率低而無法滿足移動通信的要求：為此；需要專門研究 一些抗干擾性能強、誤碼性能好、頻譜利用率高的調(diào)制技術(shù)，盡可能地提高單位 頻帶內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的比特率。適應(yīng)移動通信的要求；目前已發(fā)展為：正交相移鍵控 QPSK正交調(diào)幅QAM最小移頻鍵控MSK高斯最小移頻鍵控 GMS等。殘騖樓諍錈 瀨濟溆塹籟。第二章總體設(shè)計方案2.1 實驗原理所謂FSK就是用數(shù)字信號去調(diào)制載波的頻

3、率。本實驗中，二進制的基帶信號 是用正負電平來表示的。“ 1”碼對應(yīng)于載波頻率F1, “0”對應(yīng)于F2。使其輸出 頻率為f1和f2相間的正弦波行。釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。FSK信號的解調(diào)分為相干解調(diào)法和非相干解調(diào)法。非相干解調(diào)分為鑒頻法 ， 過零檢波法，微分法等（本實驗采用相干方式）類型：二進制移頻鍵控 （2FSK）， 多進制移頻鍵控（MFSK）彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。相位不連續(xù)的FSK信號可以看作是兩個不同載波頻率的 ASK以調(diào)信號的疊加 因此其功率譜是兩個ASK信號功率之和當基帶信號不含直流分量時，其帶寬為BFs=|f2-f1|+2fs。謀養(yǎng)摶篋飆鐸懟類蔣薔。2.2 FSK調(diào)制器的工作原理FS

4、K調(diào)制功能框圖如圖,F眩圖2.1 FSK調(diào)制功能框圖首先由晶振電路產(chǎn)生正弦波信號，然后在經(jīng)過分頻器后再分別通過兩個帶 通濾波器,產(chǎn)生fl和f2兩個載頻.用 1 0碼和巴可碼來控制模擬開關(guān)的數(shù)字基帶信號，其中：巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的二進制碼組。它是一個非周期 序列，一個n位的巴克碼X1, X2, X3, Xn。，每個碼元只可能取值十1或 一 1,它的局部自相關(guān)函數(shù)為:廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。n - jR(j)=Z xixi+j=*j =1n當 j = 0、0,+ 1,- 1 當j n，0當j啟n表中“ + ”表示Xi取值為十I ,“一”表示Xi取值為一 I，以七位巴克碼組+-+-為例，求出它的

5、自相關(guān)函數(shù)如下：同樣可以求出 j二2, 3, 4, 5, 6, 7時R(j)的值分別為一I , 0, I , 0, I , Q另外，再求出j為負值的自相關(guān) 函數(shù)，兩者一起畫出的七位巴克碼的 R(j)與j的關(guān)系曲線如圖2.4所示。由圖 可見，自相關(guān)函數(shù)在j = 0時具有尖銳的峰值。 煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。圖2.4巴克碼的自相關(guān)函數(shù)產(chǎn)生巴克碼的方法常用移位寄存器，七位巴克碼產(chǎn)生器如圖2.5 :轉(zhuǎn)恒方向men(1)圖2.5巴克碼產(chǎn)生器圖2.5(a)是串行式產(chǎn)生器，移位寄存器的長度等于巴克碼組的長度。七位巴克碼由七級移位寄存器單元組成，各寄存器單元的初始狀態(tài)由預(yù)置線預(yù)置成巴克 碼組相應(yīng)的數(shù)字。七位巴克

6、碼的二進制數(shù)為IIIOOIO ，移位寄存器的輸出端反饋 至輸入端的第一級，因此，七位巴克碼輸出后，寄存器各單元均保持原預(yù)置狀態(tài)。 移位寄存器的級數(shù)等于巴克碼的位數(shù)。另一種是采用反饋式產(chǎn)生器，同樣也可以產(chǎn)生七位巴克碼，如圖2.5(b)所示，這種方法也叫邏輯綜合法，此結(jié)構(gòu)節(jié)省部件。巴克碼的識別仍以七位巴克碼為例， 用七級移位寄存器、相加器和判決器 就可以組成一個巴克碼識別器，如圖2.6所示，各移位寄存器輸出端的接法和巴 克碼的規(guī)律一致，即與巴克碼產(chǎn)生器的預(yù)置狀態(tài)相同。鵝婭盡損鶴慘歷蘢鴛賴。I輸出判決相加0 10 10 10 10 10 10 1輸入碼元11111 11 1 1 1務(wù)位方向圖2.6巴

7、克碼判決當輸入數(shù)據(jù)中的1進入移位寄存器時，輸出電平為+ l，而0進入移位寄存 器時，輸出電平為一I，識別器實際是對輸入的巴克碼進行相關(guān)運算。當七位巴克碼在圖2.7(a)中的tl時刻已全部進入了七級移位寄存器時，七個移0”進入識別器后，識別器輸出一個幀同步 2.7所示?；[叢媽羥為贍債蟶練淨(jìng)。位寄存器輸出端都輸出+I，相加后得最大輸出+7、若判決器的判決電平定為+6, 那么，就在七位巴克碼的最后一位“ 脈沖表示一幀數(shù)字信號的開頭，如圖(b)巴克碼邑克碼識別器出圖2.7巴克碼用于幀同步兩路載頻經(jīng)過由數(shù)字基帶信號控制的模擬開關(guān)4052后產(chǎn)生FSK信號，整個過程波形如圖2.3 FSK解調(diào)的工作原理框圖F

8、SK解調(diào)分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)這里使用非相干解調(diào)（過零檢波法八 這里采用的是過零檢測法對2FSK調(diào)制信號進行解調(diào)。大家知道，2FSK信號的過 零點數(shù)隨不同載頻而異，故檢出過零點數(shù)就可以得到關(guān)于頻率的差異， 這就是過 零檢測法的基本思想。預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。11 o a 1FSK卩艮幅徴分mum h 卜 h lua uu脈沖*展寬】on取直濟 分量非相干解調(diào)時FSK信號經(jīng)過放大限幅電路得到脈沖波形 .。限幅器對輸入 信號進行限幅，以消除各種干擾和噪聲。使輸入信號的變換成跳變陡峭的方波以 取得過零點信息。經(jīng)過微分整形后得到尖脈沖，其中脈沖的個數(shù)代表FSK信號過零點的次數(shù)，經(jīng)脈沖形成器得到一定高

9、度和一定脈寬的方波，方波的占空比由 RC電路可調(diào)，信號的平均直流分量與脈沖重復(fù)頻率成正比，也就是與輸入信號 的載頻成正比。經(jīng)過低通濾波器輸出其平均直流分量， 再經(jīng)判決整形后，即得到 解調(diào)原始數(shù)字基帶信號。在過零檢測中兩個載頻頻差越大，平均直流分量則越大， 抗干擾性能也越好，但所占的頻帶也就越寬。低通濾波器的截止頻率fc的選擇原則為：fl fc f2。滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。(a)4(afe干方式COS COCOS cot(b)(b)相干方式;2FSK解調(diào)原理框圖2FSK有多種方法解調(diào)，如包絡(luò)檢波法、相干解調(diào)法、鑒頻法、過零檢測法 及差分檢波法等，相應(yīng)的接收系統(tǒng)的框圖如圖所示。 這里采用的是過零檢

10、測法對 2FSK調(diào)制信號進行解調(diào)。大家知道，2FSK信號的過零點數(shù)隨不同載頻而異，故 檢出過零點數(shù)就可以得到關(guān)于頻率的差異，這就是過零檢測法的基本思想。用過 零檢測法對FSK信號進行解調(diào)的原理框圖如圖1 (c)所示。其中整形1和整形2 的功能類似于比較器，可在其輸入端將輸入信號疊加在 2.5V上。2FSK調(diào)制信號 從“FSK-IN”輸入。UA03(LM339的判決電壓設(shè)置在2.5V，可把輸入信號進行 硬限幅處理。這樣，整形1將2FSK信號變?yōu)門TL電平；整形2和抽樣電路共同 構(gòu)成抽樣判決器，其判決電壓可通過標號為“ 2FSK判決電壓調(diào)節(jié)”的電位器進 行調(diào)節(jié)。單穩(wěn)1和單穩(wěn)2分別被設(shè)置為上升沿觸發(fā)

11、和下降沿觸發(fā)， 它們與相加器 UA0(74HC32起共同對TTL電平的2FSK信號進行微分、整流處理。電阻RA14 與RA16決定上升沿脈沖寬度及下降沿脈沖寬度。抽樣判決器的時鐘信號就是2FSK基帶信號的位同步信號，該信號應(yīng)從“ FSK-BS輸入，可以從信號源直接 引入，也可以從同步信號恢復(fù)模塊引入。鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。第三章單元電路設(shè)計3.1正弦波產(chǎn)生電路它是由4096反相器和4.096MHz組成的晶振電路產(chǎn)生4.096MHz的正弦波信 號。*把4khz的正弦波分成2khz再輸入到帶通濾波器3.3 2KHZ 和 4khz 濾波3.4電源電路+12TDlD2*DIOEE100JI0K+ Hl

12、亠1-TVri1)01nfBT1 IKPr1CAVTy?01nfDDIODI電源電路由LM7805CT、LM79L05CZ、MC7908(ffl成，為FSK提供電源3.5微分整流及脈沖形成電路riUUAG哦CDIR+UA74)10&WC303W3LM?*TIFLN747PonLTLlA+QI52CQH2FSK信號經(jīng)過UA741和40106放大限幅電路，在由4098微分整流及脈沖形成，低通濾波和抽樣判決電路由 LM747 4013組成，經(jīng)過LM747經(jīng)過低通濾波器輸出其平均直流分量，再經(jīng)4013判決整形后，即得到解調(diào)原始數(shù)字基帶信號擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。第四章 計算機仿真電路圖4.1 Syste

13、m View的使用簡介SystemView是一個完整的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、分析和仿真的可視化開發(fā)環(huán)境。 它可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌霞岸嗨俾氏到y(tǒng)，可用于各種線性、 非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真。尤具特色的是，它可以很方便地進行各種濾波器 的設(shè)計。系統(tǒng)備有通信、邏輯、數(shù)字信號處理(DSP)、射頻/模擬、碼分多址個人 通信系統(tǒng)(CDMA/PCS)數(shù)字視頻廣播(DVB)系統(tǒng)、自適應(yīng)濾波器、第三代無線移 動通信系統(tǒng)等專業(yè)庫可供選擇，適合于各種專業(yè)設(shè)計人員。該系統(tǒng)支持外部數(shù)據(jù) 的輸入和輸出，支持用戶自己編寫代碼(C/C + + )，兼容Matlab軟件。同時，提 供了與硬件設(shè)計工具的接口，支持Xil

14、inx 公司的FPGA芯片和TI公司的DSP芯 片，是一個用于現(xiàn)代工程和科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與仿真的動態(tài)系統(tǒng)分析工具平臺。 SystemView已大量地應(yīng)用于現(xiàn)代數(shù)字信號處理、通信系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計與 仿真等領(lǐng)域。贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。4.2主菜單功能遵循以下步驟進入System View系統(tǒng)視窗：1. 雙擊System View圖標，開始啟動系統(tǒng)。2. 首先會出現(xiàn)System View License Manager窗口，可用來選擇附加庫。本實驗中選擇Select All再左鍵單擊0K結(jié)束選擇。壇搏鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。3. 然后會出現(xiàn)Recent System View Files 窗口，可用來方便

15、的選擇所需打 開的文件。如果沒有選擇文件，單擊Close結(jié)束選擇。結(jié)束以后就可以進入System View系統(tǒng)窗口。如圖 4-1所示。蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。系統(tǒng)視窗最上邊一行為主菜單欄，包括：文件（File ）、編輯（Edit ）、參數(shù) 優(yōu)選（Preferences ）、視窗觀察（View）、便簽（Note Pads）、連接（Compiler ）、 系統(tǒng)菜單（System）、圖符塊（Tokens）、工具（Tool）和幫助（Help）等11項 功能菜單。買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。Eie E* &EfefEnE匚gnecbont 匚Systetn lokens Tw|s tHp，空IH昌即回比仏口打匡

16、包堂渤雷 A $芻曲陽圖4-1系統(tǒng)窗口4.2快捷功能按鈕 在主菜單欄下,System View為用戶提供了16個常用快捷功能按鈕，按紐功能如下:保存系統(tǒng)打印系統(tǒng)清除系統(tǒng)綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦刪圖符塊切斷連線布放連線復(fù)制圖符誅髏貺廡薔。便簽注釋系統(tǒng)定時建亞系統(tǒng)重繪系統(tǒng)分析窗口終止運行鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭圖4-2快捷功能按鈕4.3圖符庫選擇按鈕系統(tǒng)視窗左側(cè)豎排為圖符塊選擇區(qū)。圖符塊（Toke）是構(gòu)造系統(tǒng)的基本單元 電路模板，相當于系統(tǒng)組成框圖中的一個子框圖，用戶在屏幕上所能看到的僅僅 是代表某一個數(shù)學(xué)模型的圖形標志（圖符塊），圖符塊的傳遞特性由該圖符塊所 具有的仿真數(shù)學(xué)模型決定。

17、創(chuàng)建一個仿真系統(tǒng)的基本操作時，按照需要調(diào)出相應(yīng) 的圖符塊，將圖符塊之間用帶有傳輸方向的連線連接起來，這樣一來，用戶進行的系統(tǒng)輸入完全是圖形操作，不涉及語言編程問題，使用十分方便。進入系統(tǒng)后, 在圖符庫選擇以下圖符如圖 4-3選擇按鈕，即：構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。信源庫加法器輒嶧輸入/輸出檉籪癤網(wǎng)儂號澩。堯側(cè)閆繭絳闕絢勵蜆贅。操作庫匚圍函數(shù)庫:乘法器信宿庫圖5-3圖符選擇按鈕4.4 System View 濾波器在System View設(shè)計窗口雙擊圖符工具欄的丨.圖標，工作區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)一個算子庫圖符，雙擊該圖符可以訪問算子庫。雙擊濾波器域線性（）圖標，或者先單擊該圖標再單擊 【Parameters】

18、按鈕，將激活線性系統(tǒng)設(shè)計窗口，如圖5-4所示直接在System View設(shè)計窗口的工作區(qū)域點右鍵，在彈出的快捷菜單中 選“ NewFilter/Linear System”項，可以一步完成放置圖符和辛激活線性系統(tǒng)設(shè)計窗口。識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。SyiTBmVIew I irwar SysTem Bulterwnrth nR)兇ie Edfc PreFerenc DSP 時ode： Piters L-a pl ace- System 世 ndowNaOtf Huneartgr Colicenlt z-D|S.7B9672556556fl9EH日陽6572596554勺E-ll |1|3 5154

19、!：91?eE-1Q2I5 2732U3533933S9E 103|a515463O226220E-1O 審N& DencMiiii&m 匚砧I盅11 響Clear DimgmhatoiCoefJicied: z-D11)-5965621615.952025296697623)-3.95215310E511StandardDifibltd-與dpnpd IntDecrrdJngFlR FsfcwCecimglian Fadw iC lid & duf mctKiia 蜒 工gmDesignJ_LLg_y4.5 System View時間設(shè)置System View系統(tǒng)是一個離散時間系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)

20、運行時，首先對信號進行采樣，然后對各個采樣點的值進行分析計算，最后輸出時，在分析窗口內(nèi)，按要求畫出各個點的值或模擬曲線。所以，在開始仿真前必須對采樣起始紙上時間、 采樣頻率、采樣間隔和采樣點數(shù)等參數(shù)進行設(shè)置。如果這類參數(shù)設(shè)置不合理，仿 真運行后的結(jié)果往往不能令人滿意，甚至根本得不到預(yù)期的結(jié)果。凍鈹鋨勞臘錯癇婦脛糴。單擊System View設(shè)計窗口工具欄的按鈕，將出現(xiàn)系統(tǒng)時間設(shè)置（System Time Specification）對話框，如圖5-5所示。用戶需要設(shè)置幾個參數(shù)框內(nèi)的參數(shù)，包括以下幾條。恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。圖 4-5 System Time Specification（1） S

21、tart Time/Stop Time（開始 /終止時間）（2）Sample Rate/Time Spaci ng （采樣率 / 采樣間隔）（3）No.of Samples （采樣點數(shù)）（4）頻率分辨力（Freq.Res.）（5）Time Values （更新數(shù)值）（6）Auto Set No.Samples （自動標尺）（7）No.of System Loops （系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)）4.6信號源庫信號源圖符是一些常見的波形的發(fā)生器，或者說是整個System View模型進行仿真所必須的輸入數(shù)據(jù)。這種圖符只有輸出端，沒有輸入端。有的信號源圖符有多個輸出端，例如正弦信號源有兩個正交的輸出。噪聲 /偽

22、噪聲信號是用隨機 算法為用戶提供幾種模擬的噪聲信號，幾種信號源的圖符名稱和功能如表5-1所列。鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。表5-1信號源圖符庫表圖符名稱參數(shù)功能03Pulse Train脈沖序列幅度、頻率、相位、脈寬和偏置產(chǎn)生指定頻率和脈寬的脈沖序列信號， 脈寬必須小于信號周期（頻率的倒數(shù)）Sinu soid正弦波幅度、頻率和 相位產(chǎn)生兩個正交的正弦波：yt)=A sin(2 n fc(t)+ 0 )y2(t)=A cos(2 n f c(t)+ 0 )1iPN Seq偽隨機信號幅度、頻率、 信號階數(shù)、偏置和相位按指定的參數(shù)產(chǎn)生偽隨機信號、二進制移頻鍵控（2FSK）調(diào)制I ）2FSK信號的產(chǎn)生原理框圖二逬制數(shù)據(jù)模擬調(diào)頻器圖2,6 2FSK信號的產(chǎn)生原理框團隹模擬調(diào)頻法（b）鍵控法n ）產(chǎn)生2FSK信號的SystemView仿真電路圖調(diào)頻法鍵控法|2FSK信號產(chǎn)生的兩種方祛I(lǐng)II)調(diào)