基于FPGA的MFSK调制电路设计与仿真

目 录

摘 要.......................................................... I Abstract ........................................................ II 1引言 .......................................................... 1 2.多进制数字调制原理............................................ 2

2.1 FSK调制解调的基本原理 ................................. 2 2.2 MFSK简介 .............................................. 4 2.3多进制数字频率调制的原理 ................................ 5 2.4多进制数字频率解调的原理 ................................ 5 2.5 MFSK 调制解调原理 ..................................... 6 3.MFSK调制电路的FPGA实现 ..................................... 8

3.1基于FPGA的MFSK调制电路 ............................. 8 3.2 MFSK调制电路VHDL程序 .............................. 8 3.3 仿真结果及分析........................................ 10 4 心得体会.................................................... 12 参考文献....................................................... 13

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摘 要

MFSK ---多进制数字频率调制，简称多频制，是2FSK方式的推广。它是用不同的载波频率代表各种数字信息。在数字通信系统中，数字调制与解调技术占有非常重要的地位。随着FPGA 技术的发展，数字通信技术与 FPGA的结合体现了现代数字通信系统发展的一个趋势。文中介绍了MFSK 调制解调的原理, 并基于 VHDL 实现了MFSK 调制解调电路设计，仿真结果表明设计方案是可行的。

关键词：MFSK；VHDL；调制；解调

I

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Abstract

MFSK --- Multi-band digital frequency modulation, referred to as multi-frequency system is the way 2FSK promotion. It is representative of a different variety of digital information carrier frequency. In digital communication system, the digital modulation and demodulation plays an important role with the development of FPGA technology, the combination of digital communication technology with FPGA is an inevitable trend. This paper gives the principle of MFSK modulation and demodulation.

Key words：MFSK;VHDL; modulation; demodulation

II

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1.引言

FPGA(Field Programmable Gate Array)现场可编程逻辑门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。它是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级时，不需额外地改变PCB 电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本。

数字调制技术是现代通信系统中的关键技术之一，调制器性能的优劣将直接影响通信质阜的好坏。用可编程逻辑器件通过对器件内部的设计来实现系统功能，是一种基于芯片的设计方法。将可编程逻辑器件应用于数字通信系统的调制解调，可大大减轻电路设计和电路板设计的丁作量和难度，有效地增强设计的灵活性，提高 工作效率。本文研究了基于FPGA的MFSK调制电路的实现方法，并给出了仿真结果。

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2.多进制数字调制原理

2.1 FSK调制解调的基本原理

2.1.1 2FSK的调制

频移键控即FSK（Frequency－Shift Keying）数字信号对载波频率调制，主要通过数字基带信号控制载波信号的频率来来传递数字信息。在二进制情况下，“1”对应于载波频率，“0”对应载波频率，但是它们的振幅和初始相位不变化。FSK信号产生的两种方法：

（1）直接调频法

用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，使其输出两个不同频率的码元。一般采用的控制方法是：当基带信号为正时（相当于“1”码），改变振荡器谐振回路的参数（电容或者电感数值），使振荡器的振荡频率提高（设为f1）；当基带信号为负时（相当于“0”码），改变振荡器谐振回路的参数（电容或者电感数值），使振荡器的振荡频率降低（设为f2）；从而实现了调频。这种方法产生的调频信号是相位连续的，虽然实现方法简单，但频率稳定度不高，同时频率转换速度不能做得太快，但是其优点是由调频器所产生的FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的

( 2 ) 频率键控法

频率键控法也称频率选择法。它有两个的振荡器，数字基带信号控制转换开关，选择不同频率的高频振荡信号实现FSK调制。

~f1 ~f2 基带 信号 uFSK(t) 图2.1.1 频率健控法原理框图 图1.1 频率键控法原理框图

键控法产生的 FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过渡频率，它的转换速度快，波形好。频率键控法在转换开关发生转换的瞬间，两个高频振荡的输出电压通常不可能相等，于是uFSK（t）信号在基带信息变换时电压会发生跳变，这种现象也称为相位不连续，这是频率键控特有的情况。

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2.1.2 2FSK的调制方框图及电路符号

图1.2 2FSK调制方框图

2.1.3 2FSK的解调

数字频率键控（FSK）信号常用的解调方法有很多种如： (1) 同步（相干）解调法

在同步解调器中，有上、下两个支路，输入的 FSK信号经过f1和f2两个带通滤波器后变成了上、下两路ASK信号，之后其解调原理与ASK类似，但判决需对上、下两支路比较来进行。假设上支路低通滤波器输出为x1，下支路低通滤波器输出为x2，则判决准则是：

x1x20

x1x20

判输入为f1信号判输入为f2信号图1.3相干解调法原理框图

接收信号经过并联的两路带通滤波器进行滤波与本地相干载波相乘和包络检波后，进行抽样判决，判决的准则是比较两路信号包络的大小。假设上支路低通滤波器输出为cos1f，下支路低通滤波器输出为cos2f，则判决准则是：

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如果上支的信号包络较大，则判决为“1”；反之，判决为收到为“0”。

(2) 2FSK滤波非相干解调

输入的FSK中频信号分别经过中心频为FH、FL的带通滤波器，然后分别经过包络检波，包络检波的输出在t=kTb时抽样（其中k为整数），并且将这些值进行比较。根据包络检波器输出的大小，比较器判决数据比特是1还是0。

接收的FSK 信号 带通滤波FL 包络检波 带通滤波FH 包络检波 + 判决 - 图1.4 滤波非相干解调原理框图

2.1.4 2FSK解调方框图及电路符号

图1.5 2 FSK解调方框图

2.2 MFSK简介

多进制数字频率调制（MFSK）简称多频制，是2FSK方式的推广。它是用不同的载波频率代表种数字信息。多进制频键控（MFSK）的基本原理和2FSK是相同的，其调制可以用频率键控法（频率选择法）和模拟的调频法来实现，不同之处在于使用键控法时其供选的频率有M个，选择逻辑电路也比较复杂。

MFSK（多进制频移控），是一种在各种频率离散音频脉冲爆发传送数字信息的信号调制方法。它原来是欧洲和英国机构在20世纪中叶使用。在那时它叫做Piccolo,一种乐器的名字，这种乐器的声音音调很高，就像一个MFSK信号经过收音机的喇叭时发出的声音。

MFSK类似频移监控（FSK），但是使用的频率要至少是两个。最常见的MFSK

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形式使用16个频率，叫做MFSK16。这些音调一次传送一个。每个音调持续时间不到一秒。MFSK中波特（每秒传输的数目）与比特/秒（bps）的比率要比二进制中小。这减少了噪音和对数据传输速率的干扰的错误的产生。为了提供更大的精确性，前向纠错技术（FEC）被使用。

MFSK的主要缺点是信号频带宽，频带利用率低。因此，MFSK多用于调制速率低及多径延时比较严重的信道，如无线短波信道。

2.3多进制数字频率调制的原理

串/并变换器和逻辑电路1将一组组输入的二进制码（每k个码元为一组）对应地转换成有M种状态的一个个多进制码。这M个状态分别对应M个不同的载波频率。当 某 组k位二进制码到来时，逻辑电路1的输出一方面接通某个门电路，让相应的载频发送出去，另一方面同时关闭其余所有的门电路。于是当一组组二进制码元输入时，经相加器组合输出的便是一个M进制调频波形，其原理框图如下：

图1.6 多进制频率调制系统的调制方框图

2.4多进制数字频率解调的原理

MFSK的解调同样有相干解调、非相干解调和锁相环法解调等多种解调方式，其中非相干解调的原理如下图所示M频制的解调部分由M个带通滤波器、包络检波器及一个抽样判决器、逻辑电路2组成。各带通滤波器的中心频率分别对应发送端各个载频。因而，当某一已调载频信号到来时，在任一码元持续时间内，只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器只有噪声通过。抽样判决器的任务是比较所有包络检波器输出的电压，并选出最大者作为输出，这个输出是一位与发端载频相应的M进制数。逻辑电路2

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把这个M进制数译成k位二进制并行码，并进一步做并/串变换恢复二进制信息输出，从而完成数字信号的传输。 其原理框图如下：

。。。M

图1.7 多进制频率调制系统的解调方框图

2.5 MFSK 调制解调原理

为了提高通信系统传输信息的有效性（信息传输速率或系统的频带利用率）和可靠性（抗噪声性能），常采用多进制数字调制技术。通常把状态数大于2 的数字信号称为多进制信号。多进制数字调制，即用多进制信号去调制载波，例如用M进制的信号去键控载波而得到M进制已调信号，一般取M=2k（k 为正整数），这样一个多进制码元所传输的信息量是二进制码元的k 倍。MFSK 系统又称为多进制调频或多频制，它是2FSK 系统的推广，该系统有 M 个不同的载波频率可供选择，每一个载波频率对应一个M进制码元信息， 即用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号，在某一码元时间内只发送其中一个频率的信号。MFSK 系统框图如下图所示。当接收到某个载波时，只有一个带通滤波器有信号输出，其它的带通滤波器只有噪声输出，抽样判决电路和逻辑电路的任务就是在某一时刻比较所有包络检波器的输出电压，判断哪一路的输出最大，选出最大的输出，就得到一个多进制码元，经逻辑电路转变成k 位二进制并行码，再经并/串变换电路转换成串行二进制码，从而完成解调任务[1]。其原理框图如下：

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图1.8 多进制频率调制解调系统的方框图

图中，串/并变换器和逻辑电路1将一组组输入的二进制码（每K个码元为一组）对应地转换成有态分别对应

）种状态的一个个多进制码。这个状fff个不同的载波频率（1,2、,,,M）。当某组K位二进制码到来

（

时，逻辑电路1的输出一方面接通某个门电路，让相应的载频发送出去，另一方面同时关闭其余所有的门电路。于是当一组组二进制码元输入时，经相加器组合输出的便是一个

进制调频波形。

个带通滤波器、包络检波器及一个抽样判决器、逻

频制的解调部分由

辑电路2组成。各带通滤波器的中心频率分别对应发送端各个载频。因而，当某一已调载频信号到来时，在任一码元 持续时间内，只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器只有噪声通过。抽样判决器的任务是比较所有包络检波器输出的电压，并选出最 大者作为输出，这个输出

是一位与发端载频相应的进制数。逻辑电路2把这个进制数译成K位二进制并行码，并进一步做并/串变换恢复二进制信息输出，从而完成数字信号的传输。

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3.MFSK调制电路的FPGA实现

3.1基于FPGA的MFSK调制电路

MFSK信号的产生有两种方法，直接调频法和频率键控法。直接调频法是用 数字基带信号直接控制载频振荡器的振荡频率。频率键控法也称频率选择法，当 M=4时，它有 4个的振荡器，数字基带信号控制四选一开关，从而选择不 同的高频振荡信号实现 MFSK调制，其调制方框图如图2所示:

图2 MFSK调制电路方框图

基带信号通过串/并转换得到 2位并行信号，四选一开关根据两位并行信号 选择相应的载波输出，图中没有包含模拟电路部分，输出信号为数字信号。

3.2 MFSK调制电路VHDL程序

根据MFSK调制电路方框图，利用VHDL语言进行设计，其主要源程序如下： Entity FPGA_MFSK is -----------实体定义 port(clk :in std_logic; --系统时钟

start:in std_logic; --开始调制信号 x :in std_logic; --基带信号 y :out std_logic); --调制信号 End FPGA_MFSK;

architecture behav of FPGA_MFSK is -------结构体定义 signal q :integer range 0 to 15; --计数器 signal f :std_logic_vector(3 downto 0); --分频器

signal xx:std_logic_vector(1 downto 0); --寄存输入信号x的2位寄存器 signal yy:std_logic_vector(1 downto 0); --寄存xx信号的寄存器

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begin

process(clk) --此进程对clk进行分频，得到4种载波信号f3、f2、 f1、f0。 Begin

if clk'event and clk='1' then if start='0' then f<=\"0000\";

else if f=\"1111\" then f<=\"0000\"; else f<=f+1; end if; end if;

End process;

process(clk) --对输入的基带信号x进行串/并转换，得到2位并行信号的yy Begin

if clk'event and clk='1' then if start='0' then q<=0; else if q=0 then q<=1;

xx(1)<=x; yy<=xx; else if q=8 then q<=9;

xx(0)<=x; else q<=q+1; end if; end if;

End process;

process(clk,yy) --此进程完成对输入基带信号x的MFSK调制 Begin

if clk'event and clk='1' then

if start='0' then y<='0'; -- if语句完成2位码并行码到4种载波的选通

else if yy=\"00\" then y<=not f(3); else if yy=\"01\" then y<=not f(2); else if yy=\"10\" then y<=not f(1); else y<=not f(0); end if; end if;

End process; End behav;

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3.3 仿真结果及分析

Quartus II环境下的仿真结果如图3所示。

图3 MFSK调制VHDL程序仿真局部放大图1

注：中间信号yy与输出调制信号y的对应关系：“00”=f3；“01”=f2；“10”=f1；“11”=f0。

图4 MFSK调制VHDL程序仿真局部放大图2

经分析，成功实现了对时钟信号的分频并得到了四种不同的频率信号。

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图5 MFSK调制VHDL程序仿真局部放大图3

我们在程序中设定的一个码元周期是 16 个时钟周期，当 x 从 1 变为 0 的一个码元周期里，yy 从 00 变为 10，此时的输出 y 为 f(1)即四倍的时钟周期；当 x从 0 变为 1 的一个码元周期里，yy 从 00 变为 01，此时的输出 y 为 f(2)即八倍的时钟周期，由此可见，我们的仿真是正确的。

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4 心得体会

本次设计，由于数字调制技术与FPGA的结合，使得通信系统的性能得到了迅速的提高。通过MFSK系统调制与解调建模，以ISE 软件为平台，基于VHDL语言，达到了预期的仿真结果。通过本次设计，了解了频移键控数字通信系统的用途及工作原理，熟悉了MFSK基于VHDL语言的设计步骤，提高了绘图能力，锻炼了设计实践和语言组织能力，培养了自己设计能力。其次，我也发现了自己对于书本上的一些知识理解的还不够透彻，所以在设计编程、编译以及仿真过程中走了许多弯路,碰到了不少困难，这些都警醒了我在以后的学习生活中需要更加认真细心以及刻苦努力。

本次毕业设计是对专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是我走向工作岗位之前的一次很好的热身。

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参考文献

[1] 罗新民，张传生，薛少丽. 现代通信原理[M]. 北京:高等教育出版社,2003:335-338. [2]王小军.VHDL简明教程. 北京：清华大学出版社,1997.

[3] 范绿蓉，栗广云，吴淑君.基于VHDL 语言的CRC 信道编解码电路设计与实现[J].通信技术,2008,41(6):103-105.

[4] 江国强.EDA 技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2006:11-23. [5]黄志伟等编著。FPGA系统设计与实践。电子工业出版社。2005.（01）. [6]潘松、黄继业。EDA技术使用教程。科学出版社。2006（09）.

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