以FPGA為核心的數字通信信號2FSK的調製解調技術及其實現方案詳解

2020-11-28 電子發燒友

以FPGA為核心的數字通信信號2FSK的調製解調技術及其實現方案詳解

工程師青青 發表於 2018-07-13 09:51:00

隨著通信理論和計算機技術的發展，現代通信系統中常用的是數字調製技術，數位訊號的調製、解調和識別是高科技術的發展趨勢。調製解調技術是現代通信中一項關鍵的技術，解調效果的好壞更是直接關係著通信系統的性能。而數字解調技術的關鍵在於瞬時幅度，瞬時頻率和瞬時相位參數的準確估計。

調製的目的是使信號波形適合於在信道中傳輸，調製可以分為基帶調製和載波調製兩類。基帶調製直接採用低通信號傳遞信息，這種技術通常用於銅線、光纖等一些無載波的傳輸方式。載波調製也稱為頻帶調製，是將要發送的信息加載到載波上進行傳輸，即採用帶通信號傳輸信息，通過調製實現信號頻譜的搬移。載波調製也就是通常所說的調製，在現代通信中也主要涉及載波調製技術。

通信信號的調製解調技術已經發展多年，各項技術已經相當成熟，文中主要研究了數字通信信號2FSK的調製解調技術及其實現。

1 2FSK信號的調製及產生

1．1 2FSK信號的調製及產生

設信息源發出的是由二進位符號0，1組成的序列，且假定1符號出現的概率為P，0符號出現概率為1-P，它們彼此獨立。那麼，一個二進位的頻移鍵控信號可以表示成載波的頻率隨二進位基帶信號在f1和f2兩個頻點間變化。故其表達式為

由於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，通常可以令其為零。因此2FSK信號的表達式可以簡化為

通常二進位頻移鍵控信號的產生方法有兩種。一種可以採用模擬調頻電路來實現；另一種可以採用鍵控法來實現。圖1是2FSK信號的時間波形及鍵控法產生2FSK信號的原理圖。

1．2 2FSK信號的調製

一般2FSK信號的調製方法比較簡單，通常情況下是用一個隨機的1、0脈衝信號分別與一個載波相乘即可得到調製後的2FSK信號，如圖1（b）所示。

2 2FSK信號的解調

2FSK信號有兩種解調方法：非相干解調及相干解調。相應的接收系統方框圖如圖2所示。本次設計採用的是非相干解調方式。

由於本次實驗接收的是500 kHz和700 kHz的2FSK信號，所以首先要經過濾波以得到兩路不同載頻的信號。濾波器係數由Matlab軟體仿真得出。

帶通濾波器設計成一個24階的，對於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，其幅度響應如圖3（a）所示，對於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，其幅度響應如圖3（b）所示。

通過SignalTapII在線仿真，經過濾波後的兩路信號波形如圖4（a）所示，信號經過濾波後，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，取絕對值後的信號再經過低通濾波後，進行判決，仿真波形如圖4（c）所示。

整個解調過程分別由各自的模塊組成，具體設計如圖5所示。

3 2FSK信號的功率譜分析

對相位不連續的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譜和離散譜組成。其中，連續譜由兩個中心位於f1和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位於兩個載頻f1和f2處；連續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 結束語

文中詳細介紹了2FSK數字通信信號的調製解調原理，並基於FPGA進行了調製與解調的過程設計，各部分主要用模塊搭建，濾波器用Matlab設計係數並用VHDL語言編寫實現。經在線仿真驗證，有不錯的解調效果。

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