河北大学工商学院2012届本科生毕业论文(设计)
１ 引言
目前,由于电子技术的跨越式发展,使得VHDL语言在数字系统的设计中起到了重要作用,其提供的自上而下的设计模式和易于读取调试的优点得到了广泛的欢迎,这提高了数字系统的时效性。Quartus‖是Altera公司开发的可以解决在CPLD/FPGA过程中的编辑、编译、综合和仿真等内容的一款软件，其继承了前一代MAX+PLUS‖的优点，既支持图形输入又支持代码输入，并增添了网络编辑功能，提升了系统的调试能力。近几年来，信号的调制和解调技术得到了长足的进步，而其中，频移键控方法简单，易于实现，并且解调不需要恢复本地载波，其良好的抗噪声和抗衰落性能使得广泛应用于中低数据传输，以及衰落通道和频带较宽的信道中。【1】
1.1 课题的目的及意义
目前，数字通信已经在通信技术领域应用广泛，其良好的保密性，抗干扰性，使得其在卫星通信，多媒体通信，光纤通信，数字电视，移动通信，军事通信，微波通信，视频通信等关键的领域得到了重要的应用。
数字调制技术是数字通信的一部分，它把基带信号的频谱迁移到高频处成为适于在通道中传输的信号，其中频移键控（FSK）就是利用不同频率的载波表示0和1两个电平来实现对基带信号的调制，而利用仿真系统对其调制解调过程进行实现使得学习者更直观的，形象的了解和掌握其工作过程，这样减少了复杂框图和公式推倒的繁琐。因此该设计就由此应运而生，透过此次实验可以更清楚的看见频移键控（FSK）的调制解调的过程和仿真结果。
1.2 数字调制解调技术发展及研究现状
调制的目的有以下三个方面：首先，将基带信号变换成适合在信道中传输的一条信号。其次，改善通信系统的抗噪声性能。再次，即实现信道的多路复用。
近几十年来，随着通信终端，通信介质、信号处理等技术的跨越式发展，通信信号尤其是数字信号的调制解调的技术得到了长足的进步，对于常用的调制解调技术的研究有着十分重要的影响。信号从信源中产生后在未经解调之前属于基带信号，基带信号是不适合在通道中直接传输的，因为它的抗干扰性很弱，因此在信号进入通道之前，有必要对其进行调整，即用基带信号来影响未调制的高频载波，使得载波的参数（振幅、相位和频率）随着基带信号的变化而变化，这样被调制的信号就可以在通道中传输了。【2】而已调信号在接收端通过进入解调设备从而恢复原始的基带信号，实现完整的调制解调传输过程。在数字信号的调制过程中，我们按被影响的载波参数的性质分可以分为振幅键控（ASK），频移键控（FSK），相移键控（PSK）以及差分相移键控（DPSK）等。
振幅键控（ASK），一般情况下采用二进制振幅键控即2ASK，其使用数字信号0和1的两个矩形脉冲与正弦载波相乘得到调制信号，其实现过程可以通过模拟调频法或键控法实
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现，当有载波输出时即为信号“1”，无载波输出时即为信号“0”。2ASK信号是信息传输中应用较早的一种传输方式，但其实现过程太简单导致信号的抗干扰能力很差；频移键控（FSK），二进制频移键控即为2FSK，其原理是利用两个不同频率的正弦载波来分别代表0和1两个数字信号在信道上进行传输。从原理上讲，2FSK可以通过模拟调频法来实现，即用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，也可以应用键控法即利用矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同频率的独立频率源进行选通来实现。2FSK信号实现起来较容易，其抗噪声性能良好，在中低速数据传输中起到了广泛的作用；相移键控（PSK），二进制相移键控又称2PSK即利用了两种不同相位的正弦载波（通常用0和π）来分别表示信号0和1，它的实现方式亦可以经过键控法或模拟调频法实现。而差分相移键控（DPSK）是通过利用前后相邻码元的载波相位相对变化而传递数字信息【3】，即逢“1”则相位发生变化，逢“0”不变，其调制过程需要对基带信号进行码变换通过键控调制来实现。除上述四种调制方式外，还有QAM即正交振幅调制、QPSK四进制相移键控，MSK最小频移键控等等。它们在移动通信卫星通信等方面有着重要的作用，调制手段和之前四种也有所不同，这里不一一概述。
对于解调过程，大体上也可分为相干解调和非相干解调，相干解调即通过已调信号通过带通滤波器滤除噪声后与同频率的本地载波相乘，再进入低通滤波器，最后通过抽样判决来恢复原信号；此外还有差分相干解调，它的原理是利用对已调信号进行一个码元间隔T的延时后与原已调信号相乘，结果进入低通滤波器，然后抽样判决得到原信号。非相干检测法一般通过对已调信号进行限幅、整流，脉冲展宽等方式恢复原始信号，其中过零检测法可以应用于2FSK信号的解调，而对于2ASK信号的解调也可以通过非相干解调法进行，同步解调法应用广泛对于2ASK,2FSK,2PSK等均适用。差分相干解调一般应用在对差分信号如DPSK信号的解调过程中。
1.3 本文的结构及主要工作
第一章主要针对VHDL语言及Quartus‖平台仿真进行介绍，以及对本课题的目的、意义以及对于数字调制技术的目前发展和种类进行一些介绍。
第二章主要是对2FSK信号的调制解调的基本原理进行总结和介绍，以及介绍了几种调制方法和在FPGA仿真下的2FSK的调制解调的原理图。
第三章为本文的主体，其对2FSK信号的调制解调过程用VHDL语言进行了描述，并在Quartus‖下进行了仿真设计。 第四章对全文进行全面的总结。
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2 2FSK调制和解调技术的基本原理
二进制频移键控（2FSK）是由两种不同频率的正弦波来分别表示数字信号0和1，即通过频率的变化来传递信息。它的典型的调制方式有：键控法，直接调频法，差分检波算法。在接收端，2FSK信号的解调方法也有多种，其中同步解调和包络检波法较为常见，此外还有鉴频法，过零检测法等等。
2.1 2FSK调制技术 2.1.1 基本原理
在2FSK信号中，载波频率随着f1和f2两个不同的频率间的变化因此其表达式为
1”?Acos(?1t??)当基带信号为“e2FSK(t)?? (2-1)
0”?Acos(?2t??)当基带信号为“
即从表达式可以看出，一个2FSK可以写成两个不同载频的2ASK信号的叠加，由此可以看出2FSK的时域表达式可以写为
????e2FSK(t)???ang(t?nTs)?cos(?1t??n)???ang(t?nTs)?cos(?2t??n) (2-2)
?n??n?式中：g(t)为单个矩形脉冲，宽度等于Ts
?1 an???0概率为p概率为1?p (2-3)
an是an的反码
其中，β和θ不携带任何信息，通常可令这两个变量为零,其波形图如图2-1所示：
t 图2-1 一种2FSK波形示意图
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典型波形：
(a) 2FSK信号：
（b）s1(t)cosω1t
(c)s2(t)cosω2t
t t 河北大学工商学院2012届本科生毕业论文(设计)
2.1.2 直接调频法
直接调频法即用数字基带信号直接控制在品振荡器的振荡频率。其实现方法有多种，一般采用的方法是：当基带信号输入为“1”时，更改振荡器谐振回路的参数，使得振荡器的振荡频率提高；当基带信号的输入为“0”时，改变振荡器谐振回路的参数，使得振荡器的振荡频率降低；，从而实现了调频，这种方法产生的调频信号时相位是连续的。方法虽然比较简单，但是频率稳定度并不高，同时频率转换速度不能够太快。2FSK信号是由两个不同频率的正弦波来表示，因此我们可以通过调制信号直接控制振荡器的振荡频率使其不失真地反映调制信号的变化规律，因此用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频即可实现。【4】直接调频法原理如图2-2所示，S（t）为输入基带信号，e o（t）为输出波形。
图2-2 2FSK信号的模拟调频法框图
S（t ） VCO 压控振荡器 t） e o（
2.1.3 频率键控法
2FSK信号的调制可以通过频率键控法实现，其原理是在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，时期在每一个码元T间输出f1或f2两个载波之一。与模拟调频电路方法相比，其产生的2FSK信号的相位不一定是连续变化的，因为其电子开关在两个独立的频率源之间进行转换。频率键控法产生的2FSK信号的稳定度可以做的很高并且没有过度频率，其转换速度快、稳定性好。频率键控发在转换开关发生转换的瞬间，两个高频振荡器的输出电压通常不可能相等，因此相位不一定连续。图2-3显示了键控法的基本原理。
振荡器1 f 基带信号 选通开关 e2FSK(t) 反相器 相加器 振荡器2 f 选通开关
图2-3 2FSK信号的键控法原理图
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2.2 2FSK解调技术 2.2.1 相干解调法
相干解调法是将已调信号通过与其相同频率的本地载波相乘后再经过低通滤波器恢复原信号，2FSK信号的同步检测法是将已调信号分为两路，两路信号分别经过两路不同频率的带通滤波器，然后分别与两路不同的频率的载波信号相乘，其中f1对应“1”信号频率；f2对应“0”信号的频率，在解调器中，中心频率为f1的带通滤波器只允许中心频率为f1的信号通过，而滤除中心频率为f2的频率的信号；同时，中心频率为f2的带通滤波器
【5】
只允许中心频率为f2的信号通过，而滤除中心频率为f1的频率的信号通过。图2-4显示
了2FSK信号的同步解调过程图。
带通滤波器1ω1 输 入 相乘器 低通滤波器 输 出 cosω1t 定时脉冲 抽样判决器 带通滤波器2ω2 相乘器 低通滤波器 cosω2t 图2-4 2FSK的同步解调过程图
2.2.2 非相干解调法
非相干解调法即利用包络检波器从已调信号的波形的幅度中提取调制信号，我们说过，2FSK可以看做频率不同的两个2ASK信号的叠加而成，对于2ASK信号可以使用包络检波法，因此2FSK亦适用于这种非相干解调的方式，下面的图2-5显示了非相干解调的基本解调过程。
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