《電子技術(shù)應(yīng)用》
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FSK/PSK調(diào)制的FPGA實(shí)現(xiàn)
電子科技
趙 菁,文時(shí)祥 西安電子科技大學(xué)
摘要: 基于DDS和VHDL硬件描述技術(shù),采用大規(guī)??删幊涕T陣列FPGA,實(shí)現(xiàn)了FSK和PSK數(shù)字調(diào)制,。介紹了m偽隨機(jī)基帶碼元發(fā)生器、跳變檢測(cè)器和DDS信號(hào)發(fā)生等模塊。系統(tǒng)參數(shù)易修改、可移植性強(qiáng),、性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞: FPGA FSK/PSK DDS m偽隨機(jī)序列
Abstract:
Key words :

摘要:基于DDS和VHDL硬件描述技術(shù),,采用大規(guī)模可編程門陣列FPGA,,實(shí)現(xiàn)了FSK和PSK數(shù)字調(diào)制,。介紹了m偽隨機(jī)基帶碼元發(fā)生器、跳變檢測(cè)器和DDS信號(hào)發(fā)生等模塊,。系統(tǒng)參數(shù)易修改,、可移植性強(qiáng),、性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞:FSK/PSK,;DDS,;m偽隨機(jī)序列;FPGA

    在通信領(lǐng)域,,經(jīng)常需要將基帶信號(hào)進(jìn)行某種調(diào)制,,使其適合于信道傳輸。FSK,、PSK即為常用的兩種數(shù)字調(diào)制方式,。傳統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng)中大量采用分立元件,體積較大,,電路復(fù)雜,。由于模擬元件自身參數(shù)的離散性和受環(huán)境溫度、濕度等因素影響,,導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差,。本文提出了一種基于DDS技術(shù)的FSK/PSK調(diào)制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,,克服了模擬調(diào)制的弊端,。

1 FSK/PSK調(diào)制原理
    頻移鍵控(Frequency Shift Keying,F(xiàn)SK),,是利用載波的頻率參量來(lái)攜帶數(shù)字信息的調(diào)制方式,。常用的是二進(jìn)制頻率鍵控信號(hào),即2FSK,,用載頻w1表示數(shù)字信息“1”,,用載頻w2表示數(shù)字信息“0”,而w1和w2之間的變化是瞬間完成的,。
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    相移鍵控(Phase Shift Keying,,PSK),它是受鍵控的載波相位按數(shù)字基帶脈沖的規(guī)律而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式,。這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)數(shù)字信息的相位鍵控,,通常被稱為絕對(duì)移相方式。當(dāng)基帶信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)字脈沖序列時(shí),,所得到的相位鍵控信號(hào)為二進(jìn)制相位鍵控,,即2PSK,它的表達(dá)式為
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    式中,,φ(t)由數(shù)字信息“0”“1”控制,。在絕對(duì)移相中,因?yàn)?phi;(t)選用的參考相位基準(zhǔn)就是未調(diào)制的載波,,所以φ(t)就是載波的絕對(duì)值,。一般說(shuō)來(lái),,數(shù)字信息為“1”時(shí),φ(t)=0,,數(shù)字信息為“0”時(shí),,φ(t)=π。即
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    FSK,、PSK的調(diào)制示意圖如圖1所示,。

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2 FSK/PSK調(diào)制邏輯設(shè)計(jì)與仿真
    FSK/PSK調(diào)制邏輯共分為3個(gè)部分:分頻器、m序列產(chǎn)生器和FSK/PSK調(diào)制器,。分頻器用于產(chǎn)生FSK/PSK調(diào)制器和m序列的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)f1,,f2和f3,m偽隨機(jī)序列器產(chǎn)生基帶碼元,。FSK/PSK調(diào)制器根據(jù)輸入的基帶碼元和基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生相應(yīng)的FSK或PSK信號(hào),,調(diào)制模式由mode模式選擇。當(dāng)mode為低電平時(shí),,表示選擇FSK調(diào)制,,當(dāng)mode為高電平時(shí),表示選擇PSK調(diào)制,。FSK/PSK調(diào)制器輸出的數(shù)字調(diào)制信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出,。邏輯模塊框圖,如圖2所示,。

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2.1 分頻器
    分頻器對(duì)頻率為f0的時(shí)鐘輸入信號(hào)clk分別以分頻系數(shù)D1,,D2和D3產(chǎn)生FSK/PSK調(diào)制器和m序列的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)f1,f2和f3,。其關(guān)系如式(1)所示,。
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    f1和f2決定了FSK調(diào)制信號(hào)的兩個(gè)載波頻率,f2決定了PSK調(diào)制信號(hào)的載波頻率,,f3決定了基帶碼元速率,。為了保證每個(gè)基帶碼元的寬度T是載波周期的整數(shù)倍,在選擇分頻系數(shù)時(shí)應(yīng)滿足式(2),。
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    式中,,M為D1和D2的最小公倍數(shù)。
2.2 m序列產(chǎn)生器
    m序列是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過(guò)線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列,。m序列的最大長(zhǎng)度取決于移位寄存器的級(jí)數(shù),,而碼的結(jié)構(gòu)取決于反饋抽頭的位置和數(shù)量。其特點(diǎn)是:隨機(jī)特性,、預(yù)先可確定性,、循環(huán)特性。
    本設(shè)計(jì)利用帶有兩個(gè)反饋抽頭的3級(jí)反饋移位寄存器得到一串7位循環(huán)序列“1110010”,,并采取措施防止進(jìn)入全“0”狀態(tài),。通過(guò)更換時(shí)鐘頻率,可以方便地改變輸入碼元的速率,。這一系列的循環(huán)序列碼作為基帶信號(hào)碼元,。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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2.3 FSK/PSK調(diào)制器
    FSK/PSK調(diào)制器由時(shí)鐘選擇模塊,、跳變檢測(cè)模塊和DDS信號(hào)發(fā)生模塊3部分組成,。原理如圖4所示。

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2.3.1 時(shí)鐘選擇模塊
    載波頻率選擇模塊的兩個(gè)輸入端分別接時(shí)鐘信號(hào)f1和f2,,其輸出信號(hào)fDDS作為DDS信號(hào)發(fā)生模塊基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào),。該模塊的輸出真值表,如表1所示,。

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2.3.2 跳變檢測(cè)模塊
    跳變檢測(cè)模塊用于檢測(cè)基帶碼元的變化情況,。當(dāng)基帶碼元上升或下降沿到來(lái)時(shí),其對(duì)應(yīng)的輸出端產(chǎn)生與時(shí)鐘周期等寬的高脈沖信號(hào)jump_high或jump_low,。該信號(hào)提供給下一級(jí)DDS的相位累加器,,來(lái)控制累加器的相位偏移。跳變檢測(cè)原理圖如圖5所示,。

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2.3.3 DDS信號(hào)發(fā)生模塊
    DDS是一種應(yīng)用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生信號(hào)波形的方法,。由于模塊中只需產(chǎn)生兩種頻率和相位的波形,因此對(duì)DDS的設(shè)計(jì)中省略了頻率控制字和相位控制字等部分,。頻率改變通過(guò)時(shí)鐘選擇模塊選擇不同的基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn),。簡(jiǎn)化后的DDS主要由相位累加器和波形ROM組成,如圖6所示,。

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    相位累加器在頻率為fc的時(shí)鐘信號(hào)clk控制下,,以步長(zhǎng)K作累加,輸出的N位二進(jìn)制作為波形存儲(chǔ)器ROM的地址,,以該地址對(duì)ROM進(jìn)行尋址,。則DDS輸出波形的頻率f0的表達(dá)式,如式(3)所示
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    本設(shè)計(jì)中,,取K=1,,N=8,波形存儲(chǔ)深度為100個(gè)采樣點(diǎn),,則可得f0=fc/100,。jump_high、jump_low,、mode和clk通過(guò)控制相位累加器的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn):FSK/PSK波形合成輸出,。當(dāng)mode為低電平時(shí),即FSK調(diào)制模式時(shí),,jump_high和jump_low中任一信號(hào)出現(xiàn)高脈沖時(shí),,累加器清零,,然后根據(jù)clk進(jìn)行循環(huán)累加。當(dāng)mode為高電平時(shí),,即PSK調(diào)制模式時(shí),,累加器的工作方式如表2所示。

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    ROM表是對(duì)選取的采樣點(diǎn)進(jìn)行量化,、編碼,,通過(guò)相位累加器的地址值查找ROM表中的內(nèi)容,以得到可合成正弦波的正弦點(diǎn)的值,。其原理是:在橫軸上取100個(gè)采樣點(diǎn),,將縱軸的正弦值[-1,+1]總體提升一個(gè)單位,,即將正弦值的取值區(qū)間變?yōu)閇0,,2],并將其均勻地分成255個(gè)量化區(qū)間,,再對(duì)這255個(gè)量化間隔在00000000~11111111進(jìn)行編碼,,即將所取的采樣點(diǎn)的幅度值對(duì)應(yīng)到各個(gè)量化間隔。
    具體實(shí)現(xiàn)方法,,可通過(guò)用Matlab產(chǎn)生一個(gè)mif文件,。Matlab源程序如下:
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3 系統(tǒng)仿真結(jié)果
    Altera公司的QuanusⅡ集合了綜合和仿真的功能。本設(shè)計(jì)在Quartus II中完成了VHDL的代碼編寫和綜合布線,,并對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)序仿真,,仿真結(jié)果如圖7~圖8所示。其中,,clk為外接輸入100 MHz時(shí)鐘,;mode為模式控制鍵;code為由m序列產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼,,用做基帶碼元,;dout為輸出的調(diào)制結(jié)果。

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    圖7中,,mode的值為“0”,,說(shuō)明是FSK調(diào)制方式。從圖中可以看出,,當(dāng)基帶碼元code為“0”時(shí),,dout輸出低頻調(diào)制波。當(dāng)基帶碼元code為“1”時(shí),,dout輸出高頻調(diào)制波,。實(shí)現(xiàn)了用不同的頻率變化傳遞數(shù)字信息,完成了FSK調(diào)制。
    圖8中,,mode的值為“1”,,說(shuō)明是PSK調(diào)制方式。從圖中可以看出,,dout的輸出波形頻率是單一的,,當(dāng)基帶碼元由“1”向“0”跳變時(shí),,波形出現(xiàn)倒π現(xiàn)象,,實(shí)現(xiàn)了通過(guò)相位變化傳遞信息,完成了PSK調(diào)制,。

4 結(jié)束語(yǔ)
    介紹了一種基于DDS技術(shù)的FSK/PSK調(diào)制方式的FPGA實(shí)現(xiàn)方法,。整個(gè)系統(tǒng)采用VHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行軟件編寫,參數(shù)修改方便,,并具有較強(qiáng)的可移植性,。其原理簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),。相比傳統(tǒng)模擬調(diào)制方式,,這種數(shù)字調(diào)制方式具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力,在通信領(lǐng)域中具有較強(qiáng)的實(shí)用性,。

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