FSK信号调制与解调技术

1 引 言

1.1 研究的背景与意义

现代社会中人们对于通信设备的使用要求越来越高，随着无线通信技术的不断发展，人们所要处理的各种信息量呈爆炸式地增长。传统的通信信号处理是基于冯·诺依曼计算机的串行处理方式，利用传统的冯·诺依曼式计算机来进行海量信息处理的话，以现有的技术，是不可能在短时间内完成的。而具于并行结构的信息处理方式为提高信息的处理速度提供了一个新的解决思路。

随着人们对于通信的要求不断提高,应用领域的不断拓展，通信带宽显得越来越紧张。人们想了很多方法，来使有限的带宽能尽可能的携带更多的信息。但这样做会出现一个问题,即：信号调制阶数的增加可以提升传送时所携带的信息量，但在解调时其误码率也相应显著地提高。信息量不断增加的结果可能是，解调器很难去解调出本身所传递的信息.如果在提高信息携带量的同时，能够找到一种合适的解调方式，将解调的误码率控制在允许的范围内,同时又不需要恢复原始载波信号，从而降低解调系统的复杂程度,那将是很好的。

通信技术在不断地发展，在现今的无线、有线信道中,有很多信号在同时进行着传递，相互之间都会有干扰，而强干扰信号也可能来自于其它媒介。在军事领域，抗干扰技术的研究就更为必要。我们需要通信设备在强干扰地环境下进行正常的通信工作.

目前常用的通信调制方法有很多种,如FSK、QPSK、QAM等。在实际的通信工程中，不同的调制制式由于自身的特点而应用于不同场合，而通信中不同的调制、解调制式就构成了不同的系统.如果按照常规的方法,每产生一种信号就需要一个硬件电路，甚至一个模块，那么要使一部发射机产生几种、几十种不同制式的通信信号，其电路就会异常复杂，体积重量都会很大。而在接收机部分，情况也同样是如此，即对某种特定的调制信号，必须有一个特定的对应模块电路来对该信号进行解调工作。如果发射端所发射的信号调制方式发生改变，这一解调模块就无能为力了。实际上，随着通信技术的进步和发展,现代社会对于通信技术的要求越来越高，比如要求通信系统具有最低的成本、最高的效率,以及跨平台工作的特性，如PDA、电脑、手机使用时所要求的通用性、互连性等。怎样对多种类型的信号进行智能化处理，而又不增加电路的成本、处理速度以及体积重量等，是我们目前正面临的问题.

针对以上情况，本文提出用新型FPGA技术对信号进行解调.随着数字技术日益广泛的应用，以现场可编程门阵列FPGA为代表的器件得到了广泛的应用，器件的集成度和速度都在高速增长．FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性，又具有可编程逻辑器件的用户可编程性．它的可编程特性带来了电路设计的灵活性，在数字电路设计中发挥着越来越重要的作用．

1.2 国内外研究现状

FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式它的主要优点是:实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好，近十年来，数字移动通信系统的开发取得了巨大进展，要求传输数字化的命令,又传数字化的信息，因而系统必须采用数字调制技术，然而一般的数字调制技术:如移相键控PSK，频移键控FSK,因而传输效率低而无法满足移动通信的要求；为此:需要专门研究一些抗干扰能力强,误码性能好,频谱利用率高的调制技术，尽可能地提高单位频带内传输数据的比特率。适应移动通信的要求.目前发展已发展为：正交相移键控QPSK，正交调幅QAM，最小移频键控MSK,高斯最小移频键控GMSK等。随着微电子技术研究的发展，采用现场可编程门阵列FPGA进行数字信号处理得到了飞速发展,由于FPGA具有现场可编程的特点，可以实现专用集成电路，因此越来越受到硬件电路设计工程师们的青睐。

1.3 本文的研究工作

1 用matlab产生本地信号和FSK信号，用FPGA产生本地信号和FSK号.

2 把matlab产生的信号通过matlab产生的混频滤波器进行滤波.

3 把FPGA产生的信号通过FPGA产生的混频滤波器进行滤波。

4 把滤波后的信号进行波形仿真,比较两种波形的共同点和差异。

2 FSK信号调制与解调技术

2。1 引言

在卫星通信、移动通信、微波通信和光纤通信等现代数字通信系统中，信道中传输的都是数字已调信号，我们称之为数字调制系统.由调制器、解调器及调制信道构成的数字调制系统如图2。1所示。

数字基带信号调制器发送滤波 器 信道接受滤波 器基带数字信号载波信号噪声同步信号解调器

图2.1 数字通信系统原理框图

在现代通信中，调制器的载波信号几乎都是正弦波信号,数字基带信号通过调制器改变正弦波信号的幅度、频率或相位，产生振幅键控（ASK）、移频键控(FSK）或移相键控（PSK)信号,或同时改变正弦波信号的几个参数，产生复合调制信号，如振幅与相位复合调制信号等.

发送滤波器及接收滤波器都是带通滤波器。发送滤波器用来限制进入信道的信号带宽，以提高信道的频带利用率。接收滤波器用于滤除带外噪声，提高信噪比，并且与发送滤波器及信道的频率特性相配合，使系统无码间串扰.

在对数字已调信号进行相干解调时，需要载波同步信号,接收部分进行抽样判决处理时需要位同步信号，这些同步信号是载波同步器和位同步器提供的。

2.2 二进制数字频率键控

二进制数字频率键控(2FSK）又称为二进制频移键控，是一种常见的通信调制方式。

由于2FSK调制幅度不变，抗衰落和抗噪声性能优良,设备较容易实现，所以一直被广泛应用于各种数据传输中.目前，数字调频技术已有相当的发展，多进制频移键控(MFSK）、最小频移键控(MSK）以及高斯最小频移键控（GMSK)等技术，以其良好的功率利用率，抗码间串扰和带外辐射功率小等优点,已在无线信道中得到了广泛的应用。

2。2.1 FSK信号的时域、频域和空间表示

2FSK信号是用二迸制数字基带信号的波形控制正弦型载波的频率产生的，其频率携带有数字信息。对应于二进制的两种状态，2FSK有两种频率,或者说2FSK信号是用两种不同频率的正弦波来表示基带信号的两种状态，同时2FSK信号是等幅波。

1.时域表示及波形

基带信号为“1”时，对应2FSK信号是频率为的载波；基带信号为“0"时，对应2FSK信号是频率为的载波。

2FSK信号可分为两种,一种是相位连续的2FSK信号，记作CP2FSK，它在码元“0”、“1” 交替变化时，载波相位连续;另一种是离散相位2FSK信号,记作DP2FSK，这种波形在“0”、“1”交替变化时，载波相位不连续。2FSK信号相位是否连续，取决于采用哪种2FSK信号产生电路。

2FSK信号可以由两个2ASK信号相加而成，其时域表达式为

(2—1） 式中，为二进制单极性非归零码,与的功率谱密度相同，相位不连续2FSK信号的功率谱密度为

（2。2)

2.2。2 2FSK的调制

2FSK的调制有两种方式，分别是模拟调频法和频率键控法。模拟调频法使用二进制数字基带信号控制一个振荡器的某些参数，直接改变振荡频率，输出不同频率的信号，其原理与模拟调制相同。模拟调频法产生的已调信号是CP2FSK信号,这种方法容易实现，但频率稳度差。

频率键控法是用数字矩形脉冲控制电子开关在两个振荡器进行转换，从而输出不同

频率信号的方法。如图2。2所示.在图（b）中，当数字基带信号s（）=1时,开关打向频率的振荡器，开关输出,当s(t）=0时，开关打向f2频率的振荡器,开关输出为。

如果两个振荡器是相互独立的，则输出的2FSK信号是离散相位的2FSK。在实际中两个频率的振荡是频率合成器供给的,这种方法的特点是切换速度快、波形好、频率稳度高,但设备较为复杂。

vcocosw1t cosw2tS(t)vco2FSK

图2.2 2FSK调制器原理图

2。2。3 2FSK的解调

2FSK的解调方法有鉴频法、过零点检测法、差分法、相干解调和非相干解调等.

（1）过零检测法

过零检测法是利用单位时间内信号经过零点的次数多少来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想，其原理如图2.4所示.2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流后形成与频率变化相应的尖脉冲序列,这个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触发宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量代表着信号的频率，脉冲越密,直流分量越大，反映出输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率一幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”.

BPF限幅器微分器整流器单稳LPF位同步器抽样判决器输出输入

图 2。3 过零检测法

2FSK信号的相干解调即在接收端恢复出调制载波的两个频率分量，分别与接收的

信号相乘，通过低通滤波器得到基带信号的解调方法，其原理如图2.4所示.截取后的接收信号分别与两路载波信号相乘后，经过低通滤波器输出的两路基带信号，此时经过抽样判决即可恢复出原始码元信息.

带通滤波器调制输入信号包络检波器包络检波器抽样判决器解调信号输出位同步信号带通滤波器

图2.4 2FSK非相干解调处理过程

2。3 多进制调制系统

多进制数字调制是用多进制数字基带信号改变高频载波参数，从而实现频谱搬移的过程.根据基带信号改变高频载波参数的不同，把多进制(设为M进制)数字调制分为多进制幅移键控(MASK),多进制频移键控(MFSK)，多进制相移键控(MPSK）等。

由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值，因此，与二进制数字调制相比，多进制数字调制有以下几个特点：

(1）在码元速率相同条件下，可以提高信息速率，使系统频带利用率增大。码元速率相同时，M进制系统的信息速率是二进制的倍。在实际应用中,通常取M=，其中k为大于1的正整数。

(2)在信息速率相同条件下，可以降低码元速率，以提高传输的可靠性。信息速率相同时，M进制的码元宽度是二进制的倍，这样就可以增加每个码元的能量,并能减小码间串扰影响。

(3）系统复杂程度加大，信号功率需求增加。

2.3。1 多进制频移键控

在多进制频移键控（MFSK）信号中，振幅相同,频率有M种，而每种频率对应M进制数字基带信号的一种状态.

图2。5是MFSK调制系统框图，其中输入为二进制信号，经串并变换为k位二进制信号同时输出.要求M=2k，发送端采用键控法产生MFSK信号。当某种组合的k位二迸制

信号进入逻辑电路(相当于译码器)，会有一个门电路打开，输出相应的频率载波.

输入2/M变换器f1f2fM门电路门电路门电路相加器输出…

图2。5 MFSK调制系统组成框图

图2.6是MFSK解调系统组成框图。与2FSK不同之处在于设置了M个带通及包络检波，抽样判决包络检波输出中最大者为相应基带信号，再通过逻辑电路和并串为k二迸制数字基带信号。接收端也可采用相干解调。在图中，一个M进制码元内只有某一个滤波器输出有信号,比较判决器在给定的时刻上比较各包络检波器输出的电压，并将结果输出。