基于FPGA 的2FSK 调制解调的研究

文/牛学芬　曹亚丽

频移键控(FSK) 是经国际电信联盟标准化的一种重要数字调制方式，广泛应用于数据量较小、数据率较低、短距离传输的通信领域。本文对基于FPGA 的2FSK调制解调的设计进行研究，给出软件功能仿真验证。

【关键词】频移键控 调制 解调 现场可编程门阵列

数字调制解调技术是数字通信技术的重要组成部分之一，它一直是通信领域的热点课题，数字调制技术将直接影响数字通信系统的质量。利用数字信号对载波的频率、振幅和相位三个参量进行控制时，数字调制可分为三种基本形式：频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK），振幅键控（Amplitude-Shift Keying，ASK），相移键控（Phase-ShiftKeying，PSK。实际应用中不同的调制方式形成通信系统的不同体制，从而决定各种通信系统的基本性能。FSK 调制在中低速通信系统中得到了广泛的应用，例如CID(Calling IdentityDelivery) 来电显示，低速的Modem，铁路系统和电力线载波通信。文中介绍了2FSK 调制的原理，并基于FPGA 设计了2FSK 调制解调电路。

1 2FSK基本原理

FSK 是利用载波的频率变化来传递数字信息，二进制频移键控2FSK是信号码元的‘1’和‘0’分别用两个不同的频率的正弦载波来传送，其表达式为：式中φ1 和φ0 是码元的初始相位，ω1=2πf1 和ω0=2πf0 为两个不同码元的角频率，A 为码元的包络。调制是将信息信号转换为信道信号或发送信号，主要作用就是便于发送和接收，提高接收端输出信号的质量，实现多路复用，而解调是调制的逆过程，它从接收的已

2 2FSK调制解调的设计及仿真

2.1 FPGA的基本设计流程

FPGA 具有功能强大，开发过程投资小、周期短，可反复编程修改，保密性能好，开发工具智能化等特点，正是因为它的这些优点，FPGA 在现代通信系统中正在发挥越来越重要的作用。FPGA 的设计流程就是利用EDA 开发软件和编程工具对FPGA 芯片进行开发的过程。具体的开发流程一般包括电路设计、设计输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现与布局布线、时序仿真与验证、板级仿真与验证，以及芯片编程与调试等主要步骤。文中设计基于Altera 公司的cyclone 系列芯片，采用Quartus Ⅱ开发软件。Quartus Ⅱ支持原理图式图形设计输入，文本设计输入（如ADHL、VHDL、Verilog 等HDL 语言），及波形输入等方式。常用方式是以HDL 语言为主，原理图为辅，进行混合设计以发挥二者各自特色。

2.2 2FSK调制模块设计

2FSK 调制方式有模拟调频法和频率调频法，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。这种方法容易实现，但频率稳定度差。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间转换，从而输出不同频率信号的方法。该设计采用频率键控法，整个电路共分为分频器、m 序列产生器、跳变检测、数据选择器正弦信号产生器五个部分，设计框图如图1所示。2FSK 调制的仿真图如图2 所示， 当基带信号为0，调制信号输出选通载波f0，当基带信号为1，调制信号输出选通载波f1。

2.3 2FSK解调模块设计

解调采用过零点检测法，由于2FSK 信号的两种码元的频率不同，所以计算码元中信号波形的过零数目多少，就可以衡量频率的高低，故检出数字调频信号的过零点数即可得到相应的载波频率值，根据已知的载波频率确定基带信号从而判断出基带信号。图3 为2FSK 解调电路仿真结果，DEPSK 为恢复的基带信号形式。

3 结论

本文对2FSK 调制解调部分的设计进行了研究和仿真验证，整个设计过程基于采用VHDL 语言实现，设计灵活、修改方便，具有良好的可移植性，能更好地满足现代通信系统的要求，比专用芯片具有更大的灵活性和可控性。

参考文献

[1] 胡泽文. 基于FPGA 的FSK 调制系统设计[D]. 北京: 电子科技大学，2011(03).

[2] 樊昌信. 通信原理[M]. 北京: 电子工业出版社，2009．

作者简介

牛学芬（1979-），女，河北省秦皇岛市人。硕士。东现为北大学秦皇岛分校讲师，主要从事信号处理研究。

作者单位

东北大学秦皇岛分校　河北省秦皇岛市066004__