数字通信中2FSK调制解调器的设计实现*

吴常昊， 肖沙里

(重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044)

数字通信因其在通信过程中没有噪声积累，抗干扰能力强，易加密且方便进行后续处理而成为通信系统中最主要的通信方式之一[1]。在信号传输之前需对数字信号进行频率、相位或者幅度的载波调制，其中频移键控(FSK)是用不同的频率对数字信号进行载波调制，转换速度快且性能较好，容易实现[2]。2FSK即二进制频移键控，数字基带信号由二进制数字“1”和“0”组成，通过对两个载波频率f1和f2的选通来传输基带信号，这样的选通机制使其转换迅速、波形稳定。基于Quartus13.1平台，采用Verilog硬件描述语言，模块化地设计并实现系统的构建，得到了较高性能和适用性的2FSK调制解调器，并构建紫外激光通信系统对2FSK调制解调器进行实际应用及性能测试。

1 系统整体结构

系统采用Altera EP4CE10F17C8作为主控芯片，Quartus13.1作为开发平台，取最常用的50 MHz系统时钟。首先用分频器将系统时钟4分频得到12.5 MHz、8分频得到6.25 MHz作为2FSK的两个载频，32分频得到1.562 5 MHz作为伪随机序列发生器的输入时钟，系统时钟50 MHz直接作为2FSK解调器的输入时钟。用伪随机序列发生器(m序列)来产生基带数字信号源，之后将基带数字信号送给2FSK调制器进行载频调制后得到2FSK已调信号，最后将已调信号传送到2FSK解调器进行判决解调恢复出原始信号。系统整体结构图如图1所示。

图1 系统整体结构图

2 系统设计与实现

2.1 数字基带信号源的设计与实现

数字基带信号源可以由DDS信号源直接产生，也可以编写文件产生伪噪声随机序列作为数字基带信号源，本文采用Verilog语言产生数字基带信号源。伪噪声随机码是数字通信中最常用的基带信号源，m序列是其中一种具有优良性能、易实现的重要伪噪声序列。m序列通常由寄存器根据不同的本原多项式自动更新当前状态并移位产生[3]。通常寄存器状态的更新有斐波那契法和伽瓦罗法两种实现形式，本文采用斐波那契法计算寄存器状态，不断刷新寄存器，同时将每个状态的最高位移出得到伪随机m序列。斐波那契法实现m序列框图如图2所示。

图2斐波那契法实现框图

Fig.2Fibonacciimplementationblockdiagram

根据初值的位数n可以确定寄存器共有2n-1个状态。取n=7，则寄存器有27-1=127个状态。首先给寄存器赋初值0000011，使其产生一个固定的序列，然后通过斐波那契方式计算下一个状态寄存器的输入值，更新当前寄存器的值，并输出每一个状态的最高位，这样循环更新移位输出，便可以得到m序列即本系统的数字基带信号源。其RTL仿真图如图3所示。

图3 m序列RTL仿真图

2.2 2FSK调制器的设计与实现

数字基带信号的调制采用二进制频率键控法，两个频率的切换对应两个二进制数字的选择，这样产生的2FSK信号频率转换迅速且稳定，输出波形规则[4]。在实际应用中通常采用分频器来代替两个独立的振荡器，产生不同的载波频率，通过分频器产生12.5 MHz时钟作为载频f1，使其对应于2FSK信号的“1”，6.25 MHz时钟作为载频f2，对应2FSK信号的“0”。根据基带信号的高低状态用数据选择器来进行对两个载波频率的选择，进而完成数字基带信号的频率载波调制。2FSK信号调制框图如图4所示。

图4 2FSK信号调制框图

2.2.1 分频器与数据选择器

分频器是数字通信中一种简单高效的频率转换电路，能将输入信号进行倍频或者分频为所需的输出信号频率[5]。分频器可以使用硬件描述语言编写计数器进行分频，也可以使用Altera 提供的PLL锁相环进行时钟分频得到稳定的载波频率。使用PLL对系统时钟进行4分频得到12.5 MHE载波频率f1、8分频得到6.25 MHE载波频率f2，32分频得到1.562 5 MHE作为伪随机序列的输入时钟fm，并编写测试文件进行仿真，时钟分频RTL仿真图如图5所示。

图5 时钟分频仿真图

数据选择器在电子电路中应用广泛，能够根据不同的选择条件下从多路输入信号选择出一路作为输出。数据选择器根据信号输入量的不同可以有不同的数据选择类型，而本文需要2选1数据选择器，2FSK调制器需要对两路载波频率f1和f2进行选择，根据数字基带信号输出的高低状态选择与之对应的两个载频，输出高电平状态代表选择载频f1，低电平状态代表选择载频f2，其表达式如下。

(1)

2.2.2 调制器的实现与仿真

将上述的分频器模块、数字基带信号源模块和数据选择器模块进行顶层例化连接，编译后便可以得到如图6的2FSK调制器RTL视图。编写顶层测试文件做RTL功能仿真得到2FSK调制器RTL仿真图如图7所示。图中伪随机m序列产生数字基带信号源输出为data_out，已调信号输出为q。

图6 2FSK调制器RTL视图

从图中可以看出：系统正常工作后，3个分频f1、f2，fm稳定无误；m序列产生的数字基带信号源data_out符合系统要求；数据选择器在两个不同载波频率的驱动下，在基带信号为高电平时选择载频f1，低电平时选择载频f2。说明调制系统功能仿真无误，能够准确无误地运行。

2.3 2FSK解调器的设计与实现

文中2FSK信号的解调采用过零检测法，过零检测法原理简单，实用且易实现[6]，适用于数字通信解调[7]。由过零检测法原理知，二进制频移键控信号的过零点数与载波频率具有对应关系，通过对已调信号一个周期内过零点数的检测可以得到载波频率的变化，再按照载频和基带信号高低电平的对应关系便能解调出原始基带信号。选通载频f1则说明数字基带信号为高电平，选通载频f2说明数字基带信号为低电平，那么只需要分析出已调信号的过零点次数，再结合选通载频的条件，即可解调出数字基带信号。本文中时钟计数器signal_cnt用来计算已调信号的周期，以便判断一个已调信号的传输是否完成；边沿计数器rising_cnt用以记录每个周期内调制信号上升沿的个数；设置判决器judger，用来对每个周期内已调信号的上升沿计数值进行高低电平的判决。这样就可以进行载波频率到电平高低的转换，把已调信号的电平高低区分开来，解调出原始信号。2FSK解调器框图如图8所示。

图8 2FSK解调器框图

系统时钟CLK_50M与调制频率CLK_1.5625M比值为32∶1，那么一个2FSK调制信号的传输需要32个CLK时钟周期，即时钟计数器signal_cnt从0计数到31。同时使用边沿计数器rising_cnt对每个调制信号的上升沿进行计数，由于载频f1与调制频率fm的比值为8∶1，载频f2与调制频率fm的比值为4∶1，即每个调制信号码元有8个周期的载频f1，4个周期的载频f2。本文将判决器judger的判定量值以f2和fm的比值为标准设置为8(也可以把f2和fm的比值8作为判定量值)，这样就可以通过判决器根据判定量值恢复出载频所对应的高低电平信号(base_out)。2FSK解调器RTL仿真图如图9所示。

图9 2FSK解调器RTL仿真图

3 2FSK调制解调器整体实现

在Quartus13.1中创建2FSK_top文件，对所有硬件描述文件进行编译，将调制器和解调器进行顶层例化连线，得到2FSK调制解调器的RTL视图如图10所示。编译无误后编写测试激励文件进行RTL功能仿真，得到2FSK调制解调器的RTL仿真图如图11所示。

图10 2FSK调制解调器RTL视图

图11 2FSK调制解调器RTL仿真图

由图11可以看出：3个时钟分频f1、f2、fm稳定无误；基带信号源signal_jidai产生无误且符合系统要求；基带信号signal_jidai为高电平时已调信号signal_tiaozhi选择载频f1，低电平时已调信号signal_tiaozhi选择载频f2，说明2选1数据选择器正常工作且信号调制无误；当时钟计数器signal_cnt从0计数到31，表示一个2FSK调制信号传输完成；当边沿计数器rising_cnt从0计数到7，则判决器judger判定电平高低，进行频率到电平高低的转换，再由电平高低解调出原始数字信号signal_jietiao。

4 2FSK调制解调器的应用

在实际数字通信系统应用中数字信号的调制经常会出现误码等问题[8]。为了验证此2FSK调制解调器在实际应用中的性能，基于实验室的条件，构建了紫外激光通信系统，将2FSK调制解调器应用到紫外激光通信系统中，测试系统在紫外激光通信中所产生的的误码率以及对系统通信速率的影响。紫外激光通信系统的光源采用长春市微米光电有限公司的LL266-Q型波长为266 nm、输出功率为1～200 mW的脉冲紫外激光器，北京金先锋光电科技有限公司的PMT光电倍增管来探测紫外光信号将信号进行光电转换，玻色智能科技公司的Asahi-Spectra日盲紫外滤光片进行杂光过滤处理。微弱电信号经过预处理电路对信号放大、滤波和脉宽整形后进行调制解调。紫外激光通信系统构建实物图如图12所示。

图12 紫外激光通信系统构建图

将光束入射角度固定为π/4进行单一距离测试，在实验室内距离分别为3 m、5 m、10 m进行了多次试验，结果表明系统在短距离内通信误码率极低，基本可以忽略不计。为了验证系统的较远距离传输性能，将系统装置放置到实验室楼道进行20 m和50 m距离处进行系统测试，经过多次试验，紫外激光通信系统在实验室楼道50 m处可以实现误码率为10-4、通信速率为600 bps的极低速率通信。在相同光束入射角度，各距离(实验室条件下)的通信平均误码率如表1所示。

表1 各距离的通信误码率

5 结 论

详细说明了数字通信中2FSK调制解调系统的构成和实现，对系统进行了模块化设计和仿真实现，并且完成了各模块的例化互连，无误码地实现了数字基带信号的2FSK调制解调。并且在实验室条件下，构建了基于2FSK调制解调器的紫外激光通信系统，测试了设计的2FSK调制解调器在实际数字通信系统中的性能。多次试验说明2FSK调制解调器功能无误，在光束入射角为π/4，距离为50 m处可以实现误码率为10-4、通信速率为600 bps的低误码极低速率通信。但若要提高通信距离、降低通信速率和误码率，在以后的研究中必须要改进调制解调手段，解决切换频率过渡带问题[9]、优化激光光源、寻找最佳光束入射角度，使用更加精确的光电探测器和滤光装置等。

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