基于FPGA的MFSK调制电路设计与仿真

摘要：数字调制解调技术在数字通信中占有非常重要的地位，数字通信技术与FPGA的结合是现代通信系统发展的一个必然趋势。文中介绍了MFSK调制解调的原理，并基于FPGA实现了MFSK调制电路,仿真结果表明了该设计的正确性。
关键词：MFSK；FPGA；调制;解调

数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统．频带传输系统也叫数字调制系统。数字调制信号又称为键控信号，数字调制过程中处理的是数字信号，而载波有振幅、频率和相位3个变量，且二进制的信号只有高低电平两个逻辑量1和0，所以调制的过程可用键控的方法由基带信号对载频信号的振幅、频率及相位进行调制，最基本的方法有3种：正交幅度调制(QAM)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)．根据所处理的基带信号的进制不同分为二进制和多进制调制(M 进制)．多进制数字调制与二进制相比，其频谱利用率更高。本文研究了基于FPGA的MFSK(多频键控)调制电路的实现方法，并给出了MAX+PLUSII环境下的仿真结果。

1         MFSK简介

MFSK系统是2FSK(二频键控)系统的推广,该系统有M个不同的载波频率可供选择，每一个载波频率对应一个M进制码元信息，即用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号，在某一码元时间内只发送其中一个频率。MFSK信号可表示为：

为载波角频率，通常采用相位不连续的振荡频率，这样便于利用合成器来提供稳定的信号频率。图1 为MFSK系统的原理框图。在发送端，输入的二进制码元经过逻辑电路和串/并变换电路转换为M进制码元，每k位二进制码分为一组，用来选择不同的发送频率。在接收端，当某一载波频率到来时，只有相应频率的带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器输出的都是噪声。抽样判决器的任务就是在某一时刻比较所有包络检波器的输出电压，通过选择最大值来进行判决。将最大值输出就得到一个M进制码元，然后，再经过逻辑电路转换成k位二进制并行码，再经过并/串变换电路转换成串行二进制码，从而完成解调过程。

图1  MFSK系统原理框图

2        MFSK调制电路的FPGA实现

2.1      基于FPGA的MFSK调制电路方框图

   调制电路方框图如图2所示。基带信号通过串/并转换得到2位并行信号；四选一开关根据两位并行信号选择相应的载波输出（例中M取4）。

图2   MFSK调制电路方框图

2.2        MFSK调制电路VHDL程序

调制电路VHDL关键代码如下：

entity MFSK is

port(clk       :in std_logic;            --系统时钟

     start     :in std_logic;            --开始调制信号

     x       :in std_logic;             --基带信号

     y       :out std_logic);           --调制信号

end MFSK;

architecture behav of MFSK is

signal q :integer range 0 to 15;           --计数器

signal f :std_logic_vector(3 downto 0);    --分频器

signal xx:std_logic_vector(1 downto 0);   --寄存输入信号x的2位寄存器

signal yy:std_logic_vector(1 downto 0);   --寄存xx信号的寄存器

begin

process(clk)  --此进程过对clk进行分频，得到4种载波信号f3、f2、 f1、f0。

begin

if clk'event and clk='1' then

   if start='0' then f<="0000";

   elsif f="1111" then f<="0000";

   else f<=f+1;

   end if;

end if;

end process;

process(clk)              --对输入的基带信号x进行串/并转换，得到2位并行信号的yy

begin

if clk'event and clk='1' then

   if start='0' then q<=0;

   elsif q=0 then q<=1;xx(1)<=x;yy<=xx;

   elsif q=8 then q<=9;xx(0)<=x;

   else  q<=q+1;

   end if;

end if;

end process;

process(clk,yy)                          --此进程完成对输入基带信号x的MFSK调制

begin

if clk'event and clk='1' then

   if start='0' then y<='0';                 -- if语句完成2位码并行码到4种载波的选通

   elsif yy="00" then y<=not f(3);

   elsif yy="01" then y<=not f(2);

   elsif yy="10" then y<=not f(1);

   else  y<=not f(0);

   end if;

end if;

end process;

end behav;

2.3          仿真结果

MAX+PLUSII环境下的仿真结果如图3所示。

图3  MFSK调制程序仿真结果

注：中间信号yy与输出调制信号y的对应关系：“00”=f3；“01”=f2；“10”=f1；“11”=f0。

3  结束语

多进制数字调制技术与FPGA的结合使得通信系统的性能得到了迅速的提高。本文基于FPGA实现了MFSK调制电路部分，限于篇幅，没有对解调部分的电路进行讨论。在实际应用中，完全可以把调制部分和解调部分电路都集成到一片FPGA芯片内，这样即提高了FPGA内部结构的利用率，又可以降低系统的成本。

参考文献：

[1] 张学平，王应生等.基于FPGA的OQPSK解调器的设计与实现[J].微计算机信息，2006，第4-2期：155-157
[2] 黄智伟.FPGA系统设计与实践[M].北京：电子工业出版社，2005
[3] 董在望.通信电路原理[M].北京：高等教育出版社,2002