FSK综合设计实验教材.doc

实验九 综合设计性实验------二进制频移键控(FSK)调制与解调频移键控(FSK)是用不同频率的载波来传送数字信号，并用数字基带信号控制载波信号的频率二进制频移键控是用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平接收端收到不同的载波信号再进展逆变换成为数字信号，完成信息传输过程8.1 FSK信号的产生 FSK信号的产生有两种方法，直接调频法和频率键控法1． 直接调频法 直接调频法是用数字基带信号直接控制载频振荡器的振荡频率直接调频法实现电路有许多，一般采用的控制方法是：当基带信号为正时(相当于“1〞码)，改变振荡器谐振回路的参数(电容或者电感数值)，使振荡器的振荡频率提高(设为f1)；当基带信号为负时(相当于“0〞码)，改变振荡器谐振回路的参数(电容或者电感数值)，使振荡器的振荡频率降低(设为f2)；从而实现了调频，这种方法产生的调频信号是相位连续的虽然实现方法简单，但频率稳定度不高，同时频率转换速度不能太快2．频率键控法频率键控法也称频率选择法，图8.1是它实现的原理框图它有两个独立的振荡器，数字基带信号控制转换开关，选择不同频率的高频振荡信号实现FSK调制 频率键控法产生的FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过渡频率，它的转换速度快，波形好。

频率键控法在转换开关发生转换的瞬间，两个高频振荡的输出电压通常不可能相等，于是uFSK(t)信号在基带信息变换时电压会发生跳变，这种现象也称为相位不连续，这是频率键控特有的情况 图8-1 频率键控法的原理框图图8-2是利用两个独立分频器，以频率键控法来实现FSK调制的原理电路图在图8-1中，与非门3和4起到了转换开关的作用当数字基带信号为“1〞时，与非门4翻开，f1输出，当数字基带信号为“0”时，与非门3翻开，f2输出，从而实现了FSK调制图8-2 利用独立分频器的键控法实现FSK调制频率键控法也常常利用数字基带信号去控制可变分频器的分频比来改变输出载波频率，从而实现FSK调制图8-3是一个11／13可控分频器原理图当数字基带信号为“1〞时，第四级双稳态电路输出的反响脉冲被加到第一级和第二级双稳态电路上，此时分频比为13；当基带信号为“0〞时，第四级双稳态电路输出的反响脉冲被加到第一级和第三级双稳态电路上，分频比变为11由于分频比的改变，使输出信号频率发生变化，从而实现了FSK调制采用可变分频器产生的FSK信号相位通常是连续的，因此在基带信息变化时，FSK信号会出现过渡频率为减小过渡时间，可变分频器应工作于较高的频率，并在可变分频器后再插入固定分频器，使输出频率满足FSK信号要求的频率。

图8-3 利用可控分频器实现FSK调制FSK信号有相位不连续和相位连续两种情况，相位不连续的FSK信号可以视为两个频率分别为／1和／2的ASK信号的叠加，如图8-4所示图8-4 相位不连续的FSK信号可视为两个不同频率的ASK信号叠加8.2 基于VHDl硬件描述语言的FSK频率键控法调制程序设计1．FSK调制的建模方框图及电路符号FSK调制方框图如图8-5所示，FSK调制电路的VHDL建模符号如图8-6所示有了ASK调制的建模方法根底，再根据FSK调制原理，对FSK信号产生的建模框图就容易理解了FSK调制的核心局部包括分频器、二选一选通开关等图8-5中的两个分频器分别产生两路数字载波信号；二选一选通开关的作用是：以基带信号作为控制信号，当基带信号为“0”，选通载波f1；当基带信号为“1”时，选通载波f2从选通开关输出的信号就是数字FSK信号图中没有包含模拟电路局部，调制信号为数字信号图8-5 FSK调制方框图图8-6 FSK调制电路的VHDL建模符号2．FSK调制VHDL程序及仿真——文件名：PL_FSK——功能：基于VHDL硬件描述语言，对基带信号进展FSK调制libraryieee； useieee.std_logic_arith.all； useieee.std_logic_1164.a11； useieee.std_logic_unsigned.all； entityPL_FSK is port(clk ：instd_logic； ——系统时钟start ：instd _logic； ——开场调制信号* ：instd logic； ——基带信号y ：outstd_logic)；——调制信号 endPL_FSK； architecturebehave ofPL_FSK is signalql：integerrange0 to 11； ——载波信号n的分频计数器 signalq2：integerrange 0 to 3； ——载波信号n的分频计数器 signal f1,f2：std_logic；——载波信号f1,f2 begin process(clk) ——此进程通过对系统时钟clk的分频，得到载波f1 beginif clk'event.andclk=‘1’，thenif start=‘1’thenql<=0； elsifql<=5thenf1<=‘1’；q1<=q1+1；——改变q1后面的数字可以改变，载波f1的占空比elsifql=11then f1<=‘0’；q1<=0； ——改变q1后面的数字可以改变，载波f1的频率 else f1<=‘0’；q1<=q1+1； endif；endif； endprocess； process(clk) ——此进程通过对系统时钟clk的分频，得到载波f2 beginif clk'eventand clk=‘1’，then ifstart=‘0’thenq2<=0； elsifq2<=0 then f2<=‘1’;q2<=q2+1；——改变q2后面的数字可以改变，载波f2的占空比elsif q2=1 thenf2<=‘0’；q2<=0； ——改变q2后面的数字可以改变，载波f2的频率elsef2<=‘0’,q2<=q2+1； endif； endif； endprocess； process(clk,*) ——此进程完成对基带信号的FSK调制 beginif clk'eventand clk=‘1’thenif *=‘0’theny<=fl； ——当输入的基带信号*=‘0’时，输出的调制信号y为f1elsey<=f2；——当输入的基带信号*=‘1’时，输出的调制信号y为f2 end if； end避 endprocess； endbehav；3.FSK调制VHDL程序仿真图 FSK调制VHDI程序仿真图如图8-7所示。

a)FSK调制VHDL程序仿真图注：①载波f1、f2分别是通过对clk的12分频和2分频得到的；②基带码长为载波f1的2个周期，为载波f2的6个周期；⑧输出的调制信号y在时间上滞后于载波信号一个clk，滞后于系统时钟2个clkb)FSK调制VHDL程序仿真局部放大图 图8-7 FSK调制VHDL程序仿真图8.3 FSK信号的解调 数字频率键控(FSK)信号常用的解调方法有很多种，如同步(相干)解调法、过零检测 法和差分检波法等1．同步解调法同步解调中，FSK信号解调原理方框如图8—21所示图8-8 FSK信号同步解调原理方框图 从图8—8可见，FSK信号的同步解调器分成上、下两个支路，输入的FSK信号经过f1和f2，两个带通滤波器后变成了上、下两路ASK信号，之后其解调原理与ASK类似，但判决需对上、下两支路比较来进展假设上支路低通滤波器输出为，下支路低通滤波器输出为*2，则判决准则为*1- *2 >0， 判输入为f1信号 (8-1)*1-*2<0， 判输入为f2信号当输入的FSK信号振荡频率为f1时，上支路经带通后有正弦信号Acos2πf1t存在，与ASK系统接收到“1〞码时的情况相似，经过低通滤波器，*1=A。

而下支路带通滤波器输出为0，与ASK系统接收到“0〞码时情况相似，故*2=0，显然*1- *2=A-0>0，按判决准则判输入为fl；反之，当输入为f2时，*1=0，*2=A，*1- *2==0-A<0，按判决准则应判输入为f2因此可以判决出FSK信号2．包络解调法FSK信号包络解调方框图如8-9所示从图8-9可见，FSK信号包络解调相当于两路ASK信号包络解调用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1及f2的高频脉冲，经包络检波后分别取出它们的包络把两路输出同时送到抽样判决器进展比较，从而判决输出基带数字信号设频率f1代表数字信号1，f2代表0，则抽样判决器的判决准则为*1- *2 >0， 判输入为f1信号 *1-*2<0， 判输入为f2信号式中，*1和*2分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值这里的抽样判决器，要比较*1、*2大小，或者说把差值*1- *2与零电平比较因此，有时称这种比较判决器的判决门限为零电平 当FSK信号为f1时，上支路相当于ASK系统接收“1〞码的情况，其输出*1为正弦波加窄带高斯噪声的包络，它服从莱斯分布而下支路相当于ASK系统接收“0〞码的情况，输出*2为窄带高斯噪声的包络，它服从瑞利分布。

如果FSK信号为f2，上、下支路的情况正好相反，此时上支路输出的瞬时值服从瑞利分布，下支路输出的瞬时值服从莱斯分布 由以上分析可知，无论输出的FSK信号是fl或f2，两路输出总是一路为莱斯分布，另一路为瑞利分布，而判决准则仍为式(8-1)，因此可判决出FSK信号图8-9 FSK信号包络解调方框图3．过零检测法过零检测法方框图及波形如图8-10所示，它是利用信号波形在单位时间内与零电平轴穿插的次数来测定信号频率输入的uFSK信号经限幅放大后成为矩形脉冲波，再经微分电路得到双向尖脉冲，然后整流得单向尖脉冲，每个尖脉冲表示信号的一个过零点，尖脉冲的重复频率就是信号频率的二倍将尖脉冲去触发一单稳电路，产生一定宽度的矩形脉冲序列，该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比，即与输入信号频率成正比所以经过低通滤波器输出的平均分量的变化反映了输入信号频率的变化，这样就把码元“1〞与“0〞在幅度上区分开来，恢复出数字基带信号图8-10 FSK过零检测法方框图及波形8.4 基于VHDL硬件描述语言的FSK频率键控法解调程序设计1．FSK解调的建模原理FSK解调方框图如图8-11所示，FSK解调电路的VHDL建模符号如图8-12所示。

该模型与ASK的解调模型类似其核心局部由分频器、存放器、计数器和判决器组成图8-11中分频器的分频系数取值对应图8—5中的分频器1和分频器2中较小的分频系数值，也就是说FSK解调器的分频器输出为较高的那个载波信号由于f1和f2的周期不同，假设设f1=2 f2，且基带信号电平“1〞，对应f1；基带信号电平“0〞对应载波f2，则图8-11中计数器以f1为时钟信号，上升沿计数，基带信号“1〞码元对应的计数个数为1/ f1，基带信号“0〞码元对应的计数个数为1/ f2计数器根据两种不同的计数情况，对应输出“0”和“1〞两种电平判决器以f1为时钟信号，对计数器输出信号进展抽样判决，并输出基带信号图中没有包含模拟电路局部，调制。