0 引言
    在通信系統中，基帶數字信號在遠距離傳輸，特別是在有限帶寬的高頻信道如無線或光纖信道上傳輸時，必須對數字信號進行載波調制，這在日常生活和工業控制中被廣泛采用。數字信號對載波頻率調制稱為頻移鍵控即FSK。FSK是用不同頻率的載波來傳送數字信號，用數字基帶信號控制載波信號的頻率，是信息傳輸中使用較早的一種調制方式。它的主要特點是：抗干擾能力較強，不受信道參數變化的影響，傳輸距離遠，誤碼率低等。在中低速數據傳輸中，特別是在衰落信道中傳輸數據時，有著廣泛的應用。但傳統的FSK調制解調器采用“集成電路+連線”的硬件實現方式進行設計，集成塊多、連線復雜且體積較大，特別是相干解調需要提取載波，設備相對比較復雜，成本高。本文基于FPGA芯片，采用VHDL語言，利用層次化、模塊化設計方法，提出了一種2FSK調制解調器的實現方法。
    調制信號是二進制數字基帶信號時，這種調制稱為二進制數字調制。在二進制數字調制中，載波的幅度、頻率和相位只有兩種變化狀態。相應的調制方式有二進制振幅鍵控(2ASK)，二進制頻移鍵控(2FSK)和二進制相移鍵控(2PSK)。2FSK就是用兩種不同頻率的載波來傳送數字信號。特別適合應用于衰落信道，其占用頻帶較寬，頻帶利用率低，實現起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好，在中低速數據傳輸中得到了廣泛的應用。

1 調制解調的基本原理
    FSK就是利用載波信號的頻率變化來傳遞數字信息。在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點之間變化。故其表達式為：
  
    也就是說，一個2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加。因此，2FSK信號的時域表達式又可以寫成：

    2FSK信號的產生方法主要有兩種。一種可以采用模擬調頻電路來實現，另一種可以采用鍵控法來實現，即在二進制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通，使其在每個碼元Ts期間輸出f1或f2兩個載波之一。這種方法產生2FSK信號的差異
在于：由調頻法產生的2FSK信號在相鄰碼元之間的相位是連續變化的。而鍵控法產生的2FSK信號，是由電子開關在兩個獨立的頻率源之間轉換形成，故相鄰碼元之間的相位不一定連續。
    針對FSK信號的特點，我們可以提出基于FPGA的FSK調制器的一種實現方法-分頻法，這種方法是利用數字信號去控制可變分頻器的分頻比來改變輸出載波頻率，產生一種相位連續的FSK信號，而且電路結構簡單，容易實現。在2FSK信號中，載波頻率隨著二元數字基帶信號(調制信號)的“1”或“O”而變化，“1”對應于頻率為f1的載波，“O”對應于頻率為f2的載波。2FSK的已調信號的時域表達式為：
  
    2FSK信號的常用解調方法是采用非相干解調和相干解調。其解調原理是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進行解調，然后進行判決。這里的抽樣判決是直接比較兩路信號抽樣值的大小，可以不專門設置門限。判決規則應與調制規則相呼應，調制時若規定“1”符號對應載波頻率f1，則接收時上支路的樣值較大，應判為“1”，反之則判為“0”。

2 2FSK調制器設計
2．1 分頻法實現2FSK調制器
    鍵控法也常常利用數字基帶信號去控制可變分頻器的分頻比來改變輸出載波頻率，從而實現FSK的調制。實現2FSK調制的原理方框圖如圖1所示。


    其中FSK調制的核心部分包括分頻器、二選一選通開關等，圖中的兩個分頻器分別產生兩路數字載波信號；二選一選通開關的作用是以基帶信號作為控制信號，當基帶信號為“0”時，選通載波f1；當基帶信號為“1”時，選通載波f2。從選通開關輸出的信號就是數字FSK信號。這里的調制信號為數字信號。
2．2 仿真結果
    整個設計使用VHDL語言編寫，以EPM7032LC44-15為下載的目標芯片，在MAX+PLUSⅡ軟件平臺上進行布局布線后進行波形仿真，其中clk為輸入主時鐘信號；start為起始信號，當start為“1”的時候，開始解調；q1為載波信號f1的分頻計數器，q2為載波信號 f2的分頻計數器：f1、f2為載波信號；x為基帶信號：y為經過FSK調制器后的調制信號；當輸入的基帶信號x='O'時，輸出的調制信號y為f1，當輸入的基帶信號x='1'時，輸出的調制信號y為f2。仿真結果如圖2所示。


3 2FSK解調器設計
3．1 分頻法實現2FSK解調器
    過零檢測法與其他方法比較，最明顯的優點就是結構簡單、易于實現，而且對增益起伏不敏感，特別適用于數字化實現。它是一種經濟、實用的最佳數字解調方法。其方框圖如圖3所示。


    它利用信號波形在單位時間內與零電平軸交叉的次數來測定信號頻率。輸入的已調信號經限幅放大后成為矩形脈沖波，再經微分電路得到雙向尖脈沖，然后整流得到單向尖脈沖，每個尖脈沖代表信號的一個過零點，尖脈沖重復的頻率是信號頻率的兩倍。將尖脈沖去觸發一單穩態電路，產生一定寬度的矩形脈沖序列，該序列的平均分量與脈沖重復頻率，即輸入頻率信號成正比。所以經過低通濾波器的輸出平均量的變化反映了輸入信號的變化，這樣就完成了頻率一幅度的變換，把碼元“1” 與“0”在幅度上區分開來，恢復出數字基帶信號。實現2FSK解調器的原理方框圖如圖4所示。


3．2 仿真結果
    在MAX+PLUS軟件平臺上進行布局布線后進行波形仿真，其中clk為輸入主時鐘信號；start為起始信號，當start為“1”的時候，開始解調；x為輸入信號，本文中在調制階段的被調制信號，即是調制信號中的輸出信號，y為輸出信號，在正常情況下y就是在調制信號中的輸入信號，在 q=11時，m清零。在q=1O時，根據m的大小，進行對輸出基帶信號y的電平的判斷。在q為其它值時，計數器m計下xx(寄存x信號)的脈沖數。輸出信號y滯后輸入信號×10個clk。仿真結果如圖5所示。



4 2FSK調制解調器整體設計
    在整體設計過程中，整體電路如圖6所示，其中x為基帶信號，y為經過調制解調后的解調信號。


    調制解調器設計仿真結果如圖7所示。比較輸入信號x與輸出信號y，完全一樣，只是系統仿真結果有一定的延時。仿真結果表明，系統設計正確。



5 結論
    本文基于2FSK的基本原理，進行二進制調制解調器的設計。運用VHDL語言對器件進行功能描述，在MAX+PLUSⅡ軟件平臺上對所描述器件進行時序仿真，最后下載至目標芯片EPM7032LC44-15，分配合理引腳，進行仿真。設計過程中調制階段的基帶信號，經調制仿真得到解調所需的輸入信號。解調階段對來自調制階段得到的信號進行解調，所得解調信號即為原來調制基帶信號，起到了調制解調的作用。整個設計過程采用VHDL語言實現，設計靈活、修改方便，具有良好的可移植性及產品升級的系統性。