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——电气学院 EDA课程论文 学院： 基于VHDL的2FSK信号发生器 摘要：二进制频移键控技术（2FSK）具有方法简单，易于实现，解调不需恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能较强等优点。本文基于VHDL和MAX+plusⅡ软件开发平台，利用VHDL硬件描述语言，自上而下地逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件2FSK信号发生器的设计，介绍了具体设计方法和仿真分析结果。上述设计除了系统行为和功能描述以外，其他所有的功能都是由计算机自动完成。该设计容量大、速度快、体积小，在电子行业应用中，占有极其重要的地位。 关键词：2FSK；VHDL；信号发生器 一、引言 随着电子计算机的普及，数据通信技术正在迅速发展。数字频率调制是数据通信中常见的一种调制方式。二进制频移键控方法简单，易于实现，解调不需恢复本地载波，支持异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强。因此2FSK调制技术在通信行业得到了广泛的应用，并且主要适用于低、中速数据传输。2FSK是用两个不同频率的正弦波信号构成，分别表示基带信号的0和1，通过发送这两正弦信号来实现对基带信号的传输。2FSK中M序列发生器可以看作是一个基带信号源，在实际应用中，可以由具体信号源来替代。12MHz时钟信号经过分频器产生240KHz、120KHz和1.2KHz三个频率信号，1.2KHz信号用来产生1.2KHz的M伪随机序列信号[1]。2选1数据选择器由M序列信号控制在240KHz和120KHz两个信号中选择一个输出。正弦波发生器根据输入信号的频率产生两个不同频率的数字正弦波信号，经过D/A后变成不同频率的正弦波信号输出。由于微电子技术的迅猛发展，使得VHDL的性能指标，例如规模、功能、时间等性能也越来越好。VHDL在数字系统设计中占据了越来越重要的位置。而随着器件的发展，开发环境也进一步得到优化。VHDL程序的设计可用Altera公司的MAX+PlusⅡ软件开发系统来实现，它为用户提供了良好的开发环境，包含有丰富的库资源，很容易实现各种电路设计，它支持多种输入方式，并有极强的仿真系统。它最大的优点是支持在线调试，这对于长期从事电路设计调试者来说极大地提高了效率。缩短了产品开发和市场之间的距离，这标志着EDA（Electronic Design Automation）技术已经成熟。 二、2FSK信号产生器各模块 整个2FSK系统共分为分频器、m序列产生器、跳变检测、正弦波信号发生器和DAC数模变换器等5部分，其中前4部分由FPGA器件完成。图3-1所示为2FSK信号发生器框图。 图3-1 2FSK信号发生器框图 2.1 分频器 本设计的数据速率为1.2kb/s，要求产生1.2KHz 和2.4KHz两个正弦信号。对每个码元持续周期所对应正弦信号取100个采样点，因此要求能产生两个时钟信号：1.2KHz（数据速率）和120KHz（正弦波信号发生器输入时钟）。基准时钟由外部时钟输入，因此需设计一个100分频器产生120KHz信号，再设计一个100分频器产生1.2KHz信号[4,5]。 2.2 m序列产生器 m序列是伪随机序列的一种，它的显著特点是： （1）随机特性； （2）预先可确定性； （3）循环特性，从而在通信领域得到了广泛的应用。 本设计用一种带有两个反馈抽头的三级反馈移位寄存器得到一串“1110010”循环序列，并采取措施防止进入全“0”状态。通过更换时钟频率，可以方便地改变输入码元的速率。 m序列产生器的电路结构如图3-2所示。 图3-2 “1110010” 伪随机m序列产生器图 2.3 跳变检测 将跳变检测引入正弦波的产生中，可以使每次基带码元上升沿或下降沿到来时，对应输出波形位于正弦波形的处[6]。 基带信号的跳变检测可以有很多方法，图3-3所示为一种在可编程逻辑器件中实现的方案。 图3-3 信号跳变检测电路图 2.4 正弦信号的产生 用数字电路和DAC变换器可以产生要求的模拟信号。根据抽样定理可知，当用模拟信号最大频率两倍以上的速率对该模拟信号采样时，便可将原模拟信号不失真地恢复出来。本设计要求得到的是两个不同频率的正弦信号，其频率正好呈倍数关系。设计中对1.2KHz的正弦波一个周期采样100个点，即采样速率为原正弦信号频率的100倍。因此完全可以在接收端将原正弦信号不失真地恢复出来，从而可以在接收端对FSK信号正确地解调。 本设计中每个采样点采用8位量化编码，即8位分辨率。采样点的个数与分辨率的大小主要取决于FPGA器件的容量，其中分辨率的高低还与DAC的位数有关。 本设计中，数字基带信号与2FSK调制信号的对应关系