吳常昊， 肖沙里

(重慶大學 光電技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400044)

數(shù)字通信因其在通信過程中沒有噪聲積累，抗干擾能力強，易加密且方便進行后續(xù)處理而成為通信系統(tǒng)中最主要的通信方式之一[1]。在信號傳輸之前需對數(shù)字信號進行頻率、相位或者幅度的載波調(diào)制，其中頻移鍵控(FSK)是用不同的頻率對數(shù)字信號進行載波調(diào)制，轉換速度快且性能較好，容易實現(xiàn)[2]。2FSK即二進制頻移鍵控，數(shù)字基帶信號由二進制數(shù)字“1”和“0”組成，通過對兩個載波頻率f1和f2的選通來傳輸基帶信號，這樣的選通機制使其轉換迅速、波形穩(wěn)定。基于Quartus13.1平臺，采用Verilog硬件描述語言，模塊化地設計并實現(xiàn)系統(tǒng)的構建，得到了較高性能和適用性的2FSK調(diào)制解調(diào)器，并構建紫外激光通信系統(tǒng)對2FSK調(diào)制解調(diào)器進行實際應用及性能測試。

1 系統(tǒng)整體結構

系統(tǒng)采用Altera EP4CE10F17C8作為主控芯片，Quartus13.1作為開發(fā)平臺，取最常用的50 MHz系統(tǒng)時鐘。首先用分頻器將系統(tǒng)時鐘4分頻得到12.5 MHz、8分頻得到6.25 MHz作為2FSK的兩個載頻，32分頻得到1.562 5 MHz作為偽隨機序列發(fā)生器的輸入時鐘，系統(tǒng)時鐘50 MHz直接作為2FSK解調(diào)器的輸入時鐘。用偽隨機序列發(fā)生器(m序列)來產(chǎn)生基帶數(shù)字信號源，之后將基帶數(shù)字信號送給2FSK調(diào)制器進行載頻調(diào)制后得到2FSK已調(diào)信號，最后將已調(diào)信號傳送到2FSK解調(diào)器進行判決解調(diào)恢復出原始信號。系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 數(shù)字基帶信號源的設計與實現(xiàn)

數(shù)字基帶信號源可以由DDS信號源直接產(chǎn)生，也可以編寫文件產(chǎn)生偽噪聲隨機序列作為數(shù)字基帶信號源，本文采用Verilog語言產(chǎn)生數(shù)字基帶信號源。偽噪聲隨機碼是數(shù)字通信中最常用的基帶信號源，m序列是其中一種具有優(yōu)良性能、易實現(xiàn)的重要偽噪聲序列。m序列通常由寄存器根據(jù)不同的本原多項式自動更新當前狀態(tài)并移位產(chǎn)生[3]。通常寄存器狀態(tài)的更新有斐波那契法和伽瓦羅法兩種實現(xiàn)形式，本文采用斐波那契法計算寄存器狀態(tài)，不斷刷新寄存器，同時將每個狀態(tài)的最高位移出得到偽隨機m序列。斐波那契法實現(xiàn)m序列框圖如圖2所示。

圖2斐波那契法實現(xiàn)框圖

Fig.2Fibonacciimplementationblockdiagram

根據(jù)初值的位數(shù)n可以確定寄存器共有2n-1個狀態(tài)。取n=7，則寄存器有27-1=127個狀態(tài)。首先給寄存器賦初值0000011，使其產(chǎn)生一個固定的序列，然后通過斐波那契方式計算下一個狀態(tài)寄存器的輸入值，更新當前寄存器的值，并輸出每一個狀態(tài)的最高位，這樣循環(huán)更新移位輸出，便可以得到m序列即本系統(tǒng)的數(shù)字基帶信號源。其RTL仿真圖如圖3所示。

圖3 m序列RTL仿真圖

2.2 2FSK調(diào)制器的設計與實現(xiàn)

數(shù)字基帶信號的調(diào)制采用二進制頻率鍵控法，兩個頻率的切換對應兩個二進制數(shù)字的選擇，這樣產(chǎn)生的2FSK信號頻率轉換迅速且穩(wěn)定，輸出波形規(guī)則[4]。在實際應用中通常采用分頻器來代替兩個獨立的振蕩器，產(chǎn)生不同的載波頻率，通過分頻器產(chǎn)生12.5 MHz時鐘作為載頻f1，使其對應于2FSK信號的“1”，6.25 MHz時鐘作為載頻f2，對應2FSK信號的“0”。根據(jù)基帶信號的高低狀態(tài)用數(shù)據(jù)選擇器來進行對兩個載波頻率的選擇，進而完成數(shù)字基帶信號的頻率載波調(diào)制。2FSK信號調(diào)制框圖如圖4所示。

圖4 2FSK信號調(diào)制框圖

2.2.1 分頻器與數(shù)據(jù)選擇器

分頻器是數(shù)字通信中一種簡單高效的頻率轉換電路，能將輸入信號進行倍頻或者分頻為所需的輸出信號頻率[5]。分頻器可以使用硬件描述語言編寫計數(shù)器進行分頻，也可以使用Altera 提供的PLL鎖相環(huán)進行時鐘分頻得到穩(wěn)定的載波頻率。使用PLL對系統(tǒng)時鐘進行4分頻得到12.5 MHE載波頻率f1、8分頻得到6.25 MHE載波頻率f2，32分頻得到1.562 5 MHE作為偽隨機序列的輸入時鐘fm，并編寫測試文件進行仿真，時鐘分頻RTL仿真圖如圖5所示。

圖5 時鐘分頻仿真圖

數(shù)據(jù)選擇器在電子電路中應用廣泛，能夠根據(jù)不同的選擇條件下從多路輸入信號選擇出一路作為輸出。數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)信號輸入量的不同可以有不同的數(shù)據(jù)選擇類型，而本文需要2選1數(shù)據(jù)選擇器，2FSK調(diào)制器需要對兩路載波頻率f1和f2進行選擇，根據(jù)數(shù)字基帶信號輸出的高低狀態(tài)選擇與之對應的兩個載頻，輸出高電平狀態(tài)代表選擇載頻f1，低電平狀態(tài)代表選擇載頻f2，其表達式如下。

(1)

2.2.2 調(diào)制器的實現(xiàn)與仿真

將上述的分頻器模塊、數(shù)字基帶信號源模塊和數(shù)據(jù)選擇器模塊進行頂層例化連接，編譯后便可以得到如圖6的2FSK調(diào)制器RTL視圖。編寫頂層測試文件做RTL功能仿真得到2FSK調(diào)制器RTL仿真圖如圖7所示。圖中偽隨機m序列產(chǎn)生數(shù)字基帶信號源輸出為data_out，已調(diào)信號輸出為q。

圖6 2FSK調(diào)制器RTL視圖

從圖中可以看出：系統(tǒng)正常工作后，3個分頻f1、f2，fm穩(wěn)定無誤；m序列產(chǎn)生的數(shù)字基帶信號源data_out符合系統(tǒng)要求；數(shù)據(jù)選擇器在兩個不同載波頻率的驅動下，在基帶信號為高電平時選擇載頻f1，低電平時選擇載頻f2。說明調(diào)制系統(tǒng)功能仿真無誤，能夠準確無誤地運行。

2.3 2FSK解調(diào)器的設計與實現(xiàn)

文中2FSK信號的解調(diào)采用過零檢測法，過零檢測法原理簡單，實用且易實現(xiàn)[6]，適用于數(shù)字通信解調(diào)[7]。由過零檢測法原理知，二進制頻移鍵控信號的過零點數(shù)與載波頻率具有對應關系，通過對已調(diào)信號一個周期內(nèi)過零點數(shù)的檢測可以得到載波頻率的變化，再按照載頻和基帶信號高低電平的對應關系便能解調(diào)出原始基帶信號。選通載頻f1則說明數(shù)字基帶信號為高電平，選通載頻f2說明數(shù)字基帶信號為低電平，那么只需要分析出已調(diào)信號的過零點次數(shù)，再結合選通載頻的條件，即可解調(diào)出數(shù)字基帶信號。本文中時鐘計數(shù)器signal_cnt用來計算已調(diào)信號的周期，以便判斷一個已調(diào)信號的傳輸是否完成；邊沿計數(shù)器rising_cnt用以記錄每個周期內(nèi)調(diào)制信號上升沿的個數(shù)；設置判決器judger，用來對每個周期內(nèi)已調(diào)信號的上升沿計數(shù)值進行高低電平的判決。這樣就可以進行載波頻率到電平高低的轉換，把已調(diào)信號的電平高低區(qū)分開來，解調(diào)出原始信號。2FSK解調(diào)器框圖如圖8所示。

圖8 2FSK解調(diào)器框圖

系統(tǒng)時鐘CLK_50M與調(diào)制頻率CLK_1.5625M比值為32∶1，那么一個2FSK調(diào)制信號的傳輸需要32個CLK時鐘周期，即時鐘計數(shù)器signal_cnt從0計數(shù)到31。同時使用邊沿計數(shù)器rising_cnt對每個調(diào)制信號的上升沿進行計數(shù)，由于載頻f1與調(diào)制頻率fm的比值為8∶1，載頻f2與調(diào)制頻率fm的比值為4∶1，即每個調(diào)制信號碼元有8個周期的載頻f1，4個周期的載頻f2。本文將判決器judger的判定量值以f2和fm的比值為標準設置為8(也可以把f2和fm的比值8作為判定量值)，這樣就可以通過判決器根據(jù)判定量值恢復出載頻所對應的高低電平信號(base_out)。2FSK解調(diào)器RTL仿真圖如圖9所示。

圖9 2FSK解調(diào)器RTL仿真圖

3 2FSK調(diào)制解調(diào)器整體實現(xiàn)

在Quartus13.1中創(chuàng)建2FSK_top文件，對所有硬件描述文件進行編譯，將調(diào)制器和解調(diào)器進行頂層例化連線，得到2FSK調(diào)制解調(diào)器的RTL視圖如圖10所示。編譯無誤后編寫測試激勵文件進行RTL功能仿真，得到2FSK調(diào)制解調(diào)器的RTL仿真圖如圖11所示。

圖10 2FSK調(diào)制解調(diào)器RTL視圖

圖11 2FSK調(diào)制解調(diào)器RTL仿真圖

由圖11可以看出：3個時鐘分頻f1、f2、fm穩(wěn)定無誤；基帶信號源signal_jidai產(chǎn)生無誤且符合系統(tǒng)要求；基帶信號signal_jidai為高電平時已調(diào)信號signal_tiaozhi選擇載頻f1，低電平時已調(diào)信號signal_tiaozhi選擇載頻f2，說明2選1數(shù)據(jù)選擇器正常工作且信號調(diào)制無誤；當時鐘計數(shù)器signal_cnt從0計數(shù)到31，表示一個2FSK調(diào)制信號傳輸完成；當邊沿計數(shù)器rising_cnt從0計數(shù)到7，則判決器judger判定電平高低，進行頻率到電平高低的轉換，再由電平高低解調(diào)出原始數(shù)字信號signal_jietiao。

4 2FSK調(diào)制解調(diào)器的應用

在實際數(shù)字通信系統(tǒng)應用中數(shù)字信號的調(diào)制經(jīng)常會出現(xiàn)誤碼等問題[8]。為了驗證此2FSK調(diào)制解調(diào)器在實際應用中的性能，基于實驗室的條件，構建了紫外激光通信系統(tǒng)，將2FSK調(diào)制解調(diào)器應用到紫外激光通信系統(tǒng)中，測試系統(tǒng)在紫外激光通信中所產(chǎn)生的的誤碼率以及對系統(tǒng)通信速率的影響。紫外激光通信系統(tǒng)的光源采用長春市微米光電有限公司的LL266-Q型波長為266 nm、輸出功率為1～200 mW的脈沖紫外激光器，北京金先鋒光電科技有限公司的PMT光電倍增管來探測紫外光信號將信號進行光電轉換，玻色智能科技公司的Asahi-Spectra日盲紫外濾光片進行雜光過濾處理。微弱電信號經(jīng)過預處理電路對信號放大、濾波和脈寬整形后進行調(diào)制解調(diào)。紫外激光通信系統(tǒng)構建實物圖如圖12所示。

圖12 紫外激光通信系統(tǒng)構建圖

將光束入射角度固定為π/4進行單一距離測試，在實驗室內(nèi)距離分別為3 m、5 m、10 m進行了多次試驗，結果表明系統(tǒng)在短距離內(nèi)通信誤碼率極低，基本可以忽略不計。為了驗證系統(tǒng)的較遠距離傳輸性能，將系統(tǒng)裝置放置到實驗室樓道進行20 m和50 m距離處進行系統(tǒng)測試，經(jīng)過多次試驗，紫外激光通信系統(tǒng)在實驗室樓道50 m處可以實現(xiàn)誤碼率為10-4、通信速率為600 bps的極低速率通信。在相同光束入射角度，各距離(實驗室條件下)的通信平均誤碼率如表1所示。

表1 各距離的通信誤碼率

5 結 論

詳細說明了數(shù)字通信中2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的構成和實現(xiàn)，對系統(tǒng)進行了模塊化設計和仿真實現(xiàn)，并且完成了各模塊的例化互連，無誤碼地實現(xiàn)了數(shù)字基帶信號的2FSK調(diào)制解調(diào)。并且在實驗室條件下，構建了基于2FSK調(diào)制解調(diào)器的紫外激光通信系統(tǒng)，測試了設計的2FSK調(diào)制解調(diào)器在實際數(shù)字通信系統(tǒng)中的性能。多次試驗說明2FSK調(diào)制解調(diào)器功能無誤，在光束入射角為π/4，距離為50 m處可以實現(xiàn)誤碼率為10-4、通信速率為600 bps的低誤碼極低速率通信。但若要提高通信距離、降低通信速率和誤碼率，在以后的研究中必須要改進調(diào)制解調(diào)手段，解決切換頻率過渡帶問題[9]、優(yōu)化激光光源、尋找最佳光束入射角度，使用更加精確的光電探測器和濾光裝置等。

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