基于FPGA的AFC環(huán)解調(diào)FSK信號(hào)原理及設(shè)計(jì)

摘要：介紹了相乘微分型AFC環(huán)解調(diào)FSK信號(hào)的原理，分析了環(huán)路的控制模型。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，利用VHDL語言設(shè)計(jì)了相乘微分型AFC環(huán)路，闡述了關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)方法。在Xilinx的FPGA器件XC3S200-4FT200上對(duì)AFC環(huán)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，利用Modelsim6.0軟件進(jìn)行了仿真測試。仿真結(jié)果表明，環(huán)路工作穩(wěn)定，滿足性能要求。

1 引言

FSK（Frequency Shift Keying ，頻移鍵控）是繼ASK（Amplitude Shift Keying，振幅鍵控）之后出現(xiàn)比較早的一種調(diào)制方式。由于FSK的抗衰落能力較強(qiáng)，因而在一些衰落信道的傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。近年來，數(shù)字調(diào)頻技術(shù)有了相當(dāng)大的發(fā)展。CPFSK（Continuous Phase Frequency Shift Keying ，連續(xù)相位頻移鍵控）在調(diào)制指數(shù)h=0.7及采用相干檢測及延遲判決的條件下，功率與頻帶利用方面可以達(dá)到比BPSK（Binary Phase Shift Keying，二進(jìn)制相移鍵控）好1dB的水平。MSK（Minimum Shift Keying，最小頻率鍵控）在功率與頻帶的利用方面都與4PSK相當(dāng)，而且它的頻譜特性比PSK信號(hào)優(yōu)越，已在數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中采用[2]。

FSK信號(hào)的解調(diào)方法很多，總的來講可以分為相干解調(diào)法和非相干解調(diào)法兩類。相干解調(diào)法是指需要獲取相干載波信號(hào)的解調(diào)方法，非相干解調(diào)法則不需在解調(diào)前獲取相干載波。從抗干擾性能看，相干解調(diào)法是最佳的，但從FSK信號(hào)中提取相干載波比較困難，實(shí)現(xiàn)技術(shù)相對(duì)較為復(fù)雜，所需硬件資源也較多，故目前多采用非相干解調(diào)法。文獻(xiàn)[1]給出的一種最佳非相干解調(diào)器結(jié)構(gòu)，在相同誤碼率的條件下，所需的信噪比只比相干解調(diào)法高1~2dB。非相干解調(diào)法的種類很多，如基于FFT的頻譜分析法[3、4]、基于自適應(yīng)濾波的解調(diào)法[5]、差分檢波算法[6]、AFC（Automatic Frequency Control，自動(dòng)頻率控制）環(huán)解調(diào)法等。

近年來，隨著可編程邏輯器件的發(fā)展，采用FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)等數(shù)字系統(tǒng)具有速度快、使用靈活、可編程配置等一系列優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的首選方案。本文主要討論相乘微分型AFC環(huán)解調(diào)FSK信號(hào)的原理及FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）實(shí)現(xiàn)方法。

2 AFC環(huán)解調(diào)FSK信號(hào)的工作原理

2.1 相乘微分型AFC環(huán)原理

AFC環(huán)是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，從電路結(jié)構(gòu)上看，AFC環(huán)主要有3種結(jié)構(gòu)形式[7]：相乘微分型、延遲叉積型以及離散傅立葉變換型。本文只討論應(yīng)用比較廣泛的相乘微分型AFC環(huán)路。

相乘微分型AFC環(huán)路的結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。如果接收信號(hào)與本振信號(hào)存在頻差，則在一定時(shí)間間隔內(nèi)必然存在相差，將鑒相器輸出的相位誤差信號(hào)微分后，得到反映頻差的誤差信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)環(huán)路濾波器平滑處理后，控制VCO（Voltage Controlled Oscillator，壓控振蕩器）的振蕩頻率向輸入信號(hào)頻率靠近，最終使得頻差近似為零。

設(shè)輸入信號(hào)

濾波判決，即可完成FSK信號(hào)的解調(diào)。

2.2 AFC環(huán)的數(shù)學(xué)模型分析

由相乘微分型AFC環(huán)路的工作原理可知，AFC環(huán)是一個(gè)頻率負(fù)反饋系統(tǒng)，可以得到圖2所示的AFC環(huán)路的頻率控制模型。環(huán)路中，鑒頻器的輸出電壓與頻率誤差信號(hào)成正比。對(duì)于無線通信中常用的鎖相環(huán)路來講，VCO的輸出信號(hào)對(duì)相位信號(hào)有一個(gè)積分關(guān)系，壓控振蕩器是鎖相環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)[9]；在AFC環(huán)路中，VCO的輸出信號(hào)與信號(hào)頻率成正比，環(huán)路不再具有積分環(huán)節(jié)，因此，整個(gè)AFC環(huán)不是一個(gè)二階線性系統(tǒng)，而是更為簡單的一階線性系統(tǒng)。

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AFC環(huán)路的工作過程完全可以采用通用的一階線性環(huán)路模型來進(jìn)行分析。根據(jù)一階線性環(huán)路的工作原理可知[8]，環(huán)路鎖定的條件是環(huán)路增益K 必須大于固有頻差Δω ，且環(huán)路增益越大，則捕獲及鎖定時(shí)間越短。由圖2可以看出，環(huán)路增益由鑒頻器、濾波器、VCO增益組成，控制環(huán)路總增益的方法比較靈活，可以通過增加環(huán)路中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的增益來實(shí)現(xiàn)提高環(huán)路總增益的目的。