基于FPGA的AFC環(huán)解調(diào)FSK信號原理及設(shè)計 - 全文

摘要：介紹了相乘微分型AFC環(huán)解調(diào)FSK信號的原理，分析了環(huán)路的控制模型。采用模塊化的設(shè)計思想，利用VHDL語言設(shè)計了相乘微分型AFC環(huán)路，闡述了關(guān)鍵部件的設(shè)計方法。在Xilinx的FPGA器件XC3S200-4FT200上對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信號優(yōu)越，已在數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中采用[2]。

FSK信號的解調(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信號中提取相干載波比較困難，實(shí)現(xiàn)技術(shù)相對較為復(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信號的工作原理

2.1 相乘微分型AFC環(huán)原理

AFC環(huán)是一個負(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]。如果接收信號與本振信號存在頻差，則在一定時間間隔內(nèi)必然存在相差，將鑒相器輸出的相位誤差信號微分后，得到反映頻差的誤差信號，此信號經(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頻率靠近，最終使得頻差近似為零。

設(shè)輸入信號

濾波判決，即可完成FSK信號的解調(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成正比。對于無線通信中常用的鎖相環(huán)路來講，VCO的輸出信號對相位信號有一個積分關(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的輸出信號與信號頻率成正比，環(huán)路不再具有積分環(huán)節(jié)，因此，整個AFC環(huán)不是一個二階線性系統(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)路中任何一個環(huán)節(jié)的增益來實(shí)現(xiàn)提高環(huán)路總增益的目的。

3 AFC環(huán)的VHDL設(shè)計

工程實(shí)例中，輸入數(shù)據(jù)為連續(xù)相位的2FSK信號，量化位數(shù)為8比特，原始數(shù)據(jù)速率為4Mbit/s，采樣速率為32MHz，載波頻率為6MHz，調(diào)制指數(shù)為0.715，F(xiàn)PGA系統(tǒng)時鐘速率為32MHz。

3.1 環(huán)路參數(shù)設(shè)計

(1) 濾波器參數(shù)設(shè)計
由圖1所示，AFC環(huán)中有3個濾波器，其中兩個正交支路的低通濾波器完全相同，用于濾除前級混頻后的高頻分量；環(huán)路濾波器用于濾除鑒頻器（由微分器及乘法器組成）輸出產(chǎn)生的高頻分量，產(chǎn)生VCO的控制信號。低通濾波器通帶截止頻率選擇與信號帶寬一致，考慮發(fā)射端成形濾波器的作用，本實(shí)例中取3.6MHz。過渡帶帶寬的選擇原則為[9]：一是必須確保濾除相鄰的A/D鏡像頻率成分；二是需要濾除數(shù)字下變頻引入的倍頻分量，本實(shí)例中取8.4MHz。

根據(jù)AFC環(huán)的工作原理，鑒頻器的輸出信號反映了原始調(diào)制數(shù)據(jù)的變化情況，為進(jìn)一步簡化解調(diào)器結(jié)構(gòu)，可以將環(huán)路濾波器也設(shè)計成FIR低通濾波器，這樣就可以直接從環(huán)路濾波器的輸出信號中獲取解調(diào)數(shù)據(jù)。環(huán)路濾波器的帶寬、過渡帶等參數(shù)與混頻器的低通濾波器保持一致。

采用MATLAB很容易根據(jù)濾波器參數(shù)設(shè)計出FIR濾波器的系數(shù)并畫出頻率響應(yīng)圖，如圖3。

設(shè)計出FIR濾波器系數(shù)后，還需要對其進(jìn)行量化處理，以適應(yīng)FPGA處理。13比特量化后的濾波器系數(shù)如下：
h_pm=[ 20,77,28,-197,-319,123,1145,2047,2047,1145,123,-319,-197,28,77,20]

由于中頻信號的采樣位數(shù)為8比特，本地振蕩器的輸出載波信號也選用8比特。根據(jù)二進(jìn)制乘法原理，考慮節(jié)約寄存器字長，同時保留全部有效數(shù)據(jù)位，AFC環(huán)前端混頻乘法器為8 × 8的乘法器，取低15比特的有效位輸出數(shù)據(jù)?；祛l器的低通濾波器取全部的28比特有效位輸出數(shù)據(jù)。環(huán)路濾波器的濾波器系數(shù)與混頻器中的濾波器完全相同，但輸入輸出數(shù)據(jù)位寬不同，輸入數(shù)據(jù)位寬由積分器及后端的加法器決定。本實(shí)例中，環(huán)路濾波器輸入有效數(shù)據(jù)位寬取17比特，輸出信號取全部30比特有效數(shù)據(jù)。

(2) 微分器參數(shù)設(shè)計
采用FPGA進(jìn)行數(shù)學(xué)意義上的微分運(yùn)算十分困難。根據(jù)微分的運(yùn)算規(guī)則，可以采用一種簡單的近似處理方法，即通過求取前后兩個數(shù)據(jù)之差來代替微分運(yùn)算。前后兩個數(shù)據(jù)之間的時間間隔為一個系統(tǒng)時鐘周期，則有

根據(jù)式（6）可知，采用前后兩個數(shù)據(jù)之差來代替微分運(yùn)算，相當(dāng)于數(shù)學(xué)上的微分運(yùn)算乘以系統(tǒng)時鐘速率這個常數(shù)，反映在整個AFC環(huán)路上則相當(dāng)于環(huán)路增益乘了一個常數(shù)。

由圖1所示，微分運(yùn)算后還需要進(jìn)行乘加運(yùn)算，考慮到FPGA芯片中集成的硬件乘法器IP核大多數(shù)都是18x18比特的，綜合考慮運(yùn)算速度、硬件資源及運(yùn)算精度，微分器后面直接采用18x18比特的乘法器，且取36比特輸出數(shù)據(jù)，這樣乘法后面的減法運(yùn)算不再需要進(jìn)行符號位擴(kuò)展，可直接相減。

根據(jù)上面的分析，環(huán)路濾波器的輸入數(shù)據(jù)位寬為36比特。如果采用所有36比特數(shù)據(jù)作為濾波器輸入，則需耗費(fèi)大量的硬件資源，濾波器輸出數(shù)據(jù)位寬也將達(dá)到49比特。這樣多的數(shù)據(jù)位寬雖然可以獲得極高的運(yùn)算精度，但所需的代價是硬件資源的成倍增加，以及運(yùn)算速度的降低。綜合考慮各種因素的影響，該實(shí)例采用17比特有效數(shù)據(jù)作為環(huán)路濾波器的輸入，濾波器的有效輸出數(shù)據(jù)位寬為30比特。

(3) NCO參數(shù)設(shè)計及環(huán)路增益計算
FPGA中可以采用NCO（Numerical Controlled Oscillator，數(shù)字控制振蕩器）來實(shí)現(xiàn)VCO的功能。NCO的參數(shù)設(shè)計比較簡單，驅(qū)動時鐘頻率取系統(tǒng)時鐘即可，為32MHz；頻率字位寬取環(huán)路濾波器輸出的有效數(shù)據(jù)位寬，為30比特；頻率字更新周期取一個系統(tǒng)時鐘周期；輸出的本地載波信號數(shù)據(jù)位寬與輸入數(shù)據(jù)位寬相同，為8比特。則NCO的頻率分辨率

解調(diào)，環(huán)路增益K 只要大于1.43M即可， K 值越大，則環(huán)路鎖定速度越快。

對于AFC環(huán)來講，整個AFC環(huán)路為線性一階環(huán)，環(huán)路的增益實(shí)際上就是NCO的輸入電壓幅值與頻率字更新周期的乘積?？紤]到微分運(yùn)算對環(huán)路增益的貢獻(xiàn)，由于NCO的輸入數(shù)據(jù)有效位寬為30比特，則環(huán)路總增益因此，環(huán)路能夠穩(wěn)定跟蹤FSK信號的變化，解調(diào)出原始數(shù)據(jù)。

3.2 環(huán)路的VHDL設(shè)計

根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)，在完成AFC環(huán)路各部件的參數(shù)設(shè)計之后，本文采用VHDL語言對相乘微分型AFC環(huán)進(jìn)行了設(shè)計，圖4是AFC環(huán)頂層文件用Synplify Pro綜合后的RTL原理圖。由圖4中可以清楚地看出系統(tǒng)由1個NCO模塊（u0），2個8×8 bit的乘法器模塊mult8_8（u1，u2），2個低通濾波器模塊fir_lpf（u3，u4），1個環(huán)路濾波器模塊（u5），1個鑒頻器模塊FrequencyD（U6）以及少量邏輯電路組成。其中的nco模塊、乘法器模塊、低通濾波器模塊、環(huán)路濾波器模塊均由ISE提供的IP核直接產(chǎn)生。鑒頻器由兩個微分器、兩個乘法器及一個減法器組成，其中微分器采用前后兩個數(shù)據(jù)相減的方法獲取。

4 AFC環(huán)的FPGA實(shí)現(xiàn)及仿真測試

本實(shí)例的目標(biāo)器件為XC6SLX16-2CSG225，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)后，查找表資源（Slice LUTs）占用了491個（5%），存儲塊資源（RAMB8BWERs）占用了１個（1%），乘法器DSP資源（DSP48A1s）占用了28個（87%），全局時鐘資源（BUFG/BUFGMUXs）占用了１個（6%）。最高系統(tǒng)時鐘頻率可達(dá)83.25MHz，顯然滿足工程實(shí)例中要求的32MHz。從系統(tǒng)所占用的資源來看，普通邏輯資源占用較少，乘法器資源用得比較多，乘法器資源主要用于濾波器等乘法運(yùn)算。

進(jìn)行系統(tǒng)的FPGA測試之前，首先需要編寫測試激勵文件代碼產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件仿真產(chǎn)生，并將量化后的數(shù)據(jù)寫入TXT文本文件中，激勵文件通過讀取TXT文件內(nèi)容產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)。

圖5為采用Modelsim 6.0軟件仿真AFC解調(diào)FSK信號的工作波形圖。從仿真圖中可以清楚地看出環(huán)路濾波器的輸出信號，即FSK的解調(diào)信號dout呈現(xiàn)規(guī)則波形，只需對解調(diào)信號進(jìn)行抽樣判決即可完成FSK信號的數(shù)據(jù)解調(diào)。

5 結(jié)束語

FSK信號的解調(diào)方法很多，非相干解調(diào)法因?yàn)閷?shí)現(xiàn)簡單，性能優(yōu)良而得到了更為廣泛的應(yīng)用。本文對相乘微分型AFC環(huán)的模型進(jìn)行了討論。在進(jìn)行環(huán)路的FPGA實(shí)現(xiàn)時，關(guān)鍵在于設(shè)計環(huán)路各部件的參數(shù)，以及運(yùn)算中數(shù)據(jù)有效字長的處理。仿真結(jié)果表明，設(shè)計的相乘型AFC環(huán)可以有效解調(diào)FSK信號。