VHDL設計和實現2ASK/2FSK調制器

孟麗妍

摘要：此設計是在MAX+plusⅡ開發軟件環境下，使用硬件描述語言VHDL來設計2ASK和2FSK調制器。本文給出了在MAX+plusⅡ開發軟件環境下，利用VHDL硬件描述語言設計2ASK和2FSK的具體方法和仿真并分析結果。

關鍵詞：VHDL；2FSK/2ASK；調制編譯

中圖分類號：TN761 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）33-0196-02

一、2FSK/2ASK的VHDL設計

由于2FSK/2ASK為模擬信號，而FPGA只能產生數字信號，因此需對正弦信號采樣并經模數變換來得到所需的2FSK/2ASK信號。本例由FPGA產生正弦信號的采樣值。

2FSK的設計：2FSK的設計是由分頻器、m序列產生器、跳變檢測、2∶1數據選擇器、正弦波信號產生器和DAC數模變換器等六部分共同組成，其中的前五部分由FPGA器件來完成。

2ASK的設計：在2FSK的基礎上，設計2ASK信號發生器。當檢測到基帶碼元的上升沿時，2ASK與2FSK是一致的，在檢測到基帶碼元的下降沿時，2ASK使輸出波形為“零”值即可。可以通過一個按鍵控制信號發生器輸出2FSK或是2ASK信號。

二、功能仿真波形

（一）分頻

本例中數據傳送速率為300kHz，要求產生兩個不同的正弦信號，分別是12MHz的正弦信號和6MHz和正弦信號。由于正弦信號每周期取20個采樣點，所以要求能夠產生下面3個時鐘信號，分別是300kHz的數據速率、12MHz的正弦信號和6MHz的正弦信號。其中的基準時鐘由一個12MHz的晶振提供。設計中要求一個2分頻（產生6MHz信號），然后載20分頻（產生300kHz信號）共有兩個分頻值。

（二）m序列

m序列作為一種常用的偽隨機碼，顯著特點是可預見性、隨機特性和循環特性，最重要的是它具有良好的自相關特性，非常適于通信領域中的信號流的模擬與分析。本設計利用一種帶有兩個反饋抽頭的三級反饋移位寄存器得到一串“1110010”循環序列，同時采取措施防止進入全“0”狀態。

（三）跳變檢測

在正弦波的產生中引入跳變檢測，可以使每次基帶碼元上升沿或下降沿到來時，對應輸出波形位于正弦波形的sin0處。

基帶信號的跳變檢測有很多方法，下圖1所示為一種便于在可編程邏輯器件中實現的方法。

（四）頻率選擇

選擇正弦波產生器的兩個輸入時鐘是由2：1數據選擇器來實現的。一個時鐘的頻率為12MHz，正弦波產生器產生一個12MHz的正弦波，代表數字信號“0”；另一個時鐘的頻率為6MHz，產生一個6MHz的正弦波信號，代表數字信號“1”。本程序中用到3個頻率：CLOCK、CLOCK1和CLOCK2。

其中，MODE表示調制方式：MODE=0表示2FSK調制，MODE=1表示2ASK調制。M_CODE為m序列的數字信息。

在2FSK中，用與CLOCK相對應的正弦波表示‘0，CLOCK1表示‘1；在2ASK中的正弦波頻率則都用CLOCK1。在設計中，數字基帶信號與2FSK調制信號的對應關系為：“1”對應6MHz，“0”對應12MHz。

（五）正弦信號的產生

整個系統設計的一個關鍵是正弦波發生器。D/A變換即模擬信號要經過采樣，量化過程后才能變成數字信號的過程。根據采樣定理，當采樣頻率大于2倍的被采樣的最高頻率才可以無失真地恢復被采樣信號。本設計中每個采樣點采用8位量化編碼。

（六）功能仿真波形

1.2FSK仿真波形。如下面兩個圖中所示：MODE=0，工作在2FSK模式下，可以看到圖2中m序列由“1”變為“0”，圖3中m序列由“0”變為“1”輸出波形對應的VALUE值的變化，同時也看出傳遞信號“0”的波形密度明顯比傳遞信號“1”的波形密度高。實現了2FSK的頻率變化傳遞數字信息，即12MHz表示信號“0”，6MHz表示信號“1”。

2.2ASK仿真波形。如下面兩個圖中所示：MODE=1，工作在2ASK模式下，可以看到圖4中m序列由“0”變為“1”，圖5中m序列由“1”變為“0”，輸出波形對應的VALUE值的變化，可以看出，m序列值為“0”時，輸出為0，成功地實現了2ASK調制，波形有一些延時。

3.2ASK和2FSK的功能轉換。2ASK和2FSK功能上的轉換是根據MODE的值來控制的，如下圖6所示：MODE由0變成1，工作模式由2FSK轉變成2ASK。m序列的值沒有跳變，一直是“1”，對應的正弦波形也沒有變化，相對應的數值也沒有變化。而圖7中：MODE由1變成0，工作模式由2ASK變成了2FSK，m序列的值沒有跳變，一直是“0”，對應的正弦波相應的有正確的變化。

三、總結

本設計通過自動調用MAX7000S家族的EPM7032LC44-7型FPGA器件實現。在設計前分好功能模塊，分別進行編寫而最后進行綜合分析調試，達到我們要求的效果。

在這個設計中，需要輸入一個整周期內20個采樣點的值，利用的是直接在程序中輸入20個采樣點的值。2FSK信號發生器主要由分頻器、m序列產生器、跳變檢測、正弦信號發生器和DAC幾個部分組成。2FSK的關鍵是通過判斷信號跳變是來改變頻率的變化，2ASK的關鍵是通過信號的跳變來改變幅度值的變化。

在編程的過程中，曾遇到了許多的問題。

第一，在處理分頻時，習慣的是2的倍數的分頻，在這個程序中需要一個20分頻，和一個二分頻，二分頻好實現，而20分頻經過反復編程、仿真、再編程才最終實現。

第二，在處理m序列的時候，一開始，沒有輸出，單獨把那個模塊拿出來編譯仿真都沒有問題，后來發現問題并不是出現在沒有時鐘的輸入，而是一開始分頻的數字太大，仿真出來的波形只有一個多周期，不夠實現M序列的變換就完了，然后又重新改的合適的分頻數，讓仿真出來的波形可以觀察到多個M序列周期的波形。

第三，在處理2ASK和2FSK的功能轉換的時候，雖然編程語言上沒有問題，邏輯上出現了問題，但是當仿真波形時，總是和預期的結果不一樣，經過反復的修改調試，終于達到了預期的結果。

VHDL Design and Implementation of 2ASK/2FSK Modulator

MENG Li-yan

（Shijiazhuang Railway Transport School，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

Abstract：This article is the use of MAX + plus Ⅱ software development environment，VHDL hardware description language used to design 2ASK and 2FSK modulators.In the MAX + plus Ⅱ software development environment，the use of VHDL hardware description language design 2ASK and 2FSK specific methods and results of simulation and analysis.

Key words：VHDL；2FSK/2ASK；modulation circuit compiler