基于FPGA的FSK调制解调系统verilog开发

1.算法仿真效果

VIVADO2019.2仿真结果如下：

2.算法涉及理论知识概要

      频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。数字频率调制是数据通信中使用较 早的一种通信方式，由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在 中低速数字通信系统中得到了较为广泛的应用。

        在二进制频移键控中，幅度恒定不变的载波信号的频率随着输入码流的变化而切换（称为高音和低音，代表二进制的1 和0）。产生FSK 信号最简单的方法是根据输入的数据比特是0还是1，在两个独立的振荡器中切换。采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是不连续的，因此这种FSK 信号称为不连续FSK 信号。由于相位的不连续会造频谱扩展，这种FSK 的调制方式在传统的通信设备中采用较多。随着数字处理技术的不断发展，越来越多地采用连继相位FSK调制技术。目前较常用产生FSK 信号的方法是，首先产生FSK 基带信号，利用基带信号对单一载波振荡器进行频率调制。相位连续的FSK信号的功率谱密度函数最终按照频率偏移的负四次幂衰落。如果相位不连续，功率谱密度函数按照频率偏移的负二次幂衰落。

2-FSK功率谱密度的特点如下：

(1) 2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分构成,离散谱出现在f1和f2位置；

(2) 功率谱密度中的连续谱部分一般出现双峰。若两个载频之差|f1 -f2|≤fs，则出现单峰。

PSK:在相移键控中，载波相位受数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中为0时，载波相位为0或π，为1时载波相位为π或0。载波相位和基带信号有一一对应的关系，从而达到调制的目的。

  在二进制频移键控（2FSK）中，当传送“1”码时对应于载波频率，传送“0”码时对应于载波频率。 2FSK信号波形可看作两个2ASK信号波形的合成，下图是相位连续的2FSK信号波形。

     FSK信号的解调也有非相干和相干两种，FSK信号可以看作是用两个频率源交替传输得到的，所以FSK的接收机由两个并联的ASK接收机组成。

(1)相干解调

       相干解调是利用乘法器，输入一路与载频相干的参考信号与载频相乘，通过低通滤波，滤除高频信号，即得原始信号，FSK经过带通滤波之后，可以看作是两路ASK信号，相干检测器组成的原理如下所示：

FSK相干解调结构

上图是一种易于实现的FSK相干解调器，还有一种最佳FSK相干解调器如下所示：

FSK最佳解调结构

      从图上可以看出，在接收端要产生两个已知信号s1(t)和s2(t)的波形，分别和输入波形相乘，再送往积分器，在一定时间内积分，在t=Tb时刻，将积分结果取样，并在比较器中比较判决，然后输出，整个相干解调器的性能受载波锁相环路以及位同步性能影响很大，并且在高速率的情况下，积分、取样和清洗电路难以实现，因此通常采用第一种相干解调器的结构。

(2)非相干解调

       由于FSK信号中提取相干载波相对比较困难，实际工程应用中多用非相干解调法，在相同误码率的条件下，非相干解调需要的信噪比只比相干解调高1~2dB。非相干解调的种类有很多，例如：基于自适应滤波的解调法、差分检波算法、AFC环解调法、过零检测法、包络检波法等。

3.verilog核心程序

module FSK_modulator(
input bb_clk,
input bit_in ,
input [15:0] cnt0,cnt1,
input [7:0]  step0,step1,
output reg [11:0]  sin ,cos  
);
 
wire [11:0]  sin_w,cos_w;
always @(posedge bb_clk)sin<=sin_w;
always @(posedge bb_clk)cos<=cos_w;
 
wire [15:0] cnt0_w,cnt1_w ;
wire [7:0 ] step0_w,step1_w ; 
 
.........................................................................
reg [15:0] cnt = 0;
reg [7:0] step = 0  ;
 
always@(posedge bb_clk) cnt  <= ( bit_in ) ? cnt1_w  : cnt0_w ;
always@(posedge bb_clk) step <= ( bit_in ) ? step1_w  : step0_w ;
 
my_dds my_dds(.clk( bb_clk ) ,.rst( 1'b0 ) ,.clr ( 1'b0 ) ,.cnt( cnt) ,.step( step)  ,.sin(sin_w )  ,.cos(cos_w )  ); 
endmodule 
.........................................................................
module FSK_DEmodulator #(parameter SHORT_VALUE = 0 )(
input bb_clk,
output reg  bit_out  ,
input [15:0] v_short , v_long ,
input  flag_bit   
);
 
wire flag_bit_cross;
 
wire [15:0] v_short_w , v_long_w  ;
 
.........................................................................
 
reg [15:0]  c;always @ (posedge bb_clk)c <= (flag_bit_cross)?0:(c+1);
 
always @ (posedge bb_clk)if (flag_bit_cross) 
begin if(c<v_short_w) bit_out <= SHORT_VALUE;else if (c>v_long_w)bit_out <= ~ SHORT_VALUE ;end   
 
endmodule