¿Cómo utilizar FPGA para implementar modulación y demodulación FSK?

FSK (Frequeney-Shift Keying) utiliza ondas portadoras de diferentes frecuencias para transmitir señales digitales. La señal FSK tiene las ventajas de una fuerte capacidad antiinterferente y una larga distancia de transmisión, y se usa ampliamente en la vida diaria y en el control industrial. Por ejemplo, el CID (Calling Identity Delivery), el módem de baja velocidad, la comunicación con operadores en sistemas ferroviarios y sistemas de energía también se utilizan ampliamente para transmitir diversa información de control. En el pasado, los módems FSK se diseñaban utilizando el método de "cableado de circuito integrado", que tenía muchos bloques integrados, cableado complejo y gran volumen. Este artículo propone un método de implementación de módem FSK basado en chip FPGA, utilizando lenguaje VHDL y utilizando métodos de diseño jerárquico y modular.

1 Diagrama de bloques de la estructura general del sistema

El módem FSK diseñado en este artículo utiliza el chip EP1C3T144C8 de ALTERA Company. La frecuencia del reloj principal del sistema es de 20 MHz (chip oscilador de cristal activo externo). , "0", la señal digital "1" es generada por un generador de señal pseudoaleatoria (secuencia m). Para completar la transmisión y recepción del modulador y demodulador FSK, en la Figura 1 se muestra el diagrama de bloques de funciones lógicas general del sistema completado por el chip FPGA.

2 Diseño e implementación específicos del sistema

2.1 Generación de secuencia pseudoaleatoria

La secuencia de registro de desplazamiento lineal de longitud máxima (secuencia m) es una secuencia muy Problema importante en la comunicación digital. Una secuencia pseudoaleatoria importante y ampliamente utilizada. Debido a que tiene aleatoriedad, regularidad, buena autocorrelación y correlación cruzada, y requiere equipo simple, fácil implementación y bajo costo, este sistema utiliza la secuencia m como señal de banda base digital para la depuración de programas.

La secuencia m es una secuencia binaria con el período más largo generada por un registro de desplazamiento con retroalimentación lineal. La estructura general de un registro de desplazamiento de retroalimentación lineal se muestra en la Figura 2. Está compuesto por registros de desplazamiento de n etapas, varios sumadores de módulo dos que forman una red lógica de retroalimentación lineal y están conectados a un generador de impulsos de reloj.

Debido a la retroalimentación, el estado de cada etapa del registro de desplazamiento continuará cambiando bajo la acción del pulso de desplazamiento. Por lo general, la última etapa del registro de desplazamiento se utiliza como salida y la salida resultante. secuencia Es: {ak}=a0a1…ak-1.

La secuencia de salida es una secuencia periódica, y sus características están determinadas por el número de etapas del registro de desplazamiento, el estado inicial, la lógica de retroalimentación y la frecuencia del reloj (que determina el ancho del símbolo de salida).

Cuando el número de etapas y el reloj del registro de desplazamiento son constantes, la secuencia de salida está completamente determinada por el estado inicial del registro de desplazamiento y la lógica de retroalimentación cuando el estado inicial es todo cero; , la secuencia de salida del registro de desplazamiento Todas las 0 columnas. Por lo tanto, el estado inicial no puede ser un estado totalmente cero.

Este sistema selecciona el nivel de secuencia m como n=7 y la longitud de la secuencia como m=27-1=127. Si el valor octal del coeficiente de retroalimentación seleccionado es 235, el valor binario convertido es 10011101. , es decir c0=c2=c3=c4=c7=1, c1=c5=c6=0. La forma de onda de simulación se muestra en la Figura 3.

2.2 Modulación FSK

Este sistema utiliza dos divisores de frecuencia independientes para cambiar la frecuencia portadora de salida y utiliza un método de codificación digital para lograr la modulación FSK.

El método de codificación digital también se denomina método de selección de frecuencia. Tiene dos osciladores independientes. La señal de banda base digital controla el interruptor de conversión y selecciona señales de oscilación de alta frecuencia de diferentes frecuencias para lograr la modulación FSK. La estabilidad de frecuencia de la señal FSK generada por el método de codificación puede ser muy alta y no hay frecuencia de transición. Su velocidad de conversión es rápida y la forma de onda es buena. El método de codificación de frecuencia tiene dos salidas oscilantes de alta frecuencia en el instante de la conversión. Los voltajes generalmente no son iguales, por lo que el voltaje de la señal modulada saltará cuando se convierta la información de la banda base. Este fenómeno se llama discontinuidad de fase, que es una situación única de manipulación de frecuencia.

El diagrama de bloques del sistema de modulación FSK diseñado en este artículo se muestra en la Figura 4.

2.3 Demodulación FSK

En comparación con otros métodos de demodulación, la característica más obvia del método de detección de cruce por cero es que tiene una estructura simple, es fácil de implementar y no es sensible a las fluctuaciones de ganancia. Es especialmente adecuado para la implementación digital. Es el mejor método de demodulación digital, económico y práctico. Su diagrama de bloques se muestra en la Figura 5. Utiliza el número de veces que la forma de onda de la señal se cruza con el eje de nivel cero por unidad de tiempo para determinar la frecuencia de la señal. La señal modulada de entrada se convierte en una onda de pulso rectangular después de ser limitada y amplificada, y luego pasa a través de un circuito diferencial para obtener un pulso agudo de dirección l, y luego se rectifica para obtener un pulso agudo unidireccional. Cada pulso agudo representa un punto de cruce por cero. de la señal y la frecuencia de repetición del pulso agudo. Eso es 2 veces la frecuencia de la señal. El pulso agudo activa un circuito monoestable para generar una secuencia de pulsos rectangular de cierto ancho. El componente promedio de la secuencia es proporcional a la frecuencia de repetición del pulso, es decir, proporcional a la señal de frecuencia de entrada. Por lo tanto, el cambio en la salida promedio del filtro de paso bajo refleja el cambio en la señal de entrada, completando así la conversión frecuencia-amplitud, distinguiendo el símbolo "1" y "0" en amplitud y recuperando la señal de banda base digital.

El diagrama de bloques de demodulación FSK diseñado en este artículo se muestra en la Figura 6.

3 Simulación del sistema y análisis de resultados experimentales

Todo el diseño está escrito en VHDL, con EP1C3T144CS como chip de destino descargado, y la simulación de forma de onda se realiza después del diseño y enrutamiento en Quartus II. plataforma de software.Se obtiene el diagrama de forma de onda que se muestra en la Figura 7. Entre ellos: clk es la señal del reloj principal de entrada; en es la señal configurada; clks es la señal de salida de clk a través del divisor 200 es la señal pseudoaleatoria (secuencia m) generada por la fuente del reloj a través del pseudoaleatorio; generador de n=7 es la señal modulada de ps7 después de pasar por el modulador FSK; q es la señal demodulada después de que fsk pasa por el demodulador FSK;

Pruebe en el circuito de hardware real, utilice un osciloscopio para observar el proceso de funcionamiento de cada módulo y obtenga los diagramas de forma de onda que se muestran en la Figura 8 y la Figura 9.

Entre ellos, Ch1 en el círculo 8 es la señal modulada y Ch2 es la señal de banda base digital. En la Figura 9, Ch1 es la señal de banda base digital y Ch2 es la señal de demodulación.

Se puede ver en los resultados de las pruebas de software y hardware anteriores:

(1) Se ha observado la función del módem FSK de este sistema, los resultados son correctos y se ha Se verificó que cumple con los requisitos de índice de diseño esperados y que todo su proceso de trabajo se puede observar de manera intuitiva y clara mediante la simulación de forma de onda del software o el circuito de hardware real a través de un osciloscopio.

(2) El método tradicional de modulación y demodulación se puede implementar combinando software y hardware, lo que está en línea con la dirección de desarrollo futuro de la tecnología de la comunicación.

4 Conclusión

Los métodos tradicionales de modulación y demodulación FSK se implementan mediante circuitos de hardware, que son complejos e inconvenientes de depurar. El módem basado en FPGA diseñado utilizando descriptores de hardware en este artículo tiene un diseño flexible y es fácil de modificar, lo que reduce efectivamente el tamaño del sistema y aumenta la confiabilidad. Al mismo tiempo, el sistema está diseñado utilizando el lenguaje VHDL, que tiene buena portabilidad y. Actualizaciones de productos.