通信工程MFSK数字信号频带传输系统的设计.docx
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通信工程MFSK数字信号频带传输系统的设计
湖南文理学院
课程设计报告
课程名称：
通信系统课程设计
专业班级：
通信工程12102班学号（30）
学生姓名：
尹显坤
指导教师：
杨智
完成时间：
2015年11月23日
报告成绩：
评阅意见：
评阅教师日期
湖南文理学院制
二设计要求2
2.1多进制调制的特点2
2.1.1数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，如下图所示2
2.1.2各部分功能2
2.1.3数字通信的主要特点3
2.2多进制数字调制3
三设计原理与目的4
3.1MFSK简介4
3.2多进制数字频率调制的原理5
3.3多进制数字频率解调的原理5
3.4MFSK调制解调原理6
3.5MFSK信号的频谱、带宽及频带利用率7
3.6MFSK系统的误码性能8
四方案论证9
4.1FPGA简介9
4.2FPGA概述9
4.3ALTERA可编程逻辑器件简介10
五MFSK的VHDL设计11
5.1MFSK调制电路的VHDL设计及实现11
5.2MFSK解调电路的VHDL设计及实现13
5.3MFSK调制解调电路的VHDL设计及实现14
六硬件实现16
6.1程序下载16
6.2波形验证17
七结果分析与体会18
参考文献18
附录原文总程序：
19
一设计题目
MFSK数字信号频带传输系统的设计.
二设计要求
2.1多进制调制的特点
数字通信的早期历史是与电报的发展联系在一起的。
1937年，英国人A．H．里夫斯提出脉码调制（PCM），从而推动了模拟信号数字化的进程。
1946年，法国人E．M．德洛雷因发明增量调制。
1950年C．C．卡特勒提出差值编码。
1947年，美国贝尔实验室研制出供实验用的24路电子管脉码调制装置，证实了实现PCM的可行性。
1953年发明了不用编码管的反馈比较型编码器，扩大了输入信号的动态范围。
1962年，美国研制出晶体管24路1．544兆比/秒脉码调制设备，并在市话网局间使用。
数字通信与模拟通信相比具有明显的优点。
它抗干扰能力强，通信质量不受距离的影响，能适应各种通信业务的要求，便于采用大规模集成电路，便于实现保密通信和计算机管理。
不足之处是占用的信道频带较宽。
20世纪90年代，数字通信向超高速大容量长距离方向发展，高效编码技术日益成熟，语声编码已走向实用化，新的数字化智能终端将进一步发展。
2.1.1数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，如下图所示
图2.1数字通信系统
2.1.2各部分功能
（1）信源编码与译码
信源编码的作用：
设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。
码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。
（2）信道编码与译码
为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。
接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。
（3）加密与解密
在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。
在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。
（4）数字调制与解调
数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到载频处，形成适合在信道中传输的频带信号。
基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。
（5）同步与数字复接
同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。
按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。
数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。
2.1.3数字通信的主要特点
（1）抗干扰能力强。
（2）远距离传输可消除噪声积累。
（3）采用信道编码技术可控制差错。
降低误码率，提高传输的可靠性。
（4）易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成能网。
数字通信的缺点
（1）占据宽的系统频带，因此数字通信的频带利用率不高。
（2）数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。
（3）不过，随着光纤等的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。
数字通信将占主导地位。
2.2多进制数字调制
频率件控是用数字基带信号控制载波信号的频率，即以不同频率的高频振荡来表示不同的数字基带信号。
多进制数字频率调制也称为多元调频或多频制。
用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号，在某一码元时间内只发送其中一个频率。
所谓多进制数字调制，就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量，如幅度、频率或相位的过程。
根据被调参量的不同，多进制数字调制可分为多进制幅度键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）以及多进制相移键控（MPSK或MDPSK）。
也可以把载波的两个参量组合起来进行调制，如把幅度和相位组合起来得到多进制幅相键控（MAPK）或它的特殊形式多进制正交幅度调制（MQAM）等。
由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值，因此，与二进制数字调制相比，多进制数字调制有以下几个特点：
（1）在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信息速率（传信率），使系统频带利用率增大。
码元速率相同时，进制数传系统的信息速率是二进制的倍。
在实际应用中，通常取，k为大于1的正整数。
（2）在信息速率相同条件下，可以降低码元速率，以提高传输的可靠性。
信息速率相同时，进制的码元宽度是二进制的倍，这样可以增加每个码元的能量，并能减小码间串扰影响等。
正是基于这些特点，使多进制数字调制方式得到了广泛的使用。
不过，获得以上几点好处所付出的代价是，信号功率需求增加和实现复杂度加大。
三设计原理与目的
3.1MFSK简介
多进制数字频率调制（MFSK）简称多频制，是2FSK方式的推广。
它是用不同的载波频率代表种数字信息。
多进制频键控（MFSK）的基本原理和2FSK是相同的，其调制可以用频率键控法（频率选择法）和模拟的调频法来实现，不同之处在于使用键控法时其供选的频率有M个，选择逻辑电路也比较复杂。
MFSK（多进制频移控），是一种在各种频率离散音频脉冲爆发传送数字信息的信号调制方法。
它原来是欧洲和英国政府机构在20世纪中叶使用。
在那时它叫做Piccolo,一种乐器的名字，这种乐器的声音音调很高.
MFSK类似频移监控（FSK），但是使用的频率要至少是两个。
最常见的MFSK形式使用16个频率，叫做MFSK16。
这些音调一次传送一个。
每个音调持续时间不到一秒。
MFSK中波特（每秒传输的数目）与比特/秒（bps）的比率要比二进制中小。
这减少了噪音和对数据传输速率的干扰的错误的产生。
为了提供更大的精确性，前向纠错技术（FEC）被使用。
MFSK的主要缺点是信号频带宽，频带利用率低。
因此，MFSK多用于调制速率低及多径延时比较严重的信道，如无线短波信道。
3.2多进制数字频率调制的原理
串/并变换器和逻辑电路1将一组组输入的二进制码（每k个码元为一组）对应地转换成有M种状态的一个个多进制码。
这M个状态分别对应M个不同的载波频率。
当某组k位二进制码到来时，逻辑电路1的输出一方面接通某个门电路，让相应的载频发送出去，另一方面同时关闭其余所有的门电路。
于是当一组组二进制码元输入时，经相加器组合输出的便是一个M进制调频波形，其原理框图如下：
图3.1多进制频率调制系统的调制方框图
3.3多进制数字频率解调的原理
MFSK的解调同样有相干解调、非相干解调和锁相环法解调等多种解调方式，其中非相干解调的原理如下图所示M频制的解调部分由M个带通滤波器、包络检波器及一个抽样判决器、逻辑电路2组成。
各带通滤波器的中心频率分别对应发送端各个载频。
因而，当某一已调载频信号到来时，在任一码元持续时间内，只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器只有噪声通过。
抽样判决器的任务是比较所有包络检波器输出的电压，并选出最大者作为输出，这个输出是一位与发端载频相应的M进制数。
逻辑电路2把这个M进制数译成k位二进制并行码，并进一步做并/串变换恢复二进制信息输出，从而完成数字信号的传输。
其原理框图如下：
M
。
。
。
。
图3.2多进制频率调制系统的解调方框图
3.4MFSK调制解调原理
为了提高通信系统传输信息的有效性（信息传输速率或系统的频带利用率）和可靠性（抗噪声性能），常采用多进制数字调制技术。
通常把状态数大于2的数字信号称为多进制信号。
多进制数字调制，即用多进制信号去调制载波，例如用M进制的信号去键控载波而得到M进制已调信号，一般取M=2k（k为正整数），这样一个多进制码元所传输的信息量是二进制码元的k倍。
MFSK系统又称为多进制调频或多频制，它是2FSK系统的推广，该系统有M个不同的载波频率可供选择，每一个载波频率对应一个M进制码元信息，即用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号，在某一码元时间内只发送其中一个频率的信号。
MFSK系统框图如下图所示。
当接收到某个载波时，只有一个带通滤波器有信号输出，其它的带通滤波器只有噪声输出，抽样判决电路和逻辑电路的任务就是在某一时刻比较所有包络检波器的输出电压，判断哪一路的输出最大，选出最大的输出，就得到一个多进制码元，经逻辑电路转变成k位二进制并行码，再经并/串变换电路转换成串行二进制码，从而完成解调任务[1]。
其原理框图如下：
图3.3多进制频率调制解调系统的方框图
图中，串/并变换器和逻辑电路1将一组组输入的二进制码（每个码元为一组）对应地转换成有（）种状态的一个个多进制码。
这个状态分别对应个不同的载波频率（,、,,,）。
当某组位二进制码到来时，逻辑电路1的输出一方面接通某个门电路，让相应的载频发送出去，另一方面同时关闭其余所有的门电路。
于是当一组组二进制码元输入时，经相加器组合输出的便是一个进制调频波形。
频制的解调部分由个带通滤波器、包络检波器及一个抽样判决器、逻辑电路2组成。
各带通滤波器的中心频率分别对应发送端各个载频。
因而，当某一已调载频信号到来时，在任一码元持续时间内，只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器只有噪声通过。
抽样判决器的任务是比较所有包络检波器输出的电压，并选出最大者作为输出，这个输出是一位与发端载频相应的进制数。
逻辑电路2把这个进制数译成位二进制并行码，并进一步做并/串变换恢复二进制信息输出，从而完成数字信号的传输。
3.5MFSK信号的频谱、带宽及频带利用率
键控法产生的MFSK信号，可以看作由M个幅度相同、载频不同、时间上互不重叠的2ASK信号叠加的结果。
设MFSK信号码元的宽度为，即传输速率（Baud），则频制信号的带宽为. 式中为最高选用载频,为最低选用载频。
MFSK信号功率谱图如下所示。
图3.4MFSK信号的功率谱
若相邻载频之差等于，即相邻频率的功率谱主瓣刚好互不重叠，这时的MFSK信号的带宽及频带利用率分别为
（1）
（2）
式中，,K=2,3...。
可见，MFSK信号的带宽随频率数的增大而线性增宽，频带利用率明显下降。
与MASK的频带利用率比较，其关系为
（3）
这说明，MFSK的频带利用率总是低于MASK的频带利用率。
3.6MFSK系统的误码性能
M
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