CN103179063B - 一种频移键控调制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种频移键控调制装置及方法，所述的频移键控调制装置包括：映射单元，用于接收二进制的基带信号，并将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元；频率字选择单元，用于接收所述的数字码元，根据所述的数字码元选择一个频率字作为频率控制字；函数信号发生单元，用于接收所述的频率控制字，根据所述的频率控制字生成频移键控调制信号。根据本发明实施例提供的频移键控调制装置及方法，载波不会因为旁瓣泄露造成占用较宽频带；FSK的调制方式、载波频率、载波形状均可灵活设置，扩展性好，载波可以是任意波形，例如正弦波、方波等。只需增加相位累加器的位宽，可显著提高载波频率的分辨率，有效减小载波抖动。

Description

一种频移键控调制装置及方法

技术领域

本发明是关于函数信号发生器技术领域，尤其是关于频移键控调制信号的函数信号发生器，具体来说是关于一种频移键控调制装置及方法。

背景技术

函数信号发生器是使用最广的通用信号源，它能提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲串等波形，有的还同时具有调制和扫描能力，其中就包括FSK调制信号。

频移键控(FSK，Frequency-shift keying)调制是数据通信中常见的一种调制方式，它易于实现，并且解调不须恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强，因此，FSK调制技术在通信行业得到了广泛地应用。根据所处理的基带信号的进制不同，FSK调制技术可分为二进制和多进制调制(M进制)。多进制数字调制与二进制相比，其频谱利用率更高。MFSK系统是2FSK(二频键控)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载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。

文献《基于FPGA的MFSK调制电路设计与仿真》(微计算机信息2007年第4-2期，作者杨大柱)，描述了一种基于频率转换法的MFSK调制电路。图1是以4FSK为例的调制电路原理框图。如图1所示，分频模块在收到启动信号后，对时钟模块送来的时钟按照不同的分频系数进行分频，产生四个时钟作为载波信号。基带信号通过串/并转换得到两位并行信号；四选一开关根据两位并行信号选择相应的载波输出，从而产生4FSK调制信号。

图1采用分频的方法产生载波，如果是整数分频，例如被用来分频的主时钟是10MHz，10M的整除数是有限的，所以最终载波的频率分辨率很差；如果是有理数分频，例如从10M时钟中分频出300KHz时钟，则这个时钟的抖动是很大的。

更主要的是，图1的所谓载波实际上是二进制的数字时钟，最终输出的调制信号也是频率变化的方波信号，所以该方法不适用于函数信号发生器。

有的文献中采用多个独立的振荡器产生不同频率的载波信号，这样载波频率可按照要求设计，载波信号也是正弦波形式的。但由于各振荡器是独立的，它们输出的载波相位关系是随机的，因此调制输出的FSK信号的相位是不连续的，而且起始相位往往是随机的。相位不连续的调频波需要占用较宽的传输频带，造成带宽资源的浪费。多个振荡器会显著增加系统成本，灵活性也较差。同样不适用于函数信号发生器。

发明内容

为克服现有技术中MFSK调制电路存在的分辨率差、时钟抖动大且不适用于函数信号发生器的问题，本发明提供一种频移键控调制装置及方法。

本发明提供一种频移键控调制装置，所述的频移键控调制装置包括：

映射单元，用于接收二进制的基带信号，并将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元；

频率字选择单元，用于接收所述的数字码元，根据所述的数字码元选择一个频率字作为频率控制字；

函数信号发生单元，用于接收所述的频率控制字，根据所述的频率控制字生成频移键控调制信号。

本发明还提供一种频移键控调制方法，所述的频移键控调制方法包括：

接收二进制的基带信号，并将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元；

接收所述的数字码元，根据所述的数字码元选择一个频率字作为频率控制字；

接收所述的频率控制字，根据所述的频率控制字生成频移键控调制信号。

根据本发明实施例提供的频移键控调制装置及方法，基带信号通过修改频率控制字改变载波频率，仅仅是相位累加器的累进幅度有改变，载波相位是连续的，不会因为旁瓣泄露造成占用较宽频带；不仅适用于函数信号发生器，对数据通信的FSK调制系统，也是有益的借鉴。FSK的调制方式、载波频率、载波形状均可灵活设置，扩展性好，无需为这些参数的变化而修改硬件电路，载波可以是任意波形，例如正弦波、方波等。只需增加相位累加器的位宽，可显著提高载波频率的分辨率，不局限于几个被主时钟整除的频率；通过模拟电路的滤波器，可有效减小载波抖动。采用并行DDS(直接数字式频率合成器，Direct DigitalSynthesizer)结构，可以增加载波频率的上限。整个调制电路有利于数字实现，特别是FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)实现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是现有技术提供的一种基于频率转换法的4FSK调制电路图。

图2是本发明实施例提供的一种频移键控调制装置框图。

图3是本发明实施例提供的映射单元201的框图。

图4是本发明实施例提供的函数信号发生单元202的框图。

图5是本发明实施例提供的一种频移键控调制方法的流程图。

图6是本发明实施例提供的步骤S503的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种频移键控调制装置及方法，以下结合附图对本发明进行详细说明。

实施例一

图2是本发明实施例提供的一种频移键控调制装置框图，如图2所示，频移键控调制装置200包括：

映射单元201，用于接收二进制的基带信号，并将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元。

在本发明实施例中，映射模块201，根据不同的FSK调制方式，将二进制的基带信号串并转换为多进制的数字码元，并作为频率字选择单元202的选择信号。调制方式可由软件进行配置。基带信号由用户提供，可通过BNC(同轴电缆连接器)或者SMB(射频同轴连接器)等连接器送给FPGA。

频率字选择单元202，用于接收所述的数字码元，根据所述的数字码元选择一个频率字作为频率控制字。

在本发明实施例中，频率字选择单元202根据映射后的选择信号，选择一个频率字作为DDS的频率控制字。频率字由软件设置，如果是3FSK，软件需要设置3个频率字；如果是4FSK，需要设置4个频率字。在调制开始前，软件(通常是中央处理单元)将用户要求的几个频率按照公式：输出频率＝K×fc/2^N分别转换为频率控制字，并将频率字送给频率字选择单元202。

在本发明实施例中，对于4FSK调制方式，将基带信号的0、1码元的每2个进行顺序分组，得到总共四种码元分组结果——00、01、10、11；不同的码元选择不同的频率控制字，00对应于载频f₁，01对应于载频f₂，10对应于载频f₃，11对应于载频f₄。

在本发明实施例中，3FSK调制方式略有不同，基带信号的0码元对应于载频f1，1码元交替的对应于载频f2和载频f3。也就是，0码元被映射为00，1码元交替的映射为01、10。当然，基带信号的0、1码元的位置也可以互换，1码元被映射为00，0码元交替的映射为01、10。交替映射的是0码元还是1码元，可由软件设置。

函数信号发生单元203，用于接收所述的频率控制字，根据所述的频率控制字生成频移键控调制信号。

在本发明实施例中，频率控制字决定了输出信号的频率，如果基带信号能够控制频率控制字的切换，也就实现了MFSK调制。函数信号发生单元203可以为基于DDS的任意函数发生器，其输出频率由基带信号控制的频率控制字决定。

在本发明实施例中，无论3FSK、4FSK，还是更多频率的MFSK，采用FPGA实现上述映射关系是比较容易的。

图3是本发明实施例提供的映射单元201的框图，如图3所示，映射单元201包括：

调制方式设置模块301，用于设置所述的映射单元的调制方式；

映射单元201根据所述的调制方式将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元。

图4是本发明实施例提供的函数信号发生单元202的框图，如图4所示，函数信号发生单元202包括：

时钟模块401，用于提供时钟脉冲fc；

频率控制字模块402，用于接收所述的频率字选择单元提供的频率控制字K；

N位相位累加器模块403，用于累加所述的频率控制字K，得到相码；

相位寄存器模块404，用于对所述的相码进行寻址；

波形内存模块405，用于对寻址后的相码进行相码-幅码变换，得到不同的幅度编码；

数模变换模块406，用于对所述的幅度编码进行数模变换，得到阶梯波；

模拟输出电路模块407，用于对所述的阶梯波进行处理，得到连续变化的输出波形信号。

在本发明实施例中，函数信号发生单元203可以为基于DDS的任意函数发生器，模拟输出电路模块407可以包括低通滤波器。

在本发明实施例中，时钟模块401提供频率为fc的时钟脉冲，在时钟脉冲的控制下，N位的相位累加器模块403累加频率控制字模块402接收到的频率控制字K，得到相码，相码经过相位寄存器模块404寻址，并经过波形内存模块405进行相码-幅码变换后，输出不同的幅度编码，再经过数模变换模块DAC406的变换，得到相应的阶梯波，最后经过包括低通滤波器在内的模拟输出电路模块407的处理后，即得到由频率控制字K决定的连续变化的输出波形信号，其中，输出波形信号的频率为K×fc/2^N，输出波形信号的频率分辨率为fc/2^N。

根据本发明实施例提供的频移键控调制装置，基带信号通过修改频率控制字改变载波频率，仅仅是相位累加器的累进幅度有改变，载波相位是连续的，不会因为旁瓣泄露造成占用较宽频带；不仅适用于函数信号发生器，对数据通信的FSK调制系统，也是有益的借鉴。FSK的调制方式、载波频率、载波形状均可灵活设置，扩展性好，无需为这些参数的变化而修改硬件电路，载波可以是任意波形，例如正弦波、方波等。只需增加相位累加器的位宽，可显著提高载波频率的分辨率，不局限于几个被主时钟整除的频率；通过模拟电路的滤波器，可有效减小载波抖动。采用并行DDS结构，可以增加载波频率的上限。整个调制电路有利于数字实现，特别是FPGA实现。

实施例二

图5是本发明实施例提供的一种频移键控调制方法的流程图，如图5所示，频移键控调制方法包括：

S501，接收二进制的基带信号，并将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元。

在本发明实施例中，频移键控调制方法可应用于一频移键控调制装置，频移键控调制装置根据不同的FSK调制方式，将二进制的基带信号串并转换为多进制的数字码元，并作为选择信号。调制方式可由软件进行配置。

在本发明的一实施例中，频移键控调制装置首先设置所述的映射单元的调制方式，之后根据所述的调制方式将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元。

S502，接收所述的数字码元，根据所述的数字码元选择一个频率字作为频率控制字。

在本发明实施例中，频移键控调制装置根据映射后的选择信号，选择一个频率字作为DDS的频率控制字。频率字由软件设置，如果是3FSK，软件需要设置3个频率字；如果是4FSK，需要设置4个频率字。

在本发明实施例中，对于4FSK调制方式，将基带信号的0、1码元的每2个进行顺序分组，得到总共四种码元分组结果——00、01、10、11；不同的码元选择不同的频率控制字，00对应于载频f₁，01对应于载频f₂，10对应于载频f₃，11对应于载频f₄。

在本发明实施例中，3FSK调制方式略有不同，基带信号的0码元对应于载频f1，1码元交替的对应于载频f2和载频f3。也就是，0码元被映射为00，1码元交替的映射为01、10。当然，基带信号的0、1码元的位置也可以互换，1码元被映射为00，0码元交替的映射为01、10。究竟交替映射的是0码元还是1码元，可由软件设置。

S503，接收所述的频率控制字，根据所述的频率控制字生成频移键控调制信号。

在本发明实施例中，频率控制字决定了输出信号的频率，如果基带信号能够控制频率控制字的切换，也就实现了MFSK调制。频移键控调制装置可以包括基于DDS的任意函数发生器，其输出频率由基带信号控制的频率控制字决定。

在本发明实施例中，无论3FSK、4FSK，还是更多频率的MFSK，采用FPGA实现上述映射关系是比较容易的。

图6是本发明实施例提供的步骤S503的流程图，如图6所示，步骤S503包括：

S601，提供时钟脉冲fc；

S602，接收所述的频率字选择单元提供的频率控制字K；

S603，累加所述的频率控制字K，得到相码；

S604，对所述的相码进行寻址；

S605，对寻址后的相码进行相码-幅码变换，得到不同的幅度编码；

S606，对所述的幅度编码进行数模变换，得到阶梯波；

S607，对所述的阶梯波进行处理，得到连续变化的输出波形信号。

在本发明实施例中，频移键控调制装置提供频率为fc的时钟脉冲，在时钟脉冲的控制下，频移键控调制装置累加接收到的频率控制字K，得到相码，相码经过寻址，并经过相码-幅码变换后，输出不同的幅度编码，再经过数模变换，得到相应的阶梯波，最后经过包括低通滤波在内的处理后，即得到由频率控制字K决定的连续变化的输出波形信号，其中，输出波形信号的频率为K×fc/2^N，输出波形信号的频率分辨率为fc/2^N。

根据本发明实施例提供的频移键控调制方法，基带信号通过修改频率控制字改变载波频率，仅仅是相位累加器的累进幅度有改变，载波相位是连续的，不会因为旁瓣泄露造成占用较宽频带；不仅适用于函数信号发生器，对数据通信的FSK调制系统，也是有益的借鉴。FSK的调制方式、载波频率、载波形状均可灵活设置，扩展性好，无需为这些参数的变化而修改硬件电路，载波可以是任意波形，例如正弦波、方波等。只需增加相位累加器的位宽，可显著提高载波频率的分辨率，不局限于几个被主时钟整除的频率；通过模拟电路的滤波器，可有效减小载波抖动。采用并行DDS结构，可以增加载波频率的上限。整个调制电路有利于数字实现，特别是FPGA实现。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种频移键控调制装置，其特征在于，所述的频移键控调制装置包括：

映射单元，用于接收二进制的基带信号，并将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元；

频率字选择单元，用于接收所述的数字码元，根据所述的数字码元选择一个频率字作为频率控制字；

函数信号发生单元，用于接收所述的频率控制字，根据所述的频率控制字生成频移键控调制信号；

所述映射单元包括调制方式设置模块，所述调制方式设置模块，用于设置所述的映射单元的调制方式；

所述的映射单元根据所述的调制方式将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元，所述调制方式包括3进制频移键控调制的调制方式；

所述的映射单元将所述的基带信号的0、1码元的每2个进行顺序分组，得到四种码元分组结果，分别为00、01、10和11。

2.根据权利要求1所述的频移键控调制装置，其特征在于，所述的函数信号发生单元为基于DDS的任意函数发生器。

3.根据权利要求1所述的频移键控调制装置，其特征在于，所述的函数信号发生单元包括：

时钟模块，用于提供时钟脉冲，所述的时钟脉冲的频率为fc；

频率控制字模块，用于接收所述的频率字选择单元提供的频率控制字K；

N位相位累加器模块，用于累加所述的频率控制字K，得到相码；

相位寄存器模块，用于对所述的相码进行寻址；

波形内存模块，用于对寻址后的相码进行相码-幅码变换，得到不同的幅度编码；

数模变换模块，用于对所述的幅度编码进行数模变换，得到阶梯波；

模拟输出电路模块，用于对所述的阶梯波进行处理，得到连续变化的输出波形信号。

4.根据权利要求3所述的频移键控调制装置，其特征在于，所述的模拟输出电路模块包括低通滤波器。

5.根据权利要求3所述的频移键控调制装置，其特征在于，所述的输出波形信号的频率为K×fc/2^N，所述的输出波形信号的频率分辨率为fc/2^N。

6.一种频移键控调制方法，其特征在于，所述的频移键控调制方法包括：

接收二进制的基带信号，并将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元；

接收所述的数字码元，根据所述的数字码元选择一个频率字作为频率控制字；

接收所述的频率控制字，根据所述的频率控制字生成频移键控调制信号；

所述的接收二进制的基带信号，并将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元还包括：

设置调制方式；

根据所述的调制方式将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元，所述调制方式包括3进制频移键控调制的调制方式；

所述的将所述的基带信号串并转换为多进制的数字码元包括：

将所述的基带信号的0、1码元的每2个进行顺序分组，得到四种码元分组结果，分别为00、01、10和11。

7.根据权利要求6所述的频移键控调制方法，其特征在于，所述的接收所述的频率控制字，根据所述的频率控制字生成频移键控调制信号包括：

提供时钟脉冲，所述的时钟脉冲的频率为fc；

接收提供的频率控制字K；

累加所述的频率控制字K，得到相码；

对所述的相码进行寻址；

对寻址后的相码进行相码-幅码变换，得到不同的幅度编码；

对所述的幅度编码进行数模变换，得到阶梯波；

对所述的阶梯波进行处理，得到连续变化的输出波形信号。

8.根据权利要求7所述的频移键控调制方法，其特征在于，所述的输出波形信号的频率为K×fc/2^N，所述的输出波形信号的频率分辨率为fc/2^N，N为相位累加的位数。