基于FPGA的AFC环解调FSK信号原理及设计

摘要：介绍了相乘微分型AFC环解调FSK信号的原理，分析了环路的控制模型。采用模块化的设计思想，利用VHDL语言设计了相乘微分型AFC环路，阐述了关键部件的设计方法。在Xilinx的FPGA器件XC3S200-4FT200上对AFC环进行了实现，利用Modelsim6.0软件进行了仿真测试。仿真结果表明，环路工作稳定，满足性能要求。

1 引言

FSK（Frequency Shift Keying ，频移键控）是继ASK（Amplitude Shift Keying，振幅键控）之后出现比较早的一种调制方式。由于FSK的抗衰落能力较强，因而在一些衰落信道的传输中得到了广泛的应用[1]。近年来，数字调频技术有了相当大的发展。CPFSK（Continuous Phase Frequency Shift Keying ，连续相位频移键控）在调制指数h=0.7及采用相干检测及延迟判决的条件下，功率与频带利用方面可以达到比BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控）好1dB的水平。MSK（Minimum Shift Keying，最小频率键控）在功率与频带的利用方面都与4PSK相当，而且它的频谱特性比PSK信号优越，已在数字卫星通信系统中采用[2]。

FSK信号的解调方法很多，总的来讲可以分为相干解调法和非相干解调法两类。相干解调法是指需要获取相干载波信号的解调方法，非相干解调法则不需在解调前获取相干载波。从抗干扰性能看，相干解调法是最佳的，但从FSK信号中提取相干载波比较困难，实现技术相对较为复杂，所需硬件资源也较多，故目前多采用非相干解调法。文献[1]给出的一种最佳非相干解调器结构，在相同误码率的条件下，所需的信噪比只比相干解调法高1~2dB。非相干解调法的种类很多，如基于FFT的频谱分析法[3、4]、基于自适应滤波的解调法[5]、差分检波算法[6]、AFC（Automatic Frequency Control，自动频率控制）环解调法等。

近年来，随着可编程逻辑器件的发展，采用FPGA实现信号解调等数字系统具有速度快、使用灵活、可编程配置等一系列优点，已逐渐成为数字通信系统设计与实现的首选方案。本文主要讨论相乘微分型AFC环解调FSK信号的原理及FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）实现方法。

2 AFC环解调FSK信号的工作原理

2.1 相乘微分型AFC环原理

AFC环是一个负反馈系统，从电路结构上看，AFC环主要有3种结构形式[7]：相乘微分型、延迟叉积型以及离散傅立叶变换型。本文只讨论应用比较广泛的相乘微分型AFC环路。

相乘微分型AFC环路的结构如图1所示[7]。如果接收信号与本振信号存在频差，则在一定时间间隔内必然存在相差，将鉴相器输出的相位误差信号微分后，得到反映频差的误差信号，此信号经环路滤波器平滑处理后，控制VCO（Voltage Controlled Oscillator，压控振荡器）的振荡频率向输入信号频率靠近，最终使得频差近似为零。

设输入信号

滤波判决，即可完成FSK信号的解调。

2.2 AFC环的数学模型分析

由相乘微分型AFC环路的工作原理可知，AFC环是一个频率负反馈系统，可以得到图2所示的AFC环路的频率控制模型。环路中，鉴频器的输出电压与频率误差信号成正比。对于无线通信中常用的锁相环路来讲，VCO的输出信号对相位信号有一个积分关系，压控振荡器是锁相环路中的固有积分环节[9]；在AFC环路中，VCO的输出信号与信号频率成正比，环路不再具有积分环节，因此，整个AFC环不是一个二阶线性系统，而是更为简单的一阶线性系统。

 

AFC环路的工作过程完全可以采用通用的一阶线性环路模型来进行分析。根据一阶线性环路的工作原理可知[8]，环路锁定的条件是环路增益K 必须大于固有频差Δω ，且环路增益越大，则捕获及锁定时间越短。由图2可以看出，环路增益由鉴频器、滤波器、VCO增益组成，控制环路总增益的方法比较灵活，可以通过增加环路中任何一个环节的增益来实现提高环路总增益的目的。