摘要：介紹了相乘微分型AFC環解調FSK信號的原理，分析了環路的控制模型。采用模塊化的設計思想，利用VHDL語言設計了相乘微分型AFC環路，闡述了關鍵部件的設計方法。在Xilinx的FPGA器件XC3S200-4FT200上對AFC環進行了實現，利用Modelsim6.0軟件進行了仿真測試。仿真結果表明，環路工作穩定，滿足性能要求。

1 引言

FSK（Frequency Shift Keying ，頻移鍵控）是繼ASK（Amplitude Shift Keying，振幅鍵控）之后出現比較早的一種調制方式。由于FSK的抗衰落能力較強，因而在一些衰落信道的傳輸中得到了廣泛的應用[1]。近年來，數字調頻技術有了相當大的發展。CPFSK（Continuous Phase Frequency Shift Keying ，連續相位頻移鍵控）在調制指數h=0.7及采用相干檢測及延遲判決的條件下，功率與頻帶利用方面可以達到比BPSK（Binary Phase Shift Keying，二進制相移鍵控）好1dB的水平。MSK（Minimum Shift Keying，最小頻率鍵控）在功率與頻帶的利用方面都與4PSK相當，而且它的頻譜特性比PSK信號優越，已在數字衛星通信系統中采用[2]。

FSK信號的解調方法很多，總的來講可以分為相干解調法和非相干解調法兩類。相干解調法是指需要獲取相干載波信號的解調方法，非相干解調法則不需在解調前獲取相干載波。從抗干擾性能看，相干解調法是最佳的，但從FSK信號中提取相干載波比較困難，實現技術相對較為復雜，所需硬件資源也較多，故目前多采用非相干解調法。文獻[1]給出的一種最佳非相干解調器結構，在相同誤碼率的條件下，所需的信噪比只比相干解調法高1~2dB。非相干解調法的種類很多，如基于FFT的頻譜分析法[3、4]、基于自適應濾波的解調法[5]、差分檢波算法[6]、AFC（Automatic Frequency Control，自動頻率控制）環解調法等。

近年來，隨著可編程邏輯器件的發展，采用FPGA實現信號解調等數字系統具有速度快、使用靈活、可編程配置等一系列優點，已逐漸成為數字通信系統設計與實現的首選方案。本文主要討論相乘微分型AFC環解調FSK信號的原理及FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）實現方法。

2 AFC環解調FSK信號的工作原理

2.1 相乘微分型AFC環原理

AFC環是一個負反饋系統，從電路結構上看，AFC環主要有3種結構形式[7]：相乘微分型、延遲叉積型以及離散傅立葉變換型。本文只討論應用比較廣泛的相乘微分型AFC環路。

相乘微分型AFC環路的結構如圖1所示[7]。如果接收信號與本振信號存在頻差，則在一定時間間隔內必然存在相差，將鑒相器輸出的相位誤差信號微分后，得到反映頻差的誤差信號，此信號經環路濾波器平滑處理后，控制VCO（Voltage Controlled Oscillator，壓控振蕩器）的振蕩頻率向輸入信號頻率靠近，最終使得頻差近似為零。

設輸入信號

濾波判決，即可完成FSK信號的解調。

2.2 AFC環的數學模型分析

由相乘微分型AFC環路的工作原理可知，AFC環是一個頻率負反饋系統，可以得到圖2所示的AFC環路的頻率控制模型。環路中，鑒頻器的輸出電壓與頻率誤差信號成正比。對于無線通信中常用的鎖相環路來講，VCO的輸出信號對相位信號有一個積分關系，壓控振蕩器是鎖相環路中的固有積分環節[9]；在AFC環路中，VCO的輸出信號與信號頻率成正比，環路不再具有積分環節，因此，整個AFC環不是一個二階線性系統，而是更為簡單的一階線性系統。

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AFC環路的工作過程完全可以采用通用的一階線性環路模型來進行分析。根據一階線性環路的工作原理可知[8]，環路鎖定的條件是環路增益K 必須大于固有頻差Δω ，且環路增益越大，則捕獲及鎖定時間越短。由圖2可以看出，環路增益由鑒頻器、濾波器、VCO增益組成，控制環路總增益的方法比較靈活，可以通過增加環路中任何一個環節的增益來實現提高環路總增益的目的。