FSK调制参数介绍——基于SX1208芯片

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　　1 调制

　　通信系统中，实际传输的有用信号(数据)往往具有频率很低的频偏分量，而天线的长度与波长成正比，即与频率成反比，因此如果要将实际有用的信号直接传输，则需要非常长的天线，几百米乃至几公里长，所以一般这些信号不适合在信道中直接传输。因此，通常需要将原始信号转变为适合信道传输的高频信号，这个转变的过程被称为调制。

　　现在的通信系统中依旧有许多成熟且大量应用的调制方式，FSK调制便是其中之一。

　　FSK，Frequency-shift keying，中文叫做频移键控。其特点是利用不同的载波频率来代表实际有用的信号。FSK调制又可细分为2FSK、4FSK、GFSK等调制方式。本文后续将以最为常用的2FSK为例讲解。

　　2 2FSK原理

　　上文已提到，FSK是利用不同载波频率来表示有用数据，而2FSK则是二进制数字频率调制，其信号只包含“0”和“1”两种信息。

　　2FKS利用两种不同频率的载波分别表示“0”和“1”。如图1所示，基带信号为实际数字通信系统中需要传输的有用数据。2FSK调制系统中会产生两种频率波形如f1和f2。用频率低的波形表示“1”，用频率高的波形表示0，最后根据基带信号来形成2FSK信号。当然，符号极性是可以相反的，即用频率低的表示“0”，用频率高的表示“1”，不同FSK芯片可能会采用不同的极性规则。通信双方需要保证极性规则一致，否则会导致解调的数据完全相反。

图1 FSK波形

　　3 FSK主要参数

　　3.1 频率

　　2FSK系统，通常都会有个频率的概念，通信双方需要保证通信频率相一致才可以正常通信。针对SX1208，便存在三个寄存器来设置频率，如图2所示。

图2 SX1208 频率寄存器

　　这里的频率其实是指的中心频点。上文介绍过，2FSK系统实际传输的信号中存在两个频率的波形，分别是一个高频率一个低频率。但是我们将的通信频点并不是这两个频率波形中的任意一个，而是这两个频率的中心频点。因此，实际通信传输的波形并没有我们设置的这个频点，其原因后续讲到频偏时会更直观的体现。但是为了沟通方便，往往以中心频点来描述通信的信道频点。

　　3.2 速率

　　速率，data rate，表示空中传输有用信号的频率。速率越高，单位时间内传输的有用数据越大，速率越低，单位时间内传输的有用数据越少。速率分为比特速率、符号速率等。2FSK中，一个符号等于一个比特，因此符号速率等于比特速率。虽然速率越高，传输的数据约快，但实际使用中并非速率越大越好。速率越大，接收机的接收带宽便也要更大，接收机的接收灵敏度便会下降，使得通信距离缩短。
在SX1208芯片中，同样存在设置速率的相关寄存器，如图3所示。

图3 速率寄存器

　　3.3 频偏

　　频偏，frequency deviation，频率偏移。这里的频偏并非指信号因某种干扰或环境因素等产生的频率偏移。在2FSK系统中，数据“0”和“1”是用不同频率的载波表示的。前文已经提到过常说的通信频率是两个载波的中心频点。而这两个载波的频率和中心频点之差的绝对值便是频偏。

　　如图4所示，该波形为2FSK在频谱上的实际波形。其中，标记1和标记2便是实际表示“0”和“1”的两种不同频率的载波，也是实际传输中空中存在的信号。而标记3则为中心频点，也就是芯片频率寄存器设置的频点。中心频点下偏一个Fdev频率便是标记1，上偏一个Fdev频率便是标记2。

图4 2FSK频谱波形

　　在SX1208芯片中，也有相对于的寄存器设置Fdev值，如图5所示。

图5 Fdev寄存器

　　3.4 接收带宽

　　接收带宽，RXBW。接收带宽指的是接收机滤波器带宽，其决定了允许进入接收电路的信号带宽，此值需要根据以上两个参数取值来决定。接收带宽取值过大，则会引入过多噪声干扰信号影响灵敏度性能；如果取值过小，则会无法接收频偏的射频信号，故需要做相应的权衡。

　　3.5 DR、Fdev和RXBW之间的关系

　　DR(data rate)、Fdev和RXBW三者之间存在的一定的关系，只有满足这个关系，通信系统才能正常无误的工作。Fdev≥DR，RXBW＞Fdev+DR/2。

　　上文提到过，速率并不是越大越好，速率越大，意味着RXBW也需要越大。RXBW越大，引入的噪声越多，使得接收灵敏度下降，导致通信距离缩短。因此，三个参数的取值需要根据实际应用有所取舍。

　　下表以SX1208为例，列出了常用DataRate对应的Fdev、RxBW关系表。