設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)——2FSK調(diào)制、解調(diào)

1、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 2FSK調(diào)制、解調(diào)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握用移頻鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)的原理及硬件實(shí)現(xiàn)方法；2掌握用過零點(diǎn)檢測法解調(diào)2FSK信號(hào)的原理及硬件實(shí)現(xiàn)方法；3加深對位同步信號(hào)提取原理的理解，了解其硬件實(shí)現(xiàn)方法；4了解鎖相環(huán)對消除相位抖動(dòng)的原理及作用。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 2FSK調(diào)制（發(fā)送）實(shí)驗(yàn)。2. 2FSK解調(diào)（接收）實(shí)驗(yàn)。 3. 位同步提取實(shí)驗(yàn)。 4. 眼圖、奈奎斯特準(zhǔn)則實(shí)驗(yàn)。 5. 歸零碼與位定時(shí)實(shí)驗(yàn)。6. 眼圖與判決時(shí)間選取實(shí)驗(yàn)。三、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備1. 20MHZ雙蹤示波器 GOS-6021 1臺(tái)2. 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器 SP1641bB 1臺(tái)3. 直流穩(wěn)壓電源 GPS-X303

2、/C 1臺(tái)4. 萬用表 1塊5. 2FSK調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)箱 1個(gè)四、實(shí)驗(yàn)原理及電路（一）實(shí)驗(yàn)原理實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率調(diào)制的方法很多，總括起來有兩類:直接調(diào)頻法和移頻鍵控法。本實(shí)驗(yàn)使用的是移頻鍵控法，它便于用數(shù)字集成電路來實(shí)現(xiàn)。移頻鍵控，或稱數(shù)字頻率調(diào)制，是數(shù)字通信中使用較早的一種調(diào)制方式。數(shù)字頻率調(diào)制的基本原理是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，這種頻率的變化不是連續(xù)的，而是離散的。比如，在二進(jìn)制的數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)中，可用兩個(gè)不同的載頻來傳遞數(shù)字信息，故移頻鍵控常寫作2FSK(Frequency Shift Keying)。2FSK廣泛應(yīng)用于低速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備中，根據(jù)國際電報(bào)和電話咨詢委

3、員會(huì)(CCITT)的建議，傳輸速率為1200波特以下設(shè)備一般采用2FSK。2FSK方法簡單、易于實(shí)現(xiàn)，解調(diào)不需要恢復(fù)本地載波，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性能也較強(qiáng)。因此，2FSK已成為在模擬電話網(wǎng)上利用調(diào)制解調(diào)制器來傳輸數(shù)據(jù)的低速、低成本的一種主要調(diào)制方式。在一個(gè)2FSK系統(tǒng)中，發(fā)端把基帶信號(hào)的變化規(guī)則轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的載頻變化，而在收端則完成與發(fā)端相反的轉(zhuǎn)換。由于2FSK信號(hào)的信道中傳輸?shù)氖莾蓚€(gè)載頻的切換，那么其頻譜是否就是這兩個(gè)載頻的線譜呢?或者說信道的頻帶只是這兩個(gè)載頻之差呢?答案是否定的。設(shè)2FSK的兩個(gè)載頻為fl、f2，其中心載頻為fo=(fl+f2)/2；又設(shè)基帶信號(hào)的速率為fs。這樣

4、，經(jīng)過分析，2FSK的頻譜圖如圖5.1所示。圖a中的fl=fo+fs，f2=fo-fs；圖b中的fl=fo-0.4s，f2=fo-0.4s。從圖5.1中我們可以看出：(l)相位不連續(xù)2FSK頻譜由連續(xù)譜和離散線譜組成，線譜出現(xiàn)在兩個(gè)載頻位置上。(2)相位連續(xù)2FSK若兩個(gè)載頻之差較小，比如小于fs，則連續(xù)譜出現(xiàn)單蜂；若兩個(gè)載頻之差逐漸增大，即fl與f2的距離增大，連續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰。 (3)由此可見，傳輸2FSK信號(hào)所需的頻帶f約為 本實(shí)驗(yàn)為傳輸25000波特基帶信號(hào)的2FSK實(shí)驗(yàn)，通過改變分頻鏈分頻比的方式來實(shí)現(xiàn)移頻鍵控。收端采用過零檢測法恢復(fù)基帶信號(hào)，并從恢復(fù)的基帶信號(hào)中直接提取碼元定時(shí)信號(hào)

5、。圖5.1a 相位不連續(xù)信號(hào)的頻譜示意圖 圖5.1b 相位連續(xù)信號(hào)頻譜示意圖五、2FSK的原理：2FSK介紹： 數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控（FSK），二進(jìn)制頻移鍵控記作2FSK。數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。2FSK信號(hào)便是符號(hào)“1”對應(yīng)于載頻f1，而符號(hào)“0”對應(yīng)于載頻f2（與f1不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且f1與f2之間的改變是瞬間完成的。其表達(dá)式為：典型波形如下圖所示。由圖可見,2FSK信號(hào)可以看作兩個(gè)不同載頻的ASK信號(hào)的疊加。因此2FSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式又可以寫成：z 圖1 原理框圖二、2FSK的調(diào)制：2FSK發(fā)送部分如圖5.2所示。

6、圖中包括方波源（晶振）、調(diào)制器、M序列發(fā)生器等。圖5.2 2FSK發(fā)送(調(diào)制)部分a、方波源方波源由4MHZ晶振產(chǎn)生，經(jīng)4分頻產(chǎn)生1MHZ方波，再經(jīng)10分頻，產(chǎn)生100KHZ，8分頻產(chǎn)生125KHZ調(diào)制載波。b、M序列發(fā)生器M序列發(fā)生器由四級移位寄存器組成，形成長度為24 -1=15的偽隨機(jī)序列，充當(dāng)信碼。其信碼定時(shí)信號(hào)是方波源輸出的信號(hào)經(jīng)40分頻后得到。速率為25Kb/s。c、調(diào)制器2FSK調(diào)制器為全數(shù)字可變分頻比的分頻鏈。其邏輯圖如圖5.3所示。圖5.3 2FSK調(diào)制器從圖5.3可以看出，信碼為“1”時(shí)，分頻鏈作10分頻，輸出頻率為100KHZ信號(hào)；信碼為 “0”時(shí)，分頻鏈作8分頻，輸出頻

7、率為125KHZ信號(hào)。由于這時(shí)輸出的為對稱方波，所含頻率分量較豐富，即要占據(jù)較寬的信道頻帶，為節(jié)省頻帶，在送入信道前，只取基頻分量就可以了，所以在調(diào)制器后接有一帶通濾波器，中心頻率為112.5KHZ。這樣，在發(fā)送部分的輸出端，就得到相對于“1”和“0”碼的l00KHZ和125KHZ的正弦波。但是，如果帶通的中心頻率發(fā)生偏移或帶通的通帶特性不平坦，都會(huì)給輸出的2FSK信號(hào)帶來寄生調(diào)幅，應(yīng)盡量使之減小。2FSK調(diào)制就是使用兩個(gè)不同的頻率的載波信號(hào)來傳輸一個(gè)二進(jìn)制信息序列。可以用二進(jìn)制“1”來對應(yīng)于載頻f1，而“0”用來對應(yīng)于另一相載頻w2的已調(diào)波形，而這個(gè)可以用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個(gè)不

8、同的獨(dú)立的頻率源w1、f2進(jìn)行選擇通。本次課程設(shè)計(jì)采用的是前面一種方法。如下原理圖：2FSK調(diào)制電路的整體電路圖：模擬開關(guān)電路 輸入的基帶信號(hào)由轉(zhuǎn)換開關(guān)分成兩路，一路控制f1=32KHz的載頻，另一路經(jīng)倒相去控制f2=16KHz的載頻。當(dāng)基帶信號(hào)為“1”時(shí)，模擬開關(guān)1打開，模擬開關(guān)2關(guān)閉，此時(shí)輸出f1=32KHz，當(dāng)基帶信號(hào)為“0”時(shí)，模擬開關(guān)2開通。此時(shí)輸出f2=16KHz，于是可在輸出端得到FSK已調(diào)信號(hào)。   圖3.1  模擬開關(guān)電路4066芯片 六、2FSK的解調(diào)：數(shù)字頻率調(diào)制的解調(diào)方法一般有三種:鑒頻法、過零檢測法

9、和差分檢波法。本實(shí)驗(yàn)采用過零檢測法。2FSK接收(解調(diào))部分方框圖如圖5.4所示，其中包括過零檢測、位同步提取、抽樣判決（碼再生）等。目前，低速率的移頻鍵控調(diào)制解調(diào)器己有專用的集成電路，例如 MOTOROLA公司的MC6860等。本實(shí)驗(yàn)為幫助實(shí)驗(yàn)者理解原理仍采用小規(guī)模集成電路實(shí)驗(yàn)。 圖5.4 2FSK接收(解調(diào))部分方框圖a、過零檢測圖5.5是用過零檢測法解調(diào)基帶信號(hào)時(shí)各點(diǎn)的波形圖。 2FSK信號(hào)2.12.22.32.4圖5.5 過零檢測法解調(diào)基帶信號(hào)時(shí)各點(diǎn)的波形圖2FSK輸入信號(hào)經(jīng)限幅后產(chǎn)生矩形波序列2.1，經(jīng)微分、整流后形成與頻率變化相應(yīng)的脈沖序列2.2，這個(gè)序列就代表著調(diào)頻波的過零點(diǎn)。將

10、其變換成具有一定寬度的矩形波2.3，并經(jīng)低通濾波器濾除高次諧波，便得到對于原數(shù)字信號(hào)的基帶信號(hào)2.4。b、位同步提取在數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的接收端，位同步為碼的再生所必需，而在數(shù)字通信中，常常是不發(fā)送導(dǎo)頻或位同步信號(hào)的，這就必須直接從數(shù)字信號(hào)中提取位同步。本實(shí)驗(yàn)就采用這種直接從數(shù)字信號(hào)中濾波提取位同步的方法，其原理如圖5.6所示。2.62.72.82.92.11 圖5.6 濾波法提取位同步信號(hào)我們知道，一個(gè)不歸零的隨機(jī)二進(jìn)序列，不能直接從該序列中濾出位同步信號(hào)，但是，若對該信號(hào)進(jìn)行某種變換，例如變成歸零脈沖后，則該序列中就有 的位同步信號(hào)分量，經(jīng)一窄帶濾器，就可濾出此信號(hào)分量，再將它經(jīng)相位調(diào)整(移相器

11、或延遲)就形成位同步脈沖。c、抽樣判決（碼再生）從過零檢測低通濾波器輸出的信號(hào)，必須進(jìn)行抽樣判決（碼再生）才能恢復(fù)出和發(fā)端相同的非歸零信碼。抽樣判決（碼再生）電路用一比較器對解調(diào)獲得的基帶信號(hào)進(jìn)行零電平判決，再由一觸發(fā)器對判決信號(hào)進(jìn)行抽樣定位，如圖5.7所示。所不同的是，這種碼元定時(shí)是由位同步提供的。這樣,解調(diào)、同步和碼再生就組成了一個(gè)較完整的數(shù)字通信接收系統(tǒng)。圖5.7 碼再生電路d、有源濾波器a)有源低通濾波器 本實(shí)驗(yàn)用4階切比雪夫有源低通濾波器檢測2FSK的基帶信號(hào)，實(shí)驗(yàn)電路如圖5.8所示。b)有源帶通濾波器有源濾波器由RC濾波器與有源運(yùn)放組成，選用具有帶通特性的RC濾波器與有源運(yùn)放就可以

12、組成有源帶通濾波器，實(shí)驗(yàn)電路如圖5.9所示。具有帶通特性的RC網(wǎng)絡(luò)有RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、單T網(wǎng)絡(luò)和雙T網(wǎng)絡(luò)，其中雙T網(wǎng)絡(luò)的特佳最好，因?yàn)槠銺很高，可以組成通常很窄的帶通濾波器，但它有一缺點(diǎn)，在點(diǎn)附近，相應(yīng)有-900到+900的突變，這對我們是不利的，即要求頻率及元器件都要非常穩(wěn)定，否則，濾波器就可能變成振蕩器。圖5.8 有源低通濾波器為此，在本實(shí)驗(yàn)中，我們選用單T網(wǎng)絡(luò)作為濾波網(wǎng)絡(luò)。圖5.9 有源帶通濾器單T網(wǎng)絡(luò)的選頻特性與n有關(guān)，n越大，特性越好，故本實(shí)驗(yàn)選n=l00。RC的選擇公式為： e鎖相環(huán)提純位同步由于單T網(wǎng)絡(luò)頻帶不夠窄，提取的位同步會(huì)有較大的抖動(dòng)。必須經(jīng)鎖相環(huán)窄帶濾波器進(jìn)行提純。以CD40

13、46為基本形式的CMOS集成鎖相環(huán)路在工程中應(yīng)用非常廣泛。其主要優(yōu)點(diǎn)是功耗少，在lmw以下，但工作頻率偏低。通常在lMHZ左右，隨著集成工藝的發(fā)展，CMOS鎖相環(huán)工作頻率已可以高達(dá)20MHZ，如54/74HC4046。HEF4046B鎖相環(huán)路由線性壓控振蕩器(VCO)，兩個(gè)鑒相器以及一個(gè)射隨器組成。電路如圖5.10所示。圖5.10 HEF4046方框圖HEF4046B所需要的外部電路很少，應(yīng)用很簡單。R3，C3是環(huán)路濾波器，RSF是射隨器的負(fù)載，當(dāng)電源電壓10V以下時(shí)，可用10K以上。當(dāng)電源電壓達(dá)15v時(shí)，應(yīng)選擇大于50K。 R1C1決定振蕩器最低頻率時(shí)工作頻率，R2與R1的比值決定了振蕩器與之比。在本次課程設(shè)計(jì)采用的是非相干解調(diào)方式（包絡(luò)檢波）：FSK的非相干解調(diào)由帶通濾波器、包絡(luò)檢波器、低通濾波器構(gòu)成，包絡(luò)檢波器直接從已調(diào)信號(hào)中提取基帶信號(hào)的