通原課設(shè)---fsk通信系統(tǒng)的調(diào)制

1、武漢理工大學(xué)通信原理課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 電信12班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：FSK通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初始條件：具備通信課程的理論知識(shí)；具備模擬與數(shù)字電路基本電路的設(shè)計(jì)能力；掌握通信電路的設(shè)計(jì)知識(shí)，掌握通信電路的基本調(diào)試方法；自選相關(guān)電子器件；可以使用實(shí)驗(yàn)室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、完成FSK移頻數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的FSK傳輸功能，收發(fā)波形一致。2、完成系統(tǒng)中相關(guān)調(diào)制、傳輸以及解調(diào)模塊電路的設(shè)計(jì)。3、載波信號(hào)頻率：256KHz、128KHz、峰值：5V；基帶信號(hào)為M

2、序列，峰值為1V的方波。4、安裝和調(diào)試整個(gè)電路，并測(cè)試出結(jié)果；5、進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)試并完成符合要求的課程設(shè)計(jì)書。時(shí)間安排： 二十二周一周，其中3天硬件設(shè)計(jì)，2天硬件調(diào)試指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控,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遞數(shù)字信息，即用所傳的數(shù)字信息控制載波的頻率。2FSK信號(hào)是符號(hào)“1”對(duì)應(yīng)于載頻，“0”對(duì)應(yīng)于另一載頻的已調(diào)波形，而且之間的改變是瞬時(shí)完成的。從原理上講，數(shù)字調(diào)頻可用模擬調(diào)頻法來實(shí)現(xiàn)，也可用鍵控法來實(shí)現(xiàn)，模擬調(diào)頻法是利用一個(gè)矩形脈沖序列對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，是頻移鍵控通信方式早期采

3、用的實(shí)現(xiàn)方式，2FSK鍵控法則是利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的頻率源進(jìn)行選通。鍵控法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，波形好，穩(wěn)定度高且易于實(shí)現(xiàn)，故廣泛應(yīng)用。 隨著電子計(jì)算機(jī)的普及，數(shù)字通信技術(shù)正在迅速發(fā)展，數(shù)字頻率調(diào)制是數(shù)據(jù)通信中一種常見的調(diào)制方式，頻移鍵控（FSK）方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并且解調(diào)不需恢復(fù)本地載波，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性好，因此，F(xiàn)SK調(diào)制技術(shù)在通信行業(yè)得到廣泛地運(yùn)用，并且主要適用于低，中速數(shù)據(jù)傳輸。由于FSK調(diào)制解調(diào)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，作為通信原理的入門學(xué)，理解FSK后可以容易理解其他更復(fù)雜的調(diào)制系統(tǒng)，為以后的進(jìn)一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：FSK調(diào)制 解調(diào) Mult

4、isim仿真AbstractDigital Frequency modulation is also called Frequency Shift Keying, a binary Frequency Shift Keying (2 FSK, digital Frequency Shift Keying is to use the Frequency of the carrier to transmit digital information, which is the preaching of digital information carrier Frequency control. 2

5、FSK signal symbol is "1" corresponds to the carrier frequency, "0" corresponds to a carrier frequency modulated waveform, but also is the change between the instantaneous. In principle, to implement the digital FM available simulation method, keying method can be used to realize

6、the simulation of FM method is to use a rectangular pulse sequence to frequency modulation of a carrier, is an early adoption of frequency shift keying communication way, 2 FSK keying method is to use the rectangular pulse sequence control switch circuit of two independent frequency source for gatin

7、g. Keying method is characterized by fast conversion, waveform is good, high stability and easy to implement, so it is widely used.With the popularization of computers, digital communications technology is developing rapidly, the digital frequency modulation is a kind of common data communication mo

8、de of modulation, frequency shift keying (FSK) method is simple, easy to implement, and demodulation does not need to restore the local carrier, can be asynchronous transmission, noise resistance and good resistance to decline, therefore, FSK modulation technology been widely used in the communicati

9、ons industry, and is mainly suitable for low and medium speed data transmission.Because of the FSK modulation demodulation principle is relatively simple, as a primer to learn communication principle, understand can easily understand other more complicated after FSK modulation system, to lay the fou

10、ndation for the further development in the future.Key Words: FSK modulation demodulation Multisim simulation目 錄1 概述1 1.1 數(shù)字通信1 1.2 Multisim軟件22 基本原理3 2.1 頻移鍵控3 2.2 FSK信號(hào)的解調(diào)43 電路設(shè)計(jì)6 3.1 2FSK調(diào)制器電路的設(shè)計(jì) 63.2 信源電路的設(shè)計(jì)7 3.2.1 分頻器的設(shè)計(jì)7 3.2.2 M 序列發(fā)生器7 3.3 解調(diào)電路的設(shè)計(jì)8 3.3.1 限幅、微分、整流、展寬電路設(shè)計(jì)8 3.3.2 濾波器設(shè)計(jì) 9 3.3.3 電壓比

11、較器設(shè)計(jì) 10 3.3.4 抽樣判決器設(shè)計(jì) 114 電路仿真 125 實(shí)物制作與調(diào)試 146 心得體會(huì) 15參考文獻(xiàn) 16本科生成績(jī)?cè)u(píng)定表 171. 概述1.1 數(shù)字通信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息時(shí)代快速的來到了人們的生活中了，而實(shí)現(xiàn)這一切的信息靠的都是通信系統(tǒng)的。通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)一門非常重要的學(xué)科，其帶動(dòng)了信息社會(huì)的發(fā)展，在電話通信、軍事、航天等眾多領(lǐng)域起著無比重要的作用，已經(jīng)于人們的生活息息相關(guān)，可以說離開了通信系統(tǒng)，社會(huì)將無法正常運(yùn)行。在通信系統(tǒng)中分為模擬通信和數(shù)字通信，模擬通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菭顟B(tài)連續(xù)變化的模擬信號(hào)，數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菭顟B(tài)離散的數(shù)字信號(hào)。目前，不論是模擬通信還

12、是數(shù)字通信，在實(shí)際的通信業(yè)務(wù)總都得到了廣泛的應(yīng)用。不過，近年來隨著數(shù)字通信的迅速發(fā)展，數(shù)字通信在整個(gè)通信領(lǐng)域中所占的比重日益增長(zhǎng)。與模擬通信相比，數(shù)字通信有許多優(yōu)點(diǎn)，歸納起來主要有以下幾點(diǎn)： （1）抗噪聲性能好。數(shù)字通信傳送的信號(hào)時(shí)數(shù)字信號(hào)，它的取值有限，因此，在有噪聲的情況下，接收端易于識(shí)別。尤其在遠(yuǎn)距離傳輸過程中，各中繼站可以對(duì)數(shù)字信號(hào)波形進(jìn)行整形再生兒消除噪聲的積累。此外，還可以采用各種差錯(cuò)控制編碼方法，使抗噪聲性能進(jìn)一步得到提高。 （2）便于使用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行處理，接口問題也容易解決。 （3）數(shù)字信號(hào)易于進(jìn)行加密，有利于實(shí)現(xiàn)通信保密。&#

13、160;（4）數(shù)字通信可以傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)變得通用、靈活。 （5）數(shù)字通信系統(tǒng)中絕大部分部件采用數(shù)字電路，而近年來，由于生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展，大規(guī)模集成電路已被廣泛應(yīng)用，因而數(shù)字通信設(shè)備容易做到體積小，功耗低，制造簡(jiǎn)單，可靠性高。 數(shù)字基帶信號(hào)是低通型信號(hào)，其功率譜集中在零頻附近，它可以直接在低通型信道中傳輸，然而，實(shí)際信道很多是帶通型的，數(shù)字基帶信號(hào)無法直接通過帶通型信道。因此，在發(fā)送端需要把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到帶通信道的通帶范圍內(nèi)，以便信號(hào)在帶通型信道中傳輸，這個(gè)頻譜的搬移過程稱為數(shù)字調(diào)制，相應(yīng)地，在接受端需要將已調(diào)信號(hào)搬回來，還原為基帶信號(hào)，這個(gè)反搬移過程叫

14、數(shù)字解調(diào)。1.2 Multisim軟件Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)

15、完整的綜合設(shè)計(jì)流程。2. 基本原理2.1 頻移鍵控?cái)?shù)字頻率調(diào)制是數(shù)據(jù)通信使用較早的一種通信方式。由于這種調(diào)制解調(diào)方式容易實(shí)現(xiàn)，抗噪聲和抗衰減性能較強(qiáng)，因此在中低速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。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)字調(diào)頻信號(hào)可以分相位離散和相位連續(xù)兩種情形。若兩上振蕩器頻率分別由不同的獨(dú)立振蕩器提供，它們之間相位互不相關(guān)，這就叫相位離散的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)；若兩上振蕩頻率由同一振蕩信號(hào)源提供，只是對(duì)其中一個(gè)載波進(jìn)行分頻，這樣產(chǎn)生的兩個(gè)載頻就是相位連續(xù)的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)。 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。

16、2FSK信號(hào)便是符號(hào)“1”對(duì)應(yīng)于載頻f1，而符號(hào)“0”對(duì)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。如圖2.1是典型的2FSK波形。圖2.1 典型的2FSK波形從原理上講，數(shù)字調(diào)頻可用模擬調(diào)頻法來實(shí)現(xiàn)，也可用鍵控法來實(shí)現(xiàn)。模擬調(diào)頻法是利用一個(gè)矩形脈沖序列對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，使其能夠輸出兩個(gè)不同頻率的碼元，這是頻移鍵控通信方式早期采用的實(shí)現(xiàn)方法。2FSK產(chǎn)生的另一種方法就是鍵控法，也稱頻率選擇法，是利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通，由數(shù)字基帶信號(hào)來控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過選擇不同頻率的高頻信號(hào)來實(shí)現(xiàn)FSK 調(diào)制。如圖2.1是采用數(shù)

17、字鍵控的工程實(shí)現(xiàn)方法。圖2.1 鍵控法工程實(shí)現(xiàn)框圖2.2 FSK信號(hào)的解調(diào)數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法很多，如鑒頻法、相干檢測(cè)法、包絡(luò)檢波法、過零檢測(cè)法、差分檢測(cè)法等。  包絡(luò)檢波法可視為由兩路2ASK解調(diào)電路組成。這里，兩個(gè)帶通濾波器帶寬相同，皆為相應(yīng)的2ASK信號(hào)帶寬；中心頻率不同,分別為（f1、f2）起分路作用，用以分開兩路2ASK信號(hào)，經(jīng)包絡(luò)檢測(cè)后分別取出它們的包絡(luò)；抽樣判決器起比較器作用，把兩路包絡(luò)信號(hào)同時(shí)送到抽樣判決器進(jìn)行比較，從而判決輸出基帶數(shù)字信號(hào)。若上、下支路包絡(luò)的抽樣值分別用v1、v2表示，則抽樣判決器的判決準(zhǔn)則為v1v2時(shí)，判為“1”；v1v2時(shí)，判為“0”

18、。相干檢測(cè)的具體解調(diào)電路是同步檢波器，兩個(gè)帶通濾波器的作用同于包絡(luò)檢波法，起分路作用。它們的輸出分別與相應(yīng)的同步相干載波相乘，再分別經(jīng)低通濾波器濾掉二倍頻信號(hào)，取出含基帶數(shù)字信息的低頻信號(hào)，抽樣判決器在抽樣脈沖到來時(shí)對(duì)兩個(gè)低頻信號(hào)的抽樣值進(jìn)行比較判決（判決規(guī)則同于包絡(luò)檢波法），即可還原出基帶數(shù)字信號(hào)。過零檢測(cè)法是利用單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)經(jīng)過零點(diǎn)的次數(shù)多少，來衡量頻率的高低。數(shù)字調(diào)頻波的過零點(diǎn)數(shù)隨不同載頻而異，故檢出過零點(diǎn)數(shù)可以得到關(guān)于頻率的差異，這就是過零檢測(cè)法的基本思想。2FSK輸入信號(hào)經(jīng)放大限幅后產(chǎn)生矩形脈沖序列，經(jīng)微分及全波整流形成與頻率變化相應(yīng)的尖脈沖序列，這個(gè)序列就代表著調(diào)頻波的過零點(diǎn)。尖

19、脈沖觸發(fā)一寬脈沖發(fā)生器，變換成具有一定寬度的矩形波，該矩形波的直流分量便代表著信號(hào)的頻率，脈沖越密，直流分量越大，反映著輸入信號(hào)的頻率越高。經(jīng)低通濾波器就可得到脈沖波的直流分量。這樣就完成了頻率幅度變換，從而再根據(jù)直流分量幅度上的區(qū)別還原出數(shù)字信號(hào)“1”和“0”。如圖2.2.1是過零檢測(cè)法的原理框圖，圖2.2是典型2FSK解調(diào)過程的時(shí)域波形。圖2.2 過零檢測(cè)法原理框圖圖2.2 典型解調(diào)過程的時(shí)域波形差分檢波法基于輸入信號(hào)與其延遲的信號(hào)相比較，信道上的失真將同時(shí)影響相鄰信號(hào)，故不影響最終鑒頻結(jié)果。實(shí)踐表明，當(dāng)延遲失真為0時(shí)，這種方法的檢測(cè)性能不如普通鑒頻法，但當(dāng)信道有較嚴(yán)重延遲失真時(shí)，其檢測(cè)性

20、能優(yōu)于鑒頻法。3. 電路設(shè)計(jì) 整體電路框圖如圖3所示。圖3 整體電路框圖3.1 2FSK調(diào)制器電路的設(shè)計(jì) 模擬調(diào)頻法與鍵控法相比，鍵控法產(chǎn)生的FSK信號(hào)頻率穩(wěn)定度可以做得很高，并且沒有過渡頻率，它的轉(zhuǎn)換速度快，波形好，頻率穩(wěn)度高，所以本次設(shè)計(jì)的2FSK調(diào)制器部分采用鍵控法。如圖3.1為其仿真圖。圖3.1 調(diào)制器電路圖3.2 信源電路的設(shè)計(jì)3.2.1 分頻器的設(shè)計(jì)用D觸發(fā)器構(gòu)成適當(dāng)?shù)姆诸l電路，由載頻f1獲得載頻f2和序列所需的時(shí)鐘信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中， f2為二分頻，fs為四分頻。分頻器的電路仿真如圖所示。圖3.2 分頻器電路圖3.2.2 M序列發(fā)生器M序列也稱作偽隨機(jī)序列，它的顯著特點(diǎn)是：（a）

21、隨機(jī)特性；（b）預(yù)先可確定性；（c）可重復(fù)實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)用D觸發(fā)器構(gòu)成四級(jí)移位寄存器組成，形成長(zhǎng)度為24-1=15位碼長(zhǎng)的偽隨機(jī)碼序列。如圖3.2.2.1所示。這是由4級(jí)D觸發(fā)器和異或門組成的4級(jí)反饋移位寄存器，利用了帶有兩個(gè)反饋抽頭的4級(jí)反饋移位寄存器，其示意圖見圖3.2。該電路輸出的信碼序列為：111100010011010。圖3.2 M序列電路圖圖3.2 M序列產(chǎn)生電路示意圖3.3 解調(diào)電路的設(shè)計(jì)二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的解調(diào)可采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)等方法。從最佳解調(diào)的觀點(diǎn)看，相干解調(diào)具有最佳的抗干擾性能，但相干解調(diào)必須依賴于解調(diào)端恢復(fù)準(zhǔn)確頻率和相位的參考載波，在移頻鍵控系統(tǒng)中，提取f1和f

22、2會(huì)大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。所以本次采用非相干解調(diào)的過零檢測(cè)法。過零檢測(cè)法由限幅、微分、整流、展寬、濾波、電壓比較、抽樣判決七個(gè)模塊組成。輸入的FSK 信號(hào)經(jīng)限幅放大后成為矩形脈沖波，再經(jīng)過微分電路得到雙向尖脈沖，然后整流得到單向尖脈沖，每個(gè)尖脈沖表示一個(gè)過零點(diǎn)，尖脈沖的重復(fù)頻率就是信號(hào)頻率的兩倍。將尖脈沖去觸發(fā)一單穩(wěn)電路， 產(chǎn)生一定寬度的矩形脈沖序列，該序列的平均分量與脈沖重復(fù)頻率成正比，即與輸入信號(hào)成正比。所以經(jīng)過低通濾波器輸出的平均分量的變化反映了輸入信號(hào)頻率的變化，這樣把碼元“ 1”與“ 0”在幅度上區(qū)分開來，再經(jīng)電壓比較與抽樣判決電路的處理，就可恢復(fù)出原數(shù)字基帶信號(hào)。3.3.1 限幅、

23、微分、整流、展寬電路設(shè)計(jì)其電路圖如圖3.3所示。圖3.3 限幅、微分、整流、展寬電路圖3.3.2 濾波器設(shè)計(jì)為了獲得良好的幅頻特性，脈沖展寬電路輸出端所接的低通濾波器的帶外衰減應(yīng)很快。其電路如圖3.3所示。圖3.3 濾波器電路圖173.3.3 電壓比較器設(shè)計(jì)所謂電壓比較器就是將一個(gè)模擬量電壓信號(hào)和一個(gè)參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。在本設(shè)計(jì)中，電壓比較器的主要任務(wù)是將低通濾波器輸出的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行零電平判決與實(shí)現(xiàn)波形的變換，使之成為規(guī)則的矩形波。它由通用電壓比較器芯片LM311構(gòu)成，其反相輸入端接分壓電位器的中心抽頭，以取得參考電壓Vb；

24、當(dāng)輸入信號(hào)電壓ViVb 輸出為1；當(dāng)輸入信號(hào)電壓ViVb 輸出為0。電路如圖3.3所示。圖3.3 電壓比較電路圖3.3.4 抽樣判決器設(shè)計(jì)信號(hào)在傳輸?shù)臅r(shí)候必須要有一定的波形，最容易想到的就是矩形脈沖波形，但是這樣的話有一定的問題，那就是其頻譜是很寬的，不利于傳輸，因此，必須要選擇其它樣式的波形進(jìn)行傳輸，即對(duì)矩形脈沖進(jìn)行碼型變換和波形變換，變成一種合適在信道中傳輸?shù)男问?，比如正弦波。這樣是可以在信道里面進(jìn)行傳輸?shù)?。這樣就要對(duì)信號(hào)進(jìn)行“抽樣”，得到在不同的時(shí)刻的一些離散的值，但是，由于在信號(hào)的傳輸過程中有各種干擾（噪聲和碼間串?dāng)_），不同時(shí)刻的值跟原先實(shí)際的不一定相同。比如在第一個(gè)時(shí)刻抽樣得到的是0

25、.9（這樣就進(jìn)行所謂的“判決”，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)的值很接近1，因此，此時(shí)的信號(hào)的值就當(dāng)成1，從而得到1，同樣在其它的時(shí)候得到不同的抽樣值根據(jù)情況判斷此處原來的值到底是0還是1）。利用這種方式就可以將原來的基帶信號(hào)恢復(fù)或者再生，這就是所謂的抽樣判決器。抽樣判決器的功用是：在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時(shí)刻（由位定時(shí)脈沖控制）對(duì)接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號(hào)。過零檢測(cè)中，電壓比較器輸出的信號(hào)必須經(jīng)過碼再生電路（即抽樣判決電路），才能恢復(fù)出和發(fā)送端相同的非歸零碼。在2FSK通信系統(tǒng)中，抽樣判決電路通常用觸發(fā)器對(duì)判決信號(hào)進(jìn)行抽樣再生，其電路如圖3.3。圖3.3 抽樣判決電路圖其中CLK接位同步信號(hào)，D接解調(diào)信號(hào)，Q為輸出端，輸出已調(diào)信號(hào)，即信碼。