FSK綜合設(shè)計實驗剖析

FSK綜合設(shè)計實驗剖析第1頁/共28頁

一、綜合設(shè)計實驗?zāi)康?/p>

通過2FSK通信系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗，加強(qiáng)對2FSK調(diào)制器與解調(diào)器的通信技術(shù)電路理解，學(xué)會查尋資料、方案比較，以及設(shè)計計算環(huán)節(jié)。學(xué)會對所學(xué)基本理論知識的綜合運用；掌握使用Multisim軟件的操作方法；進(jìn)一步提高分析與解決實際問題的能力，創(chuàng)造一個動腦動手、獨立開展電路實驗的機(jī)會，鍛煉分析、解決通信技術(shù)電路問題的本領(lǐng)，真正實現(xiàn)由課本知識向?qū)嶋H動手能力的轉(zhuǎn)化；通過典型電路的設(shè)計與制作，初步體驗從事通信產(chǎn)品研發(fā)的過程；增強(qiáng)學(xué)生的實際能力。第2頁/共28頁二、綜合設(shè)計內(nèi)容與技術(shù)指標(biāo)1.設(shè)計內(nèi)容：

根據(jù)2FSK調(diào)制器與解調(diào)器的組成原理，設(shè)計出整個2FSK傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方案與電路；2.電路技術(shù)指標(biāo)：

①主載頻為11800HZ(或16KHZ）；②f1=2950HZ（或8KHZ）;f2=1475HZ（或4KHZ）。數(shù)字基帶信號時鐘頻率fs=400（或1000）bit/s；

③數(shù)字基帶信號用m序列產(chǎn)生器（7位或15位）提供；

④調(diào)制器采用鍵控電路；⑤解調(diào)器采用非相干解調(diào)（過零檢測）技術(shù)（也可用相干解調(diào)或用數(shù)字鎖相環(huán)解調(diào)）電路實現(xiàn)。第3頁/共28頁三、綜合設(shè)計要求①利用Mulisim軟件進(jìn)行電路搭接、調(diào)測、改進(jìn)、完善方案；

②著眼于頻率、頻譜、頻帶、觀察2FSK信號。在時域，觀察單元電路各點的波形；在頻域，觀察已調(diào)信號、調(diào)制信號的頻譜，測算傳輸帶寬；③根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求及功能，設(shè)計各單元電路電原理圖；查閱器件手冊，提出使用器材；④根據(jù)實驗記錄的波形和數(shù)據(jù)，分析2FSK調(diào)制解調(diào)過程和性能。并寫出符合規(guī)范的綜合設(shè)計實驗報告。3.設(shè)計要求：第4頁/共28頁

在實際信道中，大多數(shù)信道具有帶通傳輸特性，數(shù)字基帶信號不能直接在這種帶通傳輸特性的信道中傳輸，必須用數(shù)字基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，完成頻譜搬移，變換成頻帶信號后，才能在帶通傳輸特性的信道中傳輸。四、2FSK調(diào)制解調(diào)原理

FSK是數(shù)字通信中用得較廣的一種調(diào)制方式，在話帶內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。國際電聯(lián)推薦在話音頻帶內(nèi)低于1200bit/s數(shù)據(jù)率時使用FSK方式。在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時，它也被廣泛采用。

FSK通信系統(tǒng)通常由2個不同頻率的載波來代表數(shù)字信號的2種電平，通過頻移調(diào)制，輸出FSK信號；解調(diào)時則通過帶通濾波，分離出這兩種不同頻率的載波，然后再通過比較器，還原出原始數(shù)字信號。第5頁/共28頁

在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，若載波的頻率隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號在f1和f2兩個載頻間切換，則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號（2FSK信號）。二進(jìn)制移頻鍵控信號的產(chǎn)生方法如圖所示。圖（a）是采用數(shù)字鍵控的工程實現(xiàn)方法，圖（b）是調(diào)制器輸出的2FSK信號的時間波形。（1）二進(jìn)制移頻鍵控信號的產(chǎn)生方法

四、2FSK調(diào)制解調(diào)原理第6頁/共28頁

在圖1（a）中，兩個載頻受輸入的二進(jìn)制基帶信號控制，在一個碼元TS期間，輸出f1或f2兩載頻之一。若二進(jìn)制基帶信號的“1”對應(yīng)于載頻f1，“0”對應(yīng)于載頻f2，則二進(jìn)制移頻鍵控制信號的時域表達(dá)式為：

（1式）

四、2FSK調(diào)制解調(diào)原理

相位不連續(xù)的二進(jìn)制移頻鍵控信號的功率譜可以近似表示成兩個不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控功率譜密度的疊加，如圖所示。第7頁/共28頁從圖中可以看出：

1、2FSK的頻譜由連續(xù)譜和離散譜所組成，其中離散譜位于兩個載頻f1和f2處，連續(xù)譜由兩個中心位于f1和f2處的雙邊譜疊加形成；

2、若兩個載波頻差小于fs,則連續(xù)譜在f0處出現(xiàn)單峰；若載頻差大于fs

，則連續(xù)邊譜距離拉開，出現(xiàn)雙峰；

3、若以二進(jìn)制移頻鍵控信號功率譜第一個零點之間的頻率間隔作為2FSK信號的帶寬，則2FSK信號的頻帶寬度B2FSK為

四、2FSK調(diào)制解調(diào)原理第8頁/共28頁五、2FSK調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計方案（1）2FSK調(diào)制設(shè)計方案

設(shè)信息源發(fā)出的是由二進(jìn)制符號0，1組成的序列，且假定0符號出現(xiàn)的概率為p，1出現(xiàn)的概率為1-p，它們彼此獨立，那么，2FSK信號便是0符號對應(yīng)于載頻ω1，而1對應(yīng)于載頻ω2（與ω1不同的另一個載頻）的已調(diào)波形，而且ω1、ω2的改變是瞬間就能完成的。容易想到，2FSK可以利用一個矩形脈沖序列對一個載波進(jìn)行調(diào)頻,使其能夠輸出2個不同頻率的碼元。

2FSK產(chǎn)生的另一個方法就是采用鍵控法，也稱頻率選擇法，即利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對2個不同的頻率源進(jìn)行選通。由數(shù)字基帶信號來控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過選擇不同頻率的高頻信號來實現(xiàn)FSK調(diào)制。頻移鍵控法產(chǎn)生的FSK信號頻率穩(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。本次2FSK調(diào)制器部分要求采用此方法設(shè)計。第9頁/共28頁

由以上的分析可知，在設(shè)計移頻鍵控系統(tǒng)時，為了獲得最佳分路特性，通常選用的兩個載頻f1和f2在碼元周期TS內(nèi)具有正交特性，即

上式在f1和f2間隔為1/2TS的整數(shù)倍時都能滿足，即

（n=1,2,…）

工程上一般取

│f1-f2│=(3~5)/Ts五、2FSK調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計方案本次實驗電路規(guī)定：f1=8KHZ(或2950HZ）；f2=4KHZ(或1475HZ）

fs=1000（或400）bit/s第10頁/共28頁（2）2FKS

信號的解調(diào)方案

二進(jìn)制移頻鍵控信號的解調(diào)可采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)。從最佳解調(diào)的觀點看，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f2會大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。采用非相干解調(diào)的原理圖如圖所示,它是一種過零檢測的方法，整個解調(diào)過程的時間波形如圖所示。

五、2FSK調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計方案第11頁/共28頁五、2FSK調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計方案（3）2FKS

調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)組成方案

（1）鍵控調(diào)制與過零檢測系統(tǒng)組成框圖（2）鎖相環(huán)解調(diào)電路組成框圖第12頁/共28頁六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:（1）2FSK調(diào)制器電路方案介紹:

設(shè)計移頻鍵控系統(tǒng)時，為了獲得最佳分路特性，兩載頻f1、f2和fs應(yīng)折中選取。另外根據(jù)國際電報電話咨詢委員會（CCITT）的建議，傳輸速率為1200波特以下的設(shè)備采用FSK，因而本實驗的碼元速率選在800Hz左右，這樣f1、f2和fs三個頻率的取值分別為f1

＝？、f２＝？和fｓ＝？調(diào)制器電路可參考圖1或圖2。圖1門電路構(gòu)成的2FSK調(diào)制器電原理圖圖2模擬電子開關(guān)構(gòu)成的2FSK調(diào)制器電原理圖①調(diào)制器電路組成與工作原理第13頁/共28頁(2)信源電路的方案介紹主要提供2FSK的載波和信碼的定時信號，可用門電路或集成電路（555）構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生的振蕩頻率為11800Hz載波，要求輸出頻率可調(diào)。由門電路構(gòu)成的振蕩器參考電路如圖所示：在三個與非門之間加入了一個R(R1)C(C1)延時網(wǎng)絡(luò)，由于RC較大，可忽略tpd，并且調(diào)整R1可以改變RC值使振蕩頻率改變。RS(R2)起隔離作用，把電容C的輸出與U3c的輸入隔離開。工作原理：接通電源時，C的充放電使“A”點電壓發(fā)生變化。每當(dāng)”A”點到達(dá)閾值電壓VT=1.4V時，電路就會翻轉(zhuǎn)，電路不停的自動翻轉(zhuǎn)，就會在Vo端輸出一系列的矩形脈沖，即電路產(chǎn)生了振蕩。估算振蕩周期T2.2RC六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:①主載波振蕩器電路與工作原理A第14頁/共28頁

將主載波按設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求，一般用D觸發(fā)器構(gòu)成適當(dāng)?shù)姆诸l電路，獲得載頻f1、f2和Ｍ序列所需的時鐘信號。本實驗系統(tǒng)，f1為四分頻；f2為八分頻；fs為十六分頻。分頻器的參考電路如圖所示：(2)、信源電路的方案介紹六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:②分頻器電路與工作原理第15頁/共28頁m序列也稱作偽隨機(jī)序列，它的顯著特點是：（a）隨機(jī)特性；（b）預(yù)先可確定性；（c）可重復(fù)實現(xiàn)。本次綜合設(shè)計要求用D觸發(fā)器構(gòu)成四級移位寄存器組成，形成長度為24-1=15位碼長的偽隨機(jī)碼序列，碼率約為800bit/s。(2)、信源電路的方案介紹

圖1是實驗系統(tǒng)中4級偽隨機(jī)序列碼發(fā)生器電原理圖。從圖中可知，這是由4級D觸發(fā)器和異或門組成的4級反饋移位寄存器。本電路是利用帶有兩個反饋抽頭的4級反饋移位寄存器，其示意圖見圖2，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖見表1，該電路輸出的信碼序列為：

111100010011010。四級偽隨機(jī)碼Q3Q2Q1Q01111011100110001100001000010100111000110101101011010110111101111圖2圖1表1六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:③m序列發(fā)生器組成與工作原理第16頁/共28頁

（3）2FSK信號的解調(diào)方案（非相干）

數(shù)字頻率鍵控（FSK）信號常用解調(diào)方法有很多種，在設(shè)計中利用過零檢測法。過零檢測法是利用信號波形在單位時間內(nèi)與零電平軸交叉的次數(shù)來測定信號頻率。其解調(diào)電路組成如圖1所示：

由圖可見，輸入的FSK信號經(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，每個尖脈沖表示一個過零點，尖脈沖的重復(fù)頻率就是信號頻率的兩倍。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?？梢?，整個系統(tǒng)有七個單元電路組成。六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:第17頁/共28頁

從前面原理的介紹中，我們知道2FSK調(diào)制信號的解調(diào)若用非相干過零檢測法，由圖可見，必須有七個單元模塊來完成?？紤]到2FSK信號的產(chǎn)生和解調(diào)集于同一仿真電路中，已調(diào)信號未經(jīng)信道傳輸，沒有畸變、沒有信道的干擾，因而采用數(shù)字電路完成限幅、微分、整流和脈沖形成四大功能是較簡單的，其參考電路如圖1所示。

（3）2FSK信號的解調(diào)方案（非相干）六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:①

限幅、微分、整流、展寬電路組成與工作原理第18頁/共28頁

由圖可見，該脈沖形成電路用雙J-K觸發(fā)器74LS107、二極管、阻容等元件組成。該電路具有單穩(wěn)態(tài)特性，它的穩(wěn)定狀態(tài)是：=1或Q=0。當(dāng)CP端有輸入信號觸發(fā)時，輸入信號的下降沿使電路狀態(tài)發(fā)生改變:Q=1，=0。這時J-K觸發(fā)器清零端的電壓VRD將緩慢降低，當(dāng)降至1.4V左右時，觸發(fā)器清零，電路又回到穩(wěn)定狀態(tài)，此時，二極管導(dǎo)通，電容C經(jīng)二極管正向電阻rD

反向充電，因為反向充電的時常數(shù)τ充=rDC較小，因而觸發(fā)器清零端的電壓會很快上升至高電位上，保證Q端維持低電平。顯然，輸入信號的下降沿作用后，清零端電平下降到1.4V左右的時間長度與脈沖寬度有關(guān)，脈沖寬度τ放=W1C，調(diào)節(jié)W1可以改變形成脈沖的寬度。調(diào)節(jié)W1使脈沖形成電路上下兩支脈沖的寬度分別小于T1/2（T1=1/f1），保證兩路脈沖疊加后不混疊，但也不能使脈寬過窄，因為形成脈沖的寬度將影響低通濾波器輸出幅度的幅度。六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:①

限幅、微分、整流、展寬電路組成與工作原理

（3）2FSK信號的解調(diào)方案（非相干）第19頁/共28頁②低通濾波器電路與工作原理

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，達(dá)40dB/十倍頻程。實驗中要求采用巴特沃斯低通濾波器，其電路如圖所示。圖中所示的低通濾波器為二階有源低通濾波器。能提供40dB/十倍頻程衰減量，由截止頻率公式：可知：六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:

（3）2FSK信號的解調(diào)方案（非相干）第20頁/共28頁③電壓比較器電路組成與工作原理六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:

電壓比較器是集成運放非線性應(yīng)用電路，他常用于各種電子設(shè)備中，所謂電壓比較器就是將一個模擬量電壓信號和一個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。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。

在本實驗系統(tǒng)，電壓比較器的主要任務(wù)是將低通濾波器輸出的數(shù)字基帶信號進(jìn)行零電平判決與實現(xiàn)波形的變換，使之成為規(guī)則的矩形波。其基本電路構(gòu)成如圖所示：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；當(dāng)輸入信號電壓Vi≥Vb輸出為1當(dāng)輸入信號電壓Vi≤Vb輸出為0

（3）2FSK信號的解調(diào)方案（非相干）第21頁/共28頁六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:④抽樣判決器電路組成與工作原理

過零檢測電壓比較器輸出的信號，必須進(jìn)行碼再生電路（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)器對判決信號進(jìn)行抽樣再生，其基本電路如圖所示：

由圖可見，該電路使用D觸發(fā)器構(gòu)成，其時鐘信號是由碼元定時電路恢復(fù)的與發(fā)送端同頻同相的位同步信號。

（3）2FSK信號的解調(diào)方案

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)定時刻（由位定時脈沖控制）對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。第22頁/共28頁限幅器

限幅放大器是為了把輸入信號變換成方波以獲取過零點的信息，這里采用通用的電壓比較器LM311實現(xiàn)。其電路組成入圖所示；六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:第23頁/共28頁六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計說明:(4)用鎖相環(huán)實現(xiàn)2FS信號解調(diào)

二進(jìn)制移頻鍵控信號也可以采用模擬鎖相環(huán)制作2FSK解調(diào)器。FSK集成電路數(shù)字鎖相環(huán)解調(diào)器由于性能優(yōu)越，價格低廉，體積小，電路組成原理框圖如圖所示；

只要在設(shè)計鎖相環(huán)時，使它鎖定在FSK的一個載頻f1上，對應(yīng)輸出高電平，而對另一載頻f2失鎖，對應(yīng)輸出低電平，那么在鎖相環(huán)路濾波器輸出端就