利用鎖相環(huán)芯片實現(xiàn)FSK信號的調(diào)制與解調(diào)電路的設(shè)計

新疆師范大學(xué)2013屆本科畢業(yè)設(shè)計鎖相環(huán)簡介1.1引言隨著現(xiàn)代社會的不斷進步，電子計算機和電子科學(xué)技術(shù)不斷地普及到我們的家庭中。通信對我們來說也顯得越來越至關(guān)重要，密不可分。對于通信技術(shù)而言，通信的質(zhì)量問題也就顯的非常的關(guān)鍵。在保證信息遠距離傳輸正確性這一方面，數(shù)字通信系統(tǒng)擁有先天的優(yōu)勢，這也正是數(shù)據(jù)通信技術(shù)快速發(fā)展的真正原因。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。由于頻移鍵控（FSK）的調(diào)制和解調(diào)原理都相對比較簡單，作為數(shù)字通信原理的一門入門學(xué)科，透徹的理解頻移鍵控（FSK）后可以更好地理解其他較復(fù)雜的調(diào)制系統(tǒng)，為以后的進一步發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)[1]。鎖相環(huán)（PLL）是一種閉環(huán)的自動跟蹤負反饋系統(tǒng)。60年代初隨著數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展，鎖相環(huán)的應(yīng)用也越來越廣。在電子儀器方面，鎖相環(huán)在頻率合成器和相位計等儀器中起了重要作用。鎖相環(huán)路之所以能得到如此廣泛的應(yīng)用，是由于其獨特的優(yōu)良性能所決定的。它具有載波跟蹤特性，作為一個窄帶跟蹤濾波器，可提取淹沒在噪聲中的信號；用高穩(wěn)定的參考振蕩器鎖定，可提供頻率高穩(wěn)定的頻率源；可進行高精度的香味與頻率測量等等。它具有調(diào)制跟蹤特性，可制成高性能的調(diào)制器和解調(diào)器。它還具有低門限特性，可大大改善模擬信號和數(shù)字信號的解調(diào)質(zhì)量[2]。對于不同的調(diào)制方式，還有其不同的獨特的解調(diào)方法。在本實驗中主要利用了鎖相環(huán)的特性，實現(xiàn)了基于鎖相環(huán)的數(shù)字信號移頻鍵控的調(diào)制與解調(diào)。1.2鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。它廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域[3]。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC）、壓控振蕩器（VCO）、低通濾波器三部分組成，如圖1-1所示。圖1-1鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖中的壓控振蕩器的輸出接至相位比較器的一個輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓的大小決定。施加于相位比較器另一個輸入端的外部輸入信號與來自壓控振蕩器的輸出信號相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓正比于和兩個信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個平均值電壓。這個平均值電壓朝著減小VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號頻率獲得一致。這時兩個信號的頻率相同，兩相位差保持恒定（即同步）稱作相位鎖定。2鎖相環(huán)芯片簡介2.1NE564介紹高頻模擬鎖相環(huán)NE564是PhilipsSemiconductor公司（荷蘭菲利浦公司）的產(chǎn)品，同類國產(chǎn)產(chǎn)品的型號有XD564、L564等。NE564最高工作頻率可達到50MHZ，采用+5V單電源供電，特別適用于高速數(shù)字通信中FM調(diào)頻信號及2FSK移頻鍵控信號的調(diào)制、解調(diào)，而無需外接復(fù)雜的濾波器。NE564采用雙極性工藝，其外部引腳圖和內(nèi)部組成框圖分別如圖2-1和圖2-2所示。其中，為限幅器，可抑制FM調(diào)頻信號的寄生調(diào)幅；相位比較器（鑒相器）PD的內(nèi)部含有限幅放大器，以提高對AM調(diào)幅信號的抗干擾能力；外接電容、組成低通濾波器，用來濾出比較器輸出的直流誤差電壓的波紋；改變引腳的輸入2電流可改變環(huán)路增益；壓控振蕩器VCO的內(nèi)部接有固定電阻R（R=100），只需外接一個定時電容就可產(chǎn)生振蕩。VCO有兩個電壓輸出端，其中輸出TTL電平，輸出ECL電平。后置鑒相器由單位增益跨導(dǎo)放大器和施密特觸發(fā)器ST組成。其中，提供解調(diào)FSK信號時的補償直流電平及用作線性解調(diào)FM信號時的后置鑒相濾波器；ST的回差電壓可通過引腳16外接直流電壓進行調(diào)整，以消除輸出信號的相位抖動[4]。圖2-1NE564的外部引腳圖圖2-2NE564的內(nèi)部組成框圖2.2CD4046介紹鎖相環(huán)過去多采用分立元件和模擬電路組成，現(xiàn)在常使用集成電路的鎖相環(huán)，CD4046便是常用的鎖相環(huán)集成電路[5]。CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器，必須外接電容C1和電阻R1作為充放電元件，當(dāng)PLL對跟蹤的輸入信號的頻率寬度有要求時還需要外接電阻R2。其特點是電源電壓范圍寬為3V－18V，輸入阻抗高約100，動態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW，屬微功耗器件。圖2-3是CD4046的引腳排列，采用16腳雙列直插式，各引腳功能如下：1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時為高電平，環(huán)路失鎖時為低電平。2腳相位比較Ⅰ的輸出端。3腳比較信號輸入端。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作。6、7腳外接振蕩電容。8、16腳電源的負端和正端。9腳壓控振蕩器的控制端。10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比較器Ⅱ的輸出端。14腳信號輸入端。15腳內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓管負極。圖2-3CD4046的外部引腳圖圖2-4CD4046的內(nèi)部電原理框圖圖2-4是CD4046內(nèi)部電原理框圖，它主要由相位比較Ⅰ、相位比較器Ⅱ、壓控振蕩器（VCO）、源跟隨器、線性放大器、整形電路等部分組成。相位比較器Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個輸人端信號、的電平狀態(tài)不同時（即一個高電平，一個為低電平），輸出端信號為高電平；反之，當(dāng)、的電平狀態(tài)相同時（即兩個均為高，或均為低電平），輸出為低電平。當(dāng)、的相位差Δφ變化在0°-180°的范圍內(nèi)時，的脈沖寬度m也隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器Ⅰ的輸入和輸出信號的波形（如圖2-5所示）可看出，其輸出信號的頻率是輸入信號頻率的兩倍，并且與兩個輸入信號之間的中心頻率保持90°的相位移動。對相位比較器Ⅰ而言，它要求、的占空比均為50%（即方波），這樣才能使鎖定的范圍為最大。圖2-5比較器Ⅰ的輸入和輸出信號的波形相位比較器Ⅱ是一個由信號的上升沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)。它對輸入信號占空比的要求不高，并允許輸入非對稱的波形，它具有很寬很廣的捕捉頻率范圍，而且不會鎖定在輸入信號的諧波上。它可提供數(shù)字誤差信號和鎖定信號（相位脈沖）兩種輸出，當(dāng)達到鎖定時，在相位比較器Ⅱ的兩個輸人信號之間保持0°相位移動。對相位比較器Ⅱ而言，當(dāng)14腳的輸入信號比13腳的比較信號頻率低時，輸出為邏輯“0”；反之則輸出邏輯“1”。如果兩個信號的頻率相同而相位不同，當(dāng)輸人信號的相位滯后于比較信號時，相位比較器Ⅱ輸出的為正脈沖，當(dāng)相位超前時則輸出的為負脈沖。在這兩種情況下，從1腳都會有與上述正、負脈沖寬度相同的負脈沖產(chǎn)生。相位比較器Ⅱ會輸出一個與兩輸入脈沖上升沿之間相位差相等寬度的正負脈沖。而當(dāng)兩個輸入脈沖的頻率和相位都一致時，相位比較器Ⅱ的輸出為高阻態(tài)，則1腳輸出為。圖2-6為上述所示波形。由此可見，從1腳輸出信號是負脈沖還是固定的高電平高電平就可以判斷出兩個輸入信號的情況了。圖2-6輸入信號情況判斷CD4046內(nèi)部的線性放大器和整形電路，可將14腳輸入的100mV左右的微弱輸入信號變成方波或脈沖信號送至兩相位比較器。源跟蹤器是增益為1的放大器，VCO的輸出電壓經(jīng)源跟蹤器至10腳作FM解調(diào)用。齊納二極管可單獨使用，其穩(wěn)壓值為5V，若與TTL電路匹配時，可用作輔助電源。綜上所述，CD4046工作原理如下：輸入信號從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進行放大、整形后加到相位比較器Ⅰ、Ⅱ的輸入端，圖2-4開關(guān)K撥至2腳，則比較器Ⅰ將從3腳輸入的比較信號與輸入信號作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓則反映出兩者的相位差。經(jīng)R3、R4及C2濾波后得到一控制電壓加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號頻率f1。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進入相位比較器Ⅰ，繼續(xù)與進行相位比較，最后使得f2＝f1，兩者的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)K撥至13腳，則相位比較器Ⅱ工作，過程與上述相同，不再贅述[6]。3FSK簡介3.1FSK基本概念與特點數(shù)字調(diào)制是指用數(shù)字基帶信號控制載波，把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號（已調(diào)信號）的過程。在接收端通過解調(diào)器把帶通信號還原成數(shù)字基帶信號的過程稱為數(shù)字解調(diào)。利用數(shù)字信號的離散取值特點通過開關(guān)鍵控載波，實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制的技術(shù)稱為鍵控法。數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控(FSK—FrequencyShiftKeying)，二進制頻移鍵控記作2FSK。它是鍵控法的一種，是利用載波的頻率變化來傳送數(shù)字信息，即用所傳送的數(shù)字信息來控制載波的頻率。2FSK信號便是符號“1”對應(yīng)于載頻，而符號“0”對應(yīng)于載頻（與不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且與之間的改變是瞬間完成的[7]。從原理上講，數(shù)字調(diào)頻可用模擬調(diào)頻法來實現(xiàn)，也可用鍵控法來實現(xiàn)。模擬調(diào)頻法是利用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調(diào)頻，是頻移鍵控通信方式早期采用的實現(xiàn)方法。而鍵控法則是利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通，它是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，它的主要優(yōu)點是：實現(xiàn)起來較為容易、抗干擾能力強、傳輸距離遠、轉(zhuǎn)換速度快、波形好、穩(wěn)定度高且抗噪聲與抗衰減的性能較好，故在中低速數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。2FSK信號的表達式和波形圖如下所示：在2FSK信號中，載波的頻率隨二進制基帶信號在和兩個頻率點間變化。故其表達式為： 式(3-1)假設(shè)二進制序列s（t）為l01001時，則2FSK信號的波形如圖3-1所示：圖3-12FSK信號的波形從圖中可以看出，一個2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加。因此，2FSK信號的時域表達式又可寫成：式(3-2)式中：g(t)為單個矩形脈沖，脈寬為；式(3-3)是的反碼，若=1，則=0；若=0，則=1，于是式(3-4)和分別是第n個信號碼元的初相位。在移頻鍵控中，和不攜帶信息，通?？闪詈蜑榱?。3.2FSK的發(fā)展及應(yīng)用前景1）FSKModem\o"MSM7512B貨源和PDF資料"MSM7512B在電力線通信中的應(yīng)用：\o"MSM7512B貨源和PDF資料"MSM7512B是由OKI公司推出的關(guān)于FSK調(diào)制解調(diào)的芯片。電力線作為一種通信傳輸介質(zhì)，具有可變信號衰減、阻抗調(diào)制、脈沖噪聲以及等幅振蕩波干擾等不利數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?。為了排除這些干擾，目前利用電力線進行通信的產(chǎn)品有很多，通信質(zhì)量和距離各有差異。這里介紹的是利用FSK調(diào)制解調(diào)芯片\o"MSM7512B貨源和PDF資料"MSM7512B來實現(xiàn)的一種點對點通信方式。這種傳輸方法是隔離（變壓器隔離方式）的。當(dāng)通信距離較遠時，可用\o"MSM7512B貨源和PDF資料"MSM7512B替代隔離的RS-485接口芯片。它具有抗干擾能力強、誤碼率低、可靠性高、投資少、建設(shè)方便等優(yōu)點，同時也存在著數(shù)據(jù)傳輸速度低（只能達到1200bps），在通信距離變得很遠時誤碼率有所增高的缺點。這種基于\o"MSM7512B貨源和PDF資料"MSM7512B來實現(xiàn)電力線通信已經(jīng)在智能小區(qū)數(shù)據(jù)通信的實踐應(yīng)用中取得了良好的使用效果。2）來電顯示：來電顯示的傳輸信息的方式有2種：FSK和DTMF。FSK方式與DTMF方式相比有如下的優(yōu)勢：（l）數(shù)據(jù)傳輸速率高，在規(guī)定時間內(nèi)能傳的字符數(shù)較多；（2）FSK方式可以支持ASCII字符集，而DTMF方式只能支持數(shù)字及少數(shù)字符。目前采用FSK方式的國家和地區(qū)有：美國、中國、英國、加拿大、日本、西班牙、新加坡等；采用DTMF方式的則主要是以瑞典為代表的一些歐洲國家等。3）藍牙(Bluetooth)通信設(shè)備：藍牙(Bluetooth)是應(yīng)用FSK調(diào)制解調(diào)的一個重要領(lǐng)域之一。藍牙可替代短距離線纜，實現(xiàn)在移動電話、便攜式電腦和其他電子裝置間的無縫線連接。越來越多的旅館、郵局、高爾夫球場、飛機場、商場、會議中心和商業(yè)領(lǐng)域都在采用藍牙技術(shù)[5]。4利用鎖相環(huán)芯片實現(xiàn)FSK信號的調(diào)制4.1FSK信號調(diào)制的基本原理數(shù)字調(diào)頻信號可以分為兩種情況，即相位連續(xù)和相位離散。如果兩個振蕩頻率分別由不同的獨立振蕩器提供，則它們之間相位互不相關(guān)，稱它為相位離散的數(shù)字調(diào)頻信號；如果兩個振蕩頻率由同一振蕩信號源提供，只是將其中一個載頻進行分頻，這樣產(chǎn)生的兩個載頻就是相位連續(xù)的數(shù)字調(diào)頻信號。FSK調(diào)制原理框圖如圖4-1所示：圖4-1FSK調(diào)制原理框圖4.2利用NE564實現(xiàn)FSK信號調(diào)制電路的設(shè)計如下圖4-2所示，該電路圖是由NE564等構(gòu)成的FSK調(diào)制電路。在電路中，NE564是一種模擬鎖相環(huán)PLL集成電路，用雙態(tài)信號控制CD4016模擬開關(guān)進行FSK調(diào)制。其中CD4016使NE564的2腳電壓，在1.42V～5V之間轉(zhuǎn)換，即5Vx[R2/(R1十R2)]=1.42V。因此，在相位連續(xù)的情況下，就可以改變壓控振蕩器(VCO)的輸出。當(dāng)VCO中心頻率的電容C0固定不變時，F(xiàn)SK頻率之間的偏移可通過R1和R2進行調(diào)整[9]。圖4-2NE564實現(xiàn)FSK信號調(diào)制電路圖4.3利用CD4046實現(xiàn)FSK信號調(diào)制電路的設(shè)計圖4-3FSK調(diào)制電路圖FSK信號的數(shù)學(xué)表達式可表示為：式(4-1)這里或-1，表示二進制的隨機信號，F(xiàn)SK信號的瞬時頻率為：式(4-2)傳號頻率，空號頻率，調(diào)制指數(shù)h為：式(4-3)式中為數(shù)據(jù)傳輸率，T為碼元寬度。利用鎖相環(huán)芯片內(nèi)的VCO可實現(xiàn)FSK信號的調(diào)制。選擇VCO的最高振蕩頻率，選擇VCO的最低振蕩頻率。在VCO的控制端輸入待傳輸?shù)男糯a，對應(yīng)信碼的邏輯“1”電平和邏輯“0”電平，VCO輸出信號的頻率分別為和，完成了FSK信號的調(diào)制。為了使得CD4046的VCO振蕩頻率穩(wěn)定，要求VCO控制端的控制電平穩(wěn)定，為此在VCO控制端輸入前加一級緩沖器。CD4046的VCO輸出波形是占空比為50%的方波，因而要加入帶通濾波器。CD4046中VCO的振蕩頻率由外接電容C，電阻R1、R2和控制端輸入電壓共同決定。設(shè)CD4046的電源電壓為，“地”電平電壓為，則當(dāng)VCO控制端輸入電壓為時，其振蕩頻率為：式(4-4)當(dāng)VCO控制端輸入電壓為時，其振蕩頻率為：式(4-5)C、、的選擇同時要滿足：10,式(4-6)式(4-7)作為FSK調(diào)制用的CD4046，可選擇：式(4-8)式(4-9)和的選值既要考慮實際信道的寬度，又要考慮調(diào)制指數(shù)h。5利用鎖相環(huán)芯片實現(xiàn)FSK信號的解調(diào)FSK信號的解調(diào)有多種方式，本論文選用集成鎖相環(huán)CD4046進行FSK解調(diào)，我們知道，鎖相環(huán)路鑒頻門限比斜率鑒頻器的鑒頻門限值低3dB左右。在設(shè)計鎖相環(huán)時，使其鎖定在FSK的一個載頻1f上，對應(yīng)輸出高電平，而對于另一載頻2f失鎖，對應(yīng)輸出低電平，那么鎖相環(huán)路濾波器輸出端就可以得到解調(diào)的基帶信號序列。選擇鎖相環(huán)路的同步帶和捕捉帶大于，且鎖相環(huán)路中VCO的振蕩頻率覆蓋和。當(dāng)輸入FSK信號時，鎖相環(huán)路處于鎖定狀態(tài)；當(dāng)輸入頻率為信號時，環(huán)路中的低通濾波器輸出為一高電平；當(dāng)輸入頻率為的信號時，低通濾波器輸出為一低電平，這樣就完成了FSK信號的解調(diào)。利用CD4046實現(xiàn)FSK信號的解調(diào)電路原理框圖、電路圖分別如圖5-1及圖5-2所示。圖5-1FSK信號的解調(diào)電路原理框圖圖5-2FSK信號解調(diào)電路圖6實驗結(jié)果分析6.1利用鎖相環(huán)芯片實現(xiàn)FSK信號調(diào)制和解調(diào)的結(jié)果分析通過利用鎖相環(huán)NE564和CD4046設(shè)計的FSK信號調(diào)制和解調(diào)電路，我在整個電路板的設(shè)計和制作過程中收獲到許多在課本中學(xué)不到和見不到的新知識。在其中，我感受到制作一個電路板的不易和艱辛，并且也磨練了自己的心智與耐心，懂得靜下心去檢查和調(diào)試電路。也學(xué)會了一些芯片的使用方法，并通過自己的努力做出了電路板，學(xué)會了芯片的封裝、電路板的制作與焊接等工作。以下就為FSK信號調(diào)制與解調(diào)電路的實驗結(jié)果。鎖相環(huán)NE564制作的FSK調(diào)制電路實驗結(jié)果：圖6-1FSK調(diào)制電路電路板原型圖圖6-2FSK調(diào)制電路輸入與輸出波形電路輸入端接入矩形波，在二進制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關(guān)電路對兩個頻率源進行選通，使其在每個碼元周期中輸出f1或f2兩個載波之一。當(dāng)輸入為矩形波的高電平時，由于鎖相環(huán)的鎖相功能，使得輸出為頻率較高的波形；當(dāng)輸入為矩形波的高低電平時，同樣，由于鎖相環(huán)的作用，使得輸出為頻率較低的波形；最后就形成了輸出波形為頻率不同的疏密波。2）鎖相環(huán)CD4046制作的FSK解調(diào)電路實驗結(jié)果：圖6-3FSK解調(diào)電路電路板原型圖圖6-4FSK解調(diào)電路輸入與輸出波形在電路中，是將2FSK信號分解為上下兩路2ASK信號分別進行解調(diào)，然后進行抽樣判決，直接比較兩路信號抽樣值的大小，接收時比較上下支路的樣值大小，若樣值大，應(yīng)判為“1”，反之判為“0”。這樣就得到了輸出信號的波形。6.2課題的主要研究工作及意義課題主要研究了FSK信號的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的實現(xiàn)，完成對數(shù)字信號的調(diào)制及解調(diào)，使系統(tǒng)簡單，并要調(diào)制解調(diào)過程容易實現(xiàn)，能正確的完成調(diào)制解調(diào)任務(wù)。數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)在現(xiàn)代通信系統(tǒng)有著十分重要的地位，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于基帶數(shù)字信號包含了許多的低頻部分，如果要實現(xiàn)遠距離傳輸，特別是在有限帶寬的高頻信道或無線光纖信道傳輸時，就必須要對數(shù)字信號進行載波調(diào)制，使基帶信號的功率譜可以搬移到較高的載波頻率上，這種技術(shù)就稱為數(shù)字調(diào)制(DigitalModulation)[11]。它可分別對載波的頻率、幅度以及相位進行調(diào)制，從而就有了移頻鍵控（FSK)、移幅鍵控（ASK