FSK綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)剖析

FSK綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)剖析第1頁/共28頁

一、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過2FSK通信系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)2FSK調(diào)制器與解調(diào)器的通信技術(shù)電路理解，學(xué)會(huì)查尋資料、方案比較，以及設(shè)計(jì)計(jì)算環(huán)節(jié)。學(xué)會(huì)對(duì)所學(xué)基本理論知識(shí)的綜合運(yùn)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(shí)際問題的能力，創(chuàng)造一個(gè)動(dòng)腦動(dòng)手、獨(dú)立開展電路實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，鍛煉分析、解決通信技術(shù)電路問題的本領(lǐng)，真正實(shí)現(xiàn)由課本知識(shí)向?qū)嶋H動(dòng)手能力的轉(zhuǎn)化；通過典型電路的設(shè)計(jì)與制作，初步體驗(yàn)從事通信產(chǎn)品研發(fā)的過程；增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際能力。第2頁/共28頁二、綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容與技術(shù)指標(biāo)1.設(shè)計(jì)內(nèi)容：

根據(jù)2FSK調(diào)制器與解調(diào)器的組成原理，設(shè)計(jì)出整個(gè)2FSK傳輸系統(tǒng)的實(shí)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(hào)時(shí)鐘頻率fs=400（或1000）bit/s；

③數(shù)字基帶信號(hào)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(shí)現(xiàn)。第3頁/共28頁三、綜合設(shè)計(jì)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(hào)。在時(shí)域，觀察單元電路各點(diǎn)的波形；在頻域，觀察已調(diào)信號(hào)、調(diào)制信號(hào)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(jì)各單元電路電原理圖；查閱器件手冊(cè)，提出使用器材；④根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。3.設(shè)計(jì)要求：第4頁/共28頁

在實(shí)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(hào)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(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，完成頻譜搬移，變換成頻帶信號(hào)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(shí)使用FSK方式。在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它也被廣泛采用。

FSK通信系統(tǒng)通常由2個(gè)不同頻率的載波來代表數(shù)字信號(hào)的2種電平，通過頻移調(diào)制，輸出FSK信號(hào)；解調(diào)時(shí)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(hào)。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(hào)在f1和f2兩個(gè)載頻間切換，則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)（2FSK信號(hào)）。二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的產(chǎn)生方法如圖所示。圖（a）是采用數(shù)字鍵控的工程實(shí)現(xiàn)方法，圖（b）是調(diào)制器輸出的2FSK信號(hào)的時(shí)間波形。（1）二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)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(gè)載頻受輸入的二進(jìn)制基帶信號(hào)控制，在一個(gè)碼元TS期間，輸出f1或f2兩載頻之一。若二進(jìn)制基帶信號(hào)的“1”對(duì)應(yīng)于載頻f1，“0”對(duì)應(yīng)于載頻f2，則二進(jìn)制移頻鍵控制信號(hào)的時(shí)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(hào)的功率譜可以近似表示成兩個(gè)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(gè)載頻f1和f2處，連續(xù)譜由兩個(gè)中心位于f1和f2處的雙邊譜疊加形成；

2、若兩個(gè)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(hào)功率譜第一個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔作為2FSK信號(hào)的帶寬，則2FSK信號(hào)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(jì)方案（1）2FSK調(diào)制設(shè)計(jì)方案

設(shè)信息源發(fā)出的是由二進(jìn)制符號(hào)0，1組成的序列，且假定0符號(hào)出現(xiàn)的概率為p，1出現(xiàn)的概率為1-p，它們彼此獨(dú)立，那么，2FSK信號(hào)便是0符號(hào)對(duì)應(yīng)于載頻ω1，而1對(duì)應(yīng)于載頻ω2（與ω1不同的另一個(gè)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(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2個(gè)不同頻率的碼元。

2FSK產(chǎn)生的另一個(gè)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(duì)2個(gè)不同的頻率源進(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。頻移鍵控法產(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。本次2FSK調(diào)制器部分要求采用此方法設(shè)計(jì)。第9頁/共28頁

由以上的分析可知，在設(shè)計(jì)移頻鍵控系統(tǒng)時(shí)，為了獲得最佳分路特性，通常選用的兩個(gè)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(shí)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(jì)方案本次實(shí)驗(yàn)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(hào)的解調(diào)方案

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)。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f2會(huì)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(gè)解調(diào)過程的時(shí)間波形如圖所示。

五、2FSK調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)方案第11頁/共28頁五、2FSK調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)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(jì)說明:（1）2FSK調(diào)制器電路方案介紹:

設(shè)計(jì)移頻鍵控系統(tǒng)時(shí)，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(bào)電話咨詢委員會(huì)（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(shí)驗(yàn)的碼元速率選在800Hz左右，這樣f1、f2和fs三個(gè)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(shí)信號(hào)，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(gè)與非門之間加入了一個(gè)R(R1)C(C1)延時(shí)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(shí)，C的充放電使“A”點(diǎn)電壓發(fā)生變化。每當(dāng)”A”點(diǎn)到達(dá)閾值電壓VT=1.4V時(shí)，電路就會(huì)翻轉(zhuǎn)，電路不停的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，就會(huì)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(jì)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(jì)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(shí)鐘信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)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(jì)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(diǎn)是：（a）隨機(jī)特性；（b）預(yù)先可確定性；（c）可重復(fù)實(shí)現(xiàn)。本次綜合設(shè)計(jì)要求用D觸發(fā)器構(gòu)成四級(jí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中4級(jí)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(jí)D觸發(fā)器和異或門組成的4級(jí)反饋移位寄存器。本電路是利用帶有兩個(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(jí)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(jì)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(hào)的解調(diào)方案（非相干）

數(shù)字頻率鍵控（FSK）信號(hào)常用解調(diào)方法有很多種，在設(shè)計(jì)中利用過零檢測法。過零檢測法是利用信號(hào)波形在單位時(shí)間內(nèi)與零電平軸交叉的次數(shù)來測定信號(hào)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(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)?？梢?，整個(gè)系統(tǒng)有七個(gè)單元電路組成。六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計(jì)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(hào)的解調(diào)若用非相干過零檢測法，由圖可見，必須有七個(gè)單元模塊來完成?？紤]到2FSK信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào)集于同一仿真電路中，已調(diào)信號(hào)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(hào)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(jì)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(hào)觸發(fā)時(shí)，輸入信號(hào)的下降沿使電路狀態(tài)發(fā)生改變:Q=1，=0。這時(shí)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(shí)，觸發(fā)器清零，電路又回到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，二極管導(dǎo)通，電容C經(jīng)二極管正向電阻rD

反向充電，因?yàn)榉聪虺潆姷臅r(shí)常數(shù)τ充=rDC較小，因而觸發(fā)器清零端的電壓會(huì)很快上升至高電位上，保證Q端維持低電平。顯然，輸入信號(hào)的下降沿作用后，清零端電平下降到1.4V左右的時(shí)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?yàn)樾纬擅}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(jì)說明:①

限幅、微分、整流、展寬電路組成與工作原理

（3）2FSK信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(jì)說明:

（3）2FSK信號(hào)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(jì)說明:

電壓比較器是集成運(yùn)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(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。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(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。

在本實(shí)驗(yàn)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(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。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(hào)電壓Vi≥Vb輸出為1當(dāng)輸入信號(hào)電壓Vi≤Vb輸出為0

（3）2FSK信號(hào)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(jì)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(hào)，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(duì)判決信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)是由碼元定時(shí)電路恢復(fù)的與發(fā)送端同頻同相的位同步信號(hào)。

（3）2FSK信號(hào)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(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)。第22頁/共28頁限幅器

限幅放大器是為了把輸入信號(hào)變換成方波以獲取過零點(diǎn)的信息，這里采用通用的電壓比較器LM311實(shí)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(jì)說明:第23頁/共28頁六、2FSK調(diào)制與解調(diào)單元電路設(shè)計(jì)說明:(4)用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)2FS信號(hào)解調(diào)

二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)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(jià)格低廉，體積小，電路組成原理框圖如圖所示；

只要在設(shè)計(jì)鎖相環(huán)時(shí)，使它鎖定在FSK的一個(gè)載頻f1上，對(duì)應(yīng)輸出高電平，而對(duì)另一載頻f2失鎖，對(duì)應(yīng)輸出低電平，那么在鎖相環(huán)路濾波器輸出端就