2FSK调制解调电路的设计(校内设计)

专业技能实训报告

题目2FSK调制解调电路设计与实现

学院信息科学与工程学院

专业通信工程专业

班级

学生

学号

指导教师

二〇一三年一月十日

目录

1前言................................................................................... (1)

1.1 FSK简介................................................. .......... .. (1)

1.2 课题的主要研究工作及意义................................ ...................... . (1)

2 2FSK的调制解调原理介绍 (2)

2. 1 锁相环原理介绍 (2)

2.2 2FSK的调制原理 (2)

2.3 2FSK的解调原理 (4)

3 2FSK的各电路模块设计 (7)

3.1 2FSK的调制单元 (7)

3.1.1模拟开关电路 (7)

3.1.2振荡电路 (8)

3.2 2FSK的解调单元 (8)

3.2.1 2FSK的两种解调方式介绍 (8)

3.2.2 2FSK解调电路 (9)

4 2FSK总体电路设计与仿真 (11)

4.1 总体电路设计 (11)

4.2 调制解调仿真 (12)

结语 (14)

参考文献 (15)

附录 (16)

1 前言

1.1 FSK简介

数字频率调制又称频移键控(FSK—Frequency Shift Keying)，二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。

1.2 课题的主要研究工作及意义

课题主要研究2FSK信号的调制解调系统的实现，完成对数字信号的调制及解调，使系统简单，并要调制解调过程容易实现，能正确的完成调制解调任务。

数字调制解调技术是现代通信的一个重要的内容,在数字通信系统中,由于基带数字信号包含了丰富的低频部分,如果要远距离传输,特别是在有限带宽的高频信道无线或光纤信道传输时,必须对数字信号进行载波调制,使基带信号的功率谱搬移到较高的载波频率上,这就称为数字调制(Digital Modulation) 。它可以分别对载波的幅度、频率、相位进行调制,于是有ASK(移幅键控) 、FSK(移频键控) 、PSK(移相键控) 等调制方式。数字调制同时也是时分复用的基本技术,其中FSK 是利用数字信号去调制载波的频率,是信息传输较早的一种传输方式,(2FSK) 在通信系统中应用广泛。

2 2FSK的调制解调原理介绍

2.1锁相环技术简介

许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

锁相环是一种自动相位控制系统,它由鉴相器（PD）、环路滤波器(LP)和压控振荡器（VCO）三个部分组成，广泛应用于通信、雷达、导航以及各种测量仪器中。锁相环技术目前的应用集中在以下三个方面：第一信号的调制和解调；第二信号的调频和解调；第三信号频率合成电路。锁相环及其应用电路“通信电子线路”课程教学中的重点内容，但比较抽象，还涉及到新的概念和复杂的数学分析。因此无论是教师授课还是学生理解都比较困难。为此，我们将基于Multisim的锁相环应用仿真。实践证明这些仿真电路可以帮助学生对相关内容的理解，并为进行系统设计工作打下良好的基础。

2.2 2FSK的调制原理介绍

2FSK信号波形图如2.1图所示，它是由调制信号去控制载波信号，用载波的频率来传递数字信息，即用所传递的数字消息控制载波的频率。

图2.1 2FSK信号波形图

FSK信号的产生有两种方法：直接调频法和频移键控法。产生的信号有相位连续和相许不连续两种如图2.2所示

直接调频法是数字基带信号直接奇偶内阁制载波振荡器的振荡频率。虽然方法简单，但频率稳定度不高，同时转移速度不能太高。

频移键控法有两个独立的振荡器。数字基带信号控制开关，选择不同频率的高频振荡信号，从而产生FSK调制。

(c)相位连续(d)相位不连续

图2.2 2FSK信号调制方法

本设计采用键控法产生2FSK信号，即用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，如图2.3：

图2.3 键控法产生2FSK信号原理框图

图2.4 频移键控法产生波形

移频键控是利用载波的频率变化来传递数字信息，而且振幅不变。在2FSK 中，载波的频率随二进制基带信号的频率在f1、f2两个频点之间变化。

故其表达式为：

（2.1）

2FSK 信号可以看成是两个不同载频的振幅键控信号之和，因此它的频带宽度是两倍数字基带信号带宽(B)与12c c f f -之和，即：121222c c s c c f f T f f B BW -+=-+=

此次课程设计采用开关法产生2FSK 信号，则分别由两个独立的频率源产生的信号，故相邻码的相位不一定是连续的，如图2.4。

2.3 2FSK 信号的解调原理

2FSK 信号的解调方法有：非相干解调（包络检波法）、相干解调法，还有鉴频法、过零检测法等。

解调的原理就是将2FSK 信号分解为上下两路分别进行解调，然后进行判别，其原理框图如下图2.5和2.6所示：

图2.5非相干解调原理框图

图2.6相干解调原理框图

锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化,环路锁定后输入参考信号和输出参考信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益被控制在所需数值范围内.这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性.利用此特性可以做载波跟踪型锁相环及调制跟踪型锁相环。为了实现信息的远距离传输，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。所谓的解调就是用携带信息的输出信号来还原载波信号的参数，载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，解调有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压

通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。其原理框图如图2.7。

图2.7 锁相环解调

3 2FSK的各电路模块设计

3.1 2FSK的调制单元

要将NRZ码经过2FSK调制成为2FSK信号，我们采用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立的频率源的真的作为输出。键控法产生的FSK信频率稳定度可以做得很高并且没有过度频率，它的转换速度快，波形好。

3.1.1模拟开关电路

输入的基带信号由转换开关分成两路，一路控制f1=32KH z的载频，另一路经倒相去控制f2=16KHz的载频。当基带信号为“1”时，模拟开关1打开，模拟开关2关闭，此时输出f1=32KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关2开通。此时输出f2=16KHz，于是可在输出端得到FSK已调信号。

图3.1模拟开关电路4066芯片

调制电路利用模拟开关CD4066如图3.1，实现输入基波信号控制模拟开关的通

断，通过模拟开关把不同频率的载波叠加的一起实现调制目的。 3.1.2振荡电路

图3.2 振荡电路

电路中的两路载频由内时钟信号发生器产生，经过开关K901、K902送入。两路载频分别经射随、LC 选频、射随再送至模拟开关，如图3.2。

LC 选频电路函数： 3.2 2FSK 的解调单元

3.2.1 2FSK 的两种解调方式介绍 （1）非相干解调（包络检波）

2FSK 的非相干解调由带通滤波器、包络检波器、低通滤波器构成，包络检波器直接从已调信号中提取基带信号的数字序列。下图3.3为二极管包络检波示意图。

图中C6、R11、R12组成二极管包络检波器，L2、C8、R10构成带通滤波器，C2、R12是低通滤波器

LC

f π21=

图3.3二极管包络检波

（2）相干解调

相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图2.2.2所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，

抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。

3.2.2 2FSK解调电路

2FSK集成电路模拟锁相环解调器性能优越，价格低廉，体积小。

2FSK锁相环解调器中的集成锁相环选用了集成电路内有两个数字式鉴相器、一个压控振荡器（VCO），还有输入放大电路等，环路低通滤波器接在集成电路的外部。

压控振荡器的中心频率设计在32KHz，适当选择环路参数，使它对32KHz锁定，对16KHz失锁，则在解调器输出端得到解调输出的基带信号序列。

下图3.4中R12、R14、V10、V11为压控振荡电路，R10、C6组成低通滤波器

图3.4锁相环解调电路图

4 2FSK总体电路设计与仿真

4.1 总体电路设计

信号由振荡电路产生两种不同频率的信号送入模拟开关2FSK调制电路的整体电路图如下图4.1所示：

图4.1 2FSK调制电路的整体电路图

2FSK解调电路的整体电路图如下图4.2所示：

图4.2锁相环解调电路图4.2 调制解调仿真

图4.3 Multisim仿真结果

图4.3中蓝色波形为已调制2FSK信号

图4.4 Multisim仿真结果图

图中红色波形为解调信号，绿色波形为最终经过低通滤波器的信号波形

实训结语

两个礼拜的课程设计很快就结束了，当我们做完了设计并将自己的成果整理成报告的时候，也有不少感受。

首先，无庸置疑，这两个礼拜里我们学到了很多东西。尽管设计中用到的知识和相关软件是以前也开过专门的课。但一直缺少理论指导实际的机会。真正当我们拿到设计课题开始设计，或者在设计中遇到了一些问题的时候，才能发现当时学习的薄弱环节所在。或者说我们才真正了解到我们最需要补充的知识是什么。而这种时候恰恰是我们最能学到东西的时候。因为这个时候是主动的学习，而不是平时上课是很被动的跟着老师的思维走。学习自己急切需要的知识总是效率比较高的。同时，这个过程也会使我们体验到成功的乐趣。哪怕是很小的问题，通过自己的思考解决之后，也会有一定成就感。在设计过程中，我对以前学过的相关课程的教材甚至比上课的时候还要熟悉。正是有了这种求知欲的支配，才保证了我们能在规定时间内完成设计所要求的内容。而且课程设计是个眼，手，脑全面动作的过程，在其中得到的很多东西是课堂上不会有的。

另外，设计的过程也是一个合作与分享的过程。同样的设计要求，不同的人有不同的思路，可能也就会产生不同的结果。记得萧伯纳曾经说过：如果你有一个苹果，我也有一个苹果，交换后我们还是各有一个苹果；但如果你有一种思想，我有一种思想，那么交换后，我们将都拥有两种不同的思想。这段话充分说明了分享对于理论研究的重要意义。还有一些比较难的一个人不容易解决的问题，通过大家的努力也会迎刃而解。从而可以节省个人时间，提高了整个队伍的工作效率。因为每个人都有自己擅长的部分，很好地发挥各人的特点，会使工作变的轻松而有趣。而在现代公司的招聘细则里，常常会写着对于团队意识方面的要求。而课程设计也是我们毕业前很好的培养和锻炼这种意识的机会。

最后，要感谢两个礼拜以来一直特别细心和耐心指导我们的老师：您辛苦了！正是您的指导，使我们的思路豁然开朗，使得我们少走了不少弯路，极大地提高了工作效率。我想，通过两个礼拜的课程设计，我不仅完成了设计内容，更重要的是学到了很多课堂上得不到的东西。这里也感谢学校提供给我们这样的机会。

参考文献

[1] 刘泉. 通信电子线路[M]. 武汉理工大学出版社

[2] 谢自美.电子线路设计、实验、测试[M]. 华中理工大学出版社

[3] 康光华. 电子技术基础.数字部分[M]. 高等教育出版社

[4] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].国防工业出版社，2008

[5] 韦思健.电脑辅助电路设计－multisim[M].中国铁道出版社.1995

[6] 曾兴雯等.扩展频谱通信及其多址技术[M].西安电子科技大学出版社2004.5

[7] 廖惜春.高频电子线路[M].华南理工大学出版社

[8] 于洪珍.通信电子电路[M]. 北京清华大学出版社, 2005.

[9] 钱聪, 陈英梅.通信电子线路[M].北京人民邮电出版社,2004.

[10]余群.MultiSim进行电子电路设计的教学研究[M]. 成都实验科学与技术

[11]程佩青. 数字信号处理教程[M].清华大学出版社.2008.5

[12]曹志刚. 现代通信原理[M].清华大学出版社.2006.10

[13]刘树棠. 信号与系统[M].西安交通大学出版社.2005.4

[14]Schwartz M,Bennett W R,Stein https://www.360docs.net/doc/f310390885.html,munication Systems and Techniques.New York;McGraw-Hill book CO.,1996.

[15]lindesy W C,Simon M K.Telecommunication Systems Engineering.Englewood Cliffs,N J:Prentice-Hall,Inc.,1973.

附件1：元器件清单：