2FSK调制解调电路的设计

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实践教学

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兰州理工大学

计算机与通信学院

2011年秋季学期

高频电子线路课程设计

题目：2FSK调制解调电路的设计

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摘要

在现代数字通信系统中，频带传输系统的应用最为突出。用基带数字信号控制高频载波,把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制，已调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器把频带数字信号还原成基带数字信号，这种数字信号的反变换称为数字解调，把包含调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输系统。

以数字信号作为调制信号的调制技术。一般采用正弦波作为载波，这种数字调制又称为载波键控。用电键进行控制，这是借用了电报传输中的术语。载波键控是以数字信号作为电码，用它对正弦载波进行控制，使载波的某个参数随电码变化。

根据正弦波受控参数的不同，载波键控可以分为三大类:移幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)。它们分别是正弦波的幅度、频率、相位随着数字信号而变化，图为三种键控相应的波形和功率谱密度。

FSK信号的产生可利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。这正是频率键控通信方式早期采用的实现方法，也是利用模拟调频法实现数字调频的方法。2FSK信号的另一产生方法便是采用键控发法，即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择。

2FSK它是利用载频频率变化来传输数字信息。数字载频信号又可分为相位离散和相位连续两种情形。若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间的相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号；若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，是对其中一个载频进行分频，这样产生的两个载波就是相位连续的数字调频信号。

本实验电路利用移频键控法，由振荡器产生不同的载频频率作为两个不同频率的载频信号，即为相位不同的数字调频信号，由基带信号对不同频率的载波信号进行选择。通过Multisim对分析过程进行仿真，清楚的展现2FSK数字频带传输系统的结构组成和传输特性。关键词: 2FSK 调制解调仿真

目录

前言 (3)

一、课程设计内容 (4)

二、基本原理 (5)

2.1 2FSK调制的原理 (5)

2.2 2FSK解调原理 (7)

三、技术简介 (12)

3.1 锁相环技术简介 (12)

3.2 Multisim技术简介 (12)

四、单元电路设计 (15)

4.1 2FSK调制电路单元 (15)

4.2 2FSK解调电路单元 (16)

五、整体电路图设计与仿真 (17)

5.1 2FSK调制的总体电路图 (17)

5.2 2FSK解调的总体电路图 (18)

六、总结 (20)

参考文献 (22)

附件各元件引脚图 (23)

前言

在实际通信系统中，大部分信道不能直接传输基带信号，必须用基带信号对载波波形的参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即以正弦波作为载波的数字调制系统。和模拟调制一样，数字调制也有调幅、调频和调相三种基本形式。调频信号即2FSK 信号是数字通信系统使用较早的一种通信方式，由于这种通信方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。

2FSK信号的产生可利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。这正是频率键控通信方式早期采用的实现方法，也是利用模拟调频法实现数字调频的方法。2FSK信号的另一产生方法便是采用键控发法，即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择。

2FSK它是利用载频频率变化来传输数字信息。数字载频信号又可分为相位离散和相位连续两种情形。若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间的相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号；若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，是对其中一个载频进行分频，这样产生的两个载波就是相位连续的数字调频信号。

本实验电路利用移频键控法，由振荡器产生不同的载频频率作为两个不同频率的载频信号，即为相位不同的数字调频信号，由基带信号对不同频率的载波信号进行选择。

一、课程设计内容

1.1 目的及意义

通过课程设计，使学生加强对高频电子技术电路的理解，学会查寻资料﹑方案比较，以及设计计算等环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手﹑独立开展电路实验的机会，锻炼分析﹑解决高频电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。

1.2 设计任务及主要技术指标和要求

（1）根据2FSK特点，信源输入以及对应的频率自己确定；

（2）了解2FSK信号调制解调的原理；

（3）解调器用PLL；

1.3 内容和要求

要求掌握单元电路：正弦震荡器，调制、解调器，VCO。

掌握调制、解调的基本原理。通过实际方案的分析比较，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。

二、基本原理

2.1 2FSK调制的原理

频移键控(FSK)就是利用载波信号的频率变化来传递数字信息。在二进制频移键控（2FSK）中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点之间变化。当传送“1”码时对应于载波频率f1，传送“0”码时对应于载波频率f2，故其表达式为：

A

其中，，为频率为的载波的初始相位，为频率为的载波的初始相位。

令为的反码，即

则有:当时，;当时，。

则2FSK信号可表示为:

其中，我们在分析中假设为单个矩形脉冲序列，其表达式为:

由上式可知，相位不连续的2FSK信号可以看成是两个2ASK调幅信号之和,如图:

图2.1 2FSK信号的时间波形

2FSK信号的产生有两种方法：直接调频法和频移键控法。

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而达到改变振荡频率的目的,原理图如图所示:

图2.2 直接调频原理图

直接调频法虽然方法简单，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2FSK调制。

本实验采用键控法产生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：

图2.3 键控法产生2FSK信号原理框图

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f0、f1两个频点之间变化。

实验采用开关法产生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，如图所示

图2.4 频键控法产生波形

2.2 2FSK解调原理

数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。

1. 包络检波法

包络检波法可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同,分别为（、）起分路作用，用以分开两路2ASK信

号，上支路对应，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络s(t)及；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判

决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路s(t)及的抽样值分别用

表示，则抽样判决器的判决准则为

图2.5 2FSK信号包络检波方框图

2. 相干检测法

相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图5-10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。

图2.6 2FSK同步检测方框图

3. 过零检测法

单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思

想。过零检测法方框图及各点波形如图4所示。2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率－幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。

图2.7 过零检测法方框图及各点波形图

4. 差分检测法

差分检波法基于输入信号与其延迟τ的信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。

5.锁相环

锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如下图所示。

图2.8 鉴相器电路

鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：

式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压u D为：

用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压u C（t）。即u C（t）为：

式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi（t）和θO（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：

即

则，瞬时相位差θd为

对两边求微分，可得频差的关系式为

上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，u c（t）为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，u c（t）随时间而变。

压控振荡器的压控特性如图9所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心，随输入信号电压u c（t）的变化而变化。该特性的表达式为

图2.9 压控振荡器的压控特性

上式说明当u c（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变，锁相环进

入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持ω0=ωi

的状态不变。

实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。

三、技术简介

3.1 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。

3.2 Multisim技术简介

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于初级的模拟/数字电路板的设计工作，包括电路原理图图形及电路硬件描述语言的输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

主要内容为基于Multisim的模拟乘法器应用设计与仿真。阐述了双边带调幅及普通调幅、同步检波、混频、乘积型鉴相电路的原理，并在电路设计与仿真平台Multisim11仿真环境中创建集成模拟乘法器MC1496电路模块，利用模拟乘法器MC1496完成各项电路的设计与

仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

NI Multisim软件结合了直观的捕获和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim,可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器仿真电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SingnalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等 18 种电路分析方法，基本上能满足一般电子电路的分析设计的要求；提供了多种输入输出接口，Multisim2001 可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过Windows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。

Multisim10的特点:

Multisim10 把所有的元件分成13类库，再加上放置分层模块、总线、登录网站共同组成元件工具栏。

Multisim10提供了18种仪表，仪表工具栏通常位于电路窗口的右边，也可以用鼠标将其拖至菜单的下方，呈水平状。

(1)Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可以很方便地在工程设计中使用。

(2)Multisim10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。

(3) Multisim10 具有较详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等，以帮助设计人员分析电路的性能。

(4) Multisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的过程中还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据。

Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。 Multisim10是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，该软件为电子工程师提供了一个电路设计与仿真平台，不仅与国际著名的模拟电路仿真软件spice兼容，而且具有较强的 VHDL和Verilog设计与仿真功能。它具有界面形象、直观易懂、采用图形方式创建电路的特点；它丰富的元件库中提供了超过16000个组件，全部采用世纪模型，确保了仿真结果的真实性和实用性；它采用开放式的库管理模式，能自动地生成模拟和数字组件模型，这对新器件的补充十分有利。multisim10的虚拟测试仪器种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流、交流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测试仪、频谱分析仪和网络分析仪等。

Multisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。

Multisim（电子工作平台）软件，是一种在电子技术界广为应用的优秀计算机仿真设计软件，被誉为"计算机里的电子实验室"。其特点是图形界面操作，易学、易用，快捷、方便，真实、准确，使用Multisim可实现大部分硬件电路实验的功能。最突出的特点是用户界面友好，各类器件和集成芯片丰富，尤其是其直观的虚拟仪表是Multisim软件的一大特色。它采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。

四、单元电路设计

4.1 2FSK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信号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。

(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=32KHz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4.1 4066模拟开关电路

(2). 射随、选频电路

C15.1nF

C1147μF

R1

33kΩR222kΩ

R3620Ω

R5620Ω

R622kΩ

Q1

2N2219A Q22N2219A

L16.8mH

R8

22kΩ

R451.5Ω

图4.2 射随、选频电路

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。

LC 选频电路函数：

4.2 2FSK 解调电路单元

2FSK 信号的解调是处于载波跟踪状态中。在载波跟踪状态中，环路只跟踪载波变化，输出一个未调制的载波。而2FSK 信号是由两个载频f1、f2分别对0、1序列进行调制，其中心频率为f0。所以，解调时，只需对载波f0进行锁定，且两个频差均在捕获范围内，则可以顺利得出解调信号。

锁相环是实现相位同步的自动控制系统，为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法。锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。鉴相器用来鉴别输入信号Ui 与输出信号Uo 之间的相位差 ，并输出误差电压Ud 。Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VCO ）的控制电压Uc 。Uc 作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo 拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁定 ，称为入锁。维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。

d (t )经

LF 滤波，取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量u C (t )作为控制电压。显然，u C (t )也

将随着相位差的变动作相应变化。u C (t )加到VCO 上，从而控制VCO 的振荡频率，使ωo 不断改变，u i (t )和u o (t )的相位差不断减小，直至锁相环路进入“锁定”状态。

LC

f π21=

五、整体电路图设计与仿真

5.1 2FSK调制的总体电路图

(1) 2FSK的Multisim的调制电路图

图5.1 2FSK的Multisim的调制总体电路图 (2) 2FSK的Multisim的调制仿真图

图5.2 2FSK的Multisim的调制总体仿真图5.2 2FSK解调的总体电路图

(1)2FSK的Multisim的解调电路

图5.3 2FSK的Multisim的解调仿真电路(2)2FSK解调电路的仿真

图5.4 2FSK的Multisim解调电路的仿真