基于PLL芯片的FSK调制解调模块电路设计毕业设计

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摘要

作为信道编码器的FSK调制解调器在现代通信系统中有着重要的地位，而基于PLL 进行FSK信号的调制解调又有着非常多的优点，所以在实际应用中有着很大意义。本文介绍了一种基于锁相环的频移键控FSK信号调制解调电路的设计。在信号的收发两端均采用锁相环芯片CD4046。发送端采用锁相环芯片实现了基带信号的FSK调制，接收端采用CD4046芯片进行解调，并采用了低通滤波电路和电压比较器电路恢复出其基带信号。在本文中同时还介绍了设计和调试的具体过程，思路，选用器件的原因以及所用器件的工作原理和在本次设计过程中实际的应用效果，在本文最后也给出了本次设计的最终调试结果。基带信号通过以CD4046为核心的调制电路后成功的对基带信号进行了调制。同时，调制信号通过同样以CD4046为核心的带有有源低通滤波电路和电压比较电路的解调模块后被成功的解调出来。该电路具有结构简单，工作可靠，误码率低，成本低廉，易于实现等优点。通过对该电路的设计，可以加深对数字频移键控的的调制

与解调的理解，同时还可以更加深入的学习了锁相环的原理和锁相环的应用。关键词：PLL；FSK ；锁相环；频移键控；调制解调

ABSTRACT

FSK modems,a channel of the encoder, has an important position in modern communication system ，and FSK demodulation based on the signal for PLL have many great advantages, so it has a great practical significance.This paper describes a method of FSK modem.Adopting the cheap phase-locked loop chip CD4046 at both the sending end and the receiving end.The low pass filtercircuit and the voltage comperator circuit are used to recover their baseband signal.This paper also introduces the specific process, ideas of the design and commissioning, the reason of the choosed device,the work principle and actual application effect of the devices used in the design process .At the last of the paper, final test results is also given .Baseband signal go through the modulation circuit whose core is CD4046, we can achieve the success of baseband signals modulation.At the same time, modulation signal go through the module demodulation part with a low pass filter circuit and the voltage comparison circuit ,it can be demodulated out successfully.This kind of circuit has the advantage of simple structure,cheap cost,being reliable work,low bit error rate and to be easy realizated.By designing the circuit,the better understanding of the digital frequency shift keying modulation and demodulation of the understanding of the way;more indepth study of the principle of phase-locked loop and phase-locked loop applications.

Key words：PLL; FSK; phase-locked loop; frequency-shift keying; modem

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

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学位论文原创性声明

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

目录

第一章绪论 (1)

1.1 锁相环及频移键控产生与设计背景 (1)

1.2 设计目的与意义 (1)

第二章锁相环工作原理及FSK调制解调原理 (3)

2.1 关于锁相环 (3)

2.1.1 锁相环的工作原理 (3)

2.1.2 锁定状态下锁相环的数学模型 (5)

2.1.3 未锁定状态下的锁相环性能 (6)

2.2 频移键控FSK (7)

第三章基于PLL芯片的FSK调制与解调模块的设计原理 (11)

3.1 基于PLL芯片的FSK调制模块设计 (11)

3.1.1 基于PLL芯片的FSK调制模块原理 (11)

3.2 基于PLL芯片的FSK解调模块设计 (12)

3.2.1 基于PLL芯片的FSK解调模块原理 (12)

第四章器件选用及电路原理 (14)

4.1 CD4046在本次设计中的应用 (14)

4.1.1 VCO模块 (15)

4.1.2 鉴相器模块 (16)

4.2 电压比较器模块 (18)

4.3 低通滤波器模块 (19)

4.4 LM324在本次设计中的应用 (21)

第五章基于PLL芯片的FSK信号调制解调模块的实现 (23)

5.1 电路设计 (23)

5.1.1 调制模块 (23)

5.1.2 解调模块 (23)

5.1.3 电压比较器模块 (24)

5.2 具体数据及实现 (24)

5.3 实际调试过程 (30)

第六章实现过程中的问题及展望 (1)

6.1 关于锁定范围的问题 (1)

6.1.1 出现的问题 (1)

6.1.2 解决办法 (1)

6.2 关于基带信号频率的问题 (1)

6.3 其他问题 (2)

结束语 ............................................................................................ 错误!未定义书签。参考文献 ........................................................................................ 错误!未定义书签。附录1 ...................................................................................... 错误!未定义书签。外文资料 ........................................................................................ 错误!未定义书签。中文翻译 ........................................................................................ 错误!未定义书签。谢辞 ........................................................................................ 错误!未定义书签。

第一章绪论

本次毕业设计设计的是一个基于锁相环芯片的2FSK信号的数字调制解调电路，功能是实现输入一个数字信号，经过一个由锁相环芯片构成的调制系统，输出一个2FSK 信号，该信号再通过一个由锁相环芯片构成的解调系统，输出原数字信号。本章将介绍本次设计的设计背景和设计目的及意义。

1.1 锁相环及频移键控产生与设计背景

锁相环是线性电路。1965年锁相环成为集成电路。第一个锁相环是通过分立元件构成的。其中第一个锁相环是基于半导体技术的线性器件。它采用一个模拟乘法器作为鉴相器，用有源或者无源RC滤波器作为环路滤波器，由压控振荡器产生输出信号。1970年，出现了第一个可以使用的数字锁相环。但是只有其中的鉴相器是逻辑电路，用一个异或门网络或者一个JK触发器作为鉴频器。其他如压控振荡器，环路滤波器还是模拟电路。几年之后出现了全数字的锁相环，其中所有的模块均由数字功能模块组成，其中不再包含任何无源元件。

PLL集成环路在频率合成，调制解调，电视机彩色副载波提取，遥控系统，FM解码等很多方面都有应用。

为了有效的利用频带资源，所以在无线信道和光信息中需要把数字基带信号的频谱调制到一个合适的频段之后送入相应的信道中再进行传输。和模拟信号对正弦波的调制一样，数字信号对正弦波的3个参数振幅，频率，相位，进行调制被称为数字调制。与基带传输系统相对应的，数字调制系统被称为频带传输系统。数字调制以后的调制波是M进制已编码的数字基带脉冲序列。用数字信号的离散值作为电键来控制载波的振幅或者频率和相位是其调制过程。其中，控制载波的频率即为频移键控FSK。

1.2 设计目的与意义

本次设计的目的是：掌握电子系统的一般设计方法，深入理解基本电路结构，为进一步理解现代电路设计打下基础，进一步理解2FSK信号调制解调原理，进行实物制作与调试，分析实际与理论的差异。深入理解基本电路结构，为进一步理解现代电路设计打下基础。

作为信道编码器的FSK调制解调器在现代通信系统中有着重要的地位。例如，计

算机通过电话线进行远程通信时，通常都是借助于FSK调制解调器，把电脑上的数据调制到音频上，再通过电话线进行传送。无线数字通信系统中，通常也是采用FSK调制解调器进行数字信号基带调制。所以，在现代通信中，FSK调制解调器是大多数数字通信系统中最重要最不可或缺的组成部分。能够实现FSK调制解调的方式有很多，其中我们可以通过用通用集成锁相环进行FSK调制解调器的设计。它有如下优点：可以利用较少的电路元件实现FSK的调制解调，成本很低。工作原理简单，易于实现，由于CMOS集成锁相环的优越性能，使得整体电路的体积减小，调试与维护容易。

第二章锁相环工作原理及FSK调制解调原理

锁相环(Phase-Locked Loops,即PLL)电路使一个特殊系统跟踪另外一个系统。进一步来说，锁相环是一个使由振荡器产生的输出信号与参考信号或输入信号在相位和频率上同步的电路。锁相环分为线性锁相环(LPLL)、数字锁相环(DPLL)、全数字锁相环(ADPLL)。

FSK(Frequency-shift keying)，即频移键控。用二进制数字序列中的“1”或“0”控制输出不同频率载波得到的信号，称为二进制频移键控2FSK信号。是数字信号通信领域广泛应用的技术之一。在中速调制解调器中广泛应用二进制FSK。

在这一章中将介绍一些有关于锁相环及频移键控的基本工作原理。

2.1 关于锁相环

2.1.1 锁相环的工作原理

锁相环的工作原理可以用一个线性锁相环为例进行说明。锁相环包含三个模块：压控振荡器，即VCO；鉴相器，即PD；环路滤波器，即LF。如图2-1所示。在有些锁相环中还包括分频器。鉴相器把周期性的输入信号的相位与压控振荡器输出信号的相位进行比较，鉴相器的输出信号是这两个输入信号之间相位误差的度量，获得的输出信号

U d包含直流分量和叠加的交流分量，大多)(t

U d近似正比于相位误差eθ。该输出信号)(t

数情况下，我们不希望存在交流分量所以我们要用低通滤波器滤除交流分量，该输出信号由环路滤波器进行滤波，滤除叠加的交流分量。而环路滤波器的输出被用作控制电压送入压控振荡器VCO。控制电压改变VCO的频率，减小与输入信号之间的相位差。经过一定建立时间以后，VCO振荡频率会和输入信号频率完全相同。最终的相位误差将减小到0或者一个固定值。

鉴相器的输出信号与两个输入信号的相位差成比例。在混合信号系统中主要使用三种鉴相器异或门、边沿触发的JK触发器、鉴频鉴相器的电路，即PFD。

鉴相器的输出信号)

U d包含很多分量，环路处于锁定状态时，这些分量中有一项

(t

为直流分量且近似与相位误差eθ成比例，剩下的分量都是交流分量。因为这些更高频率的分量均为不需要的信号，所以他们要被环路滤波器滤除。由于环路滤波器必须让低频通过而抑制高频分量，所以，环路滤波器必须是一个低通滤波器。最常用的一阶滤波器有：无源超前滞后滤波器，有源超前滞后滤波器，有源比例积分滤波器。

压控振荡器输出信号的弧度频率2ω正比于控制信号f U ，可以表示为

f U K *+=002ωω （2-1）

0K 称为VCO 增益；单位是rad/s·

V 。0ω是锁相环的中心频率。 图2-2为VCO 的理想特性曲线图（2ω和f U ）。假设控制信号的范围关于点0=f U 对称。对于这个理想的VCO ，在min f U U f =时输出频率为0，在max f U U f =时输出频率等于

02ω。但是实际的VCO 特性并不是这样，大多数VCO 都是采用单极性电源供电。假设电源电压为dd U ，那么f U 的取值范围必须介于0和dd U 之间。实际的VCO 工作在中心频率时，控制信号等于电源电压的一半，即2/dd U 。为了保持数学上的一致性，对于单电源供电，式（2-1）应该改写为

)2

(dd f 002U U K -+=ωω （2-2）

图2-1 PLL 模块图

图2-2 VCO 特性

2.1.2 锁定状态下锁相环的数学模型

如果假设锁相环已经锁定，并且在以后一段时间内一直处于锁定状态，我们就可以给系统建立线性数学模型。其相位传输函数)s (H 可以表示为输入信号相位1θ和输出信号相位2θ'之间的关系

)(/)()(12s s s H ΘΘ'= （2-3）

其中，)(1s Θ是)(1t θ的拉普拉斯变换，)(2s Θ'是)(2t θ'的拉普拉斯变换。

在锁定状态下鉴相器的输出信号d U ，可以被表示成

e d d K U θ*≈ （2-4）

所以鉴相器的数学模型是一个增益为d K 的简单的零阶模块。鉴相器的传输函数

d e d K s s U =Θ)(/)( （2-5）

VCO 的角频率可以被表示为

)()(002t U K t f *+=ωω （2-6）

可以利用对频率变化2ω?积分得到相位2θ

??=?=dt t U K dt t t f )()()(022ωθ （2-7）

因此，VCO 的传输函数

)(/)(/f 20s U s s K Θ= （2-8）

对与相位信号来说VCO 可以简单地视为一个积分器，那么我们可以得出锁定状态的数学模型如图2-3所示。

图2-3 锁定状态锁相环的数学模型

2.1.3 未锁定状态下的锁相环性能

线性锁相环的线性模型只在锁相环处于锁定状态时有效。如果锁相环失锁，它的数学模型会变得非常复杂，表现为非线性。

想要使锁相环系统保持相位跟踪，必须满足以下三个条件：

（1）参考信号的角频率必须在同步范围内。

（2）锁相环参考输入端施加的频率阶跃的最大值必须小于拉出范围。

（3）参考信号的频率变化速率必须小于2n ω。

无论什么时候，只要不满足上述三个条件之一，锁相环就会失锁。

在锁相环中有四个关键的参数可以规范锁相环工作的频率范围：

（1）同步范围。这是锁相环能够静态的保持相位跟踪的频率范围。只有在这个范围内，锁相环才能有条件的保持稳定。

（2）拉出范围。这是锁相环稳定工作的动态界限。如果在这个范围内跟踪丢失，一般情况下锁相环还能再次锁定，但如果是捕捉过程，这个过程会比较慢。

（3）捕捉范围。在此范围内锁相环总能回到锁定状态，但过程会更加缓慢。

（4）锁定范围。在这个范围内，锁相环可以在参考频率和输出频率之间的一个单排音内锁定。通常情况下，锁相环的工作频率范围限制在锁定范围。

除此之外，还定义了一些锁相环达到锁定所需的时间的相关参数：

（1）锁定时间。这是捕获过程为一个锁定过程是锁相环达到锁定需要的时间。

（2）捕捉时间。这是当捕获过程为一个捕捉过程是锁相环达到锁定需要的时间。

2.2 频移键控FSK

FSK （频移键控）是常用于调制解调器的一种调制方法FSK 信号可以在基带传输，也可以用于调制载波。已调信号的时域表达式为

∑∑∞-∞=∞-∞=-+-=

n n n n FSK t nT t g a t nT t g a t e 212cos )(cos )()(ωω （2-9） 式中，)(t g 为单极性不归0的矩形脉冲信号，n a 为n a 的反码，若只考虑在一个码元的持续时间内，则

???=”“”“2,cos 1,cos )(212t A t A t e FSK ωω （2-10）

输入序列为100101时，已调2FSK 的输出波形如图所示，图2-4中1f 代表1，2f 代表0。

图2-4 2FSK 输出波形

对于矩形脉冲序列频移键控调制器可以采用模拟信号调频电路实现，也可以采用键控法，即用输入二进制序列去控制两个独立的载波发生器，序列中的1码控制输出载波频率1f ,0码控制输出载波频率2f .两种调制器的框图分别如图2-5，图2-6所示。

图2-5 模拟信号调制信号

图2-6 键控法

频移键控信号的解调也可以采用相干解调或非相干解调，原理与二进制序列幅移键控信号的解调相同，如图2-7及图2-8所示。

图2-7 2FSK信号相干解调原理框图

图2-8 2FSK 信号非相干解调原理框图

图2-9为非相干解调原理框图的各点波形。图2-7中的抽样判决电路是一个比较器，对上下两支路低通滤波器送出的信号电平进行比较，如果上支路输出的信号大于下支路，则判为1码。

图2-9 非相干解调原理框图对应的各点波形

解调2FSK 信号还可以用鉴频法、过零检测法及差分检波法等。其中过零检测法的基本思想是，利用不同频率的正弦波在一个码元间隔内过零点数目的不同，来检测已调波中频率的变化。其原理框图几个点波形如图2-10所示。 输出 )('t S

)(2t v

)(t y i

带通滤波器1ω

包络检波器 带通滤波器2ω 包络检波器 抽样判决器 )(1t y

)(2t y

)(1t v 抽样脉冲 输入

图2-10 2FSK信号过零检测原理框图及波形

图2-10中限幅器将接收序列整形为矩形脉冲，送入微分和整流，得到尖脉冲（尖脉冲的个数代表了过零点数），在一个码元间隔内尖脉冲数目的多少直接反映载波频率的高低，所以只要将其展宽为具有相同宽度的矩形脉冲，经低通滤波器滤除高次谐波之后，两种不同的频率就转换成了两种不同幅度的信号，送入抽样判决器即可恢复原序列信息。

第三章 基于PLL 芯片的FSK 调制与解调模块的设计原理

将在本章中主要讨论有关FSK 调制解调的一些设计思路，工作原理，常用实现办法以及它们之间的优缺点。

3.1 基于PLL 芯片的FSK 调制模块设计

3.1.1 基于PLL 芯片的FSK 调制模块原理

锁相环应用于FSK 调制的电路大致分为两类，一种是频率合成法，一种是直接移频法。

频率合成法的主要思路是，当FSK 调制信号所需的两个频率1f 和2f 均已产生，就可以利用锁相环得到相位连续的FSK 信号。调制其框图如图3-1所示。数字信号控制能够产生频率分别为1f 和2f 的两个振荡器。当数字信号为“1”时则输出频率为1f 的波形，当数字信号为“0”时，输出频率为2f 的波形。锁相环的压控振荡器的输出频率适中跟踪并锁定在输入信号的频率上。通过这种方式就可以产生FSK 的调制信号。

直接移频法的主要思路是用数字调制信号直接改变压控振荡器的振荡频率来实现FSK 信号调制。其原理框图如图3-2所示。

当VCO 的控制电压在一定的范围内时，VCO 的振荡频率如式（2-1）。由于0 和0K 为常量，所以当VCO 处于线性工作范围时，只要改变VCO 的控制电压为一个合适值，就能得到所要的FSK 调制频率。这种FSK 调制器的频率稳定度主要由VCO 的外部元件确定。相比于频率合成法，直接频移法的FSK 调制器的振荡源只有一个压控振荡器，所以其电路参数非常容易调整，也有较高的工作稳定性。同时，由于调制器的外围电路很少，所以工作可靠性也很高。这种调制器性能好，成本低。

图3-1 频率合成法FSK信号调制原理框图

图3-2 直接频移法FSK信号调制原理框图

3.2 基于PLL芯片的FSK解调模块设计

3.2.1 基于PLL芯片的FSK解调模块原理

当我们把一个已经经过频率调制的输入信号加到PLL时，为了保持环路锁定，VCO 频率就会对输入频率进行密切跟踪。在两个频率之间来回跟踪并且锁定。由于VCO的频率正比于控制电压，所以信号调制波形和控制电压几乎相同。这样，调制信号就可以从VCO控制电压中恢复出来。其原理框图如图3-3所示。

调制信号输入至PLL的参考信号引脚中，由VCO产生的信号输入至相位比较器输