西电随机实验报告2FSK文档格式.docx

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一、摘要

在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性。

对于数字基带传输系统，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道具有低通形式的传输特性。

而数字基带信号不能在带通信道中直接传输，因此，必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。

我们可以把载波的某些离散状态用来表示数字基带信号的离散状态，同时，采用数字键控的方法来实现数字调制信号。

本次实验主要利用QuartusⅡ9.0软件来实现2FSK调制器的设计、基于软件的电路及波形仿真，最终在硬件平台上实现，并用示波器观察其输出波形。

该电路设计包括时钟序列、分频器、正弦波的产生模块以及二选一电路，最终将二进制码转换成2FSK信号输出。

在此基础上，熟悉QuartusⅡ9.0软件和示波器的功能及操作。

最后通过观察、对比仿真波形与示波器波形进行分析及系统的性能评价。

二、实验仪器

QuartusⅡ软件，FPGA实验板，示波器，微型计算机。

三、基本原理

3.1FSK——频移键控调制FSK（FrequencyShiftKeying），即用不同的频率来表示不同的符号。

如2KHz表示0，3KHz表示1。

二进制符号0对应于载波f1，符号1对应于载频f2，而且f1与f2之间的改变是瞬时完成的一种频移键控技术。

2FSK通信系统的方框图

3.22FSK信号的产生。

分两种方法：

一是模拟调频法，即模拟调制系统中的调频（FM）信号的产生方法，该方法是将输入的数字基带信号去控制一个振荡器的某些参数而达到改变振荡器频率的目的。

二是键控法，即利用受数字基带信号控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，两个独立的载波信号发生器输出的频率f1和f2受控于输入的二进制信号，按照“1”或“0”分别选择载波f1或载波f2作为输出。

本实验采用第二种方法。

原理框图如图2.1所示。

2FSK调制器原理及波形图

四、实验的设计与实现

本次实验题目:

码元速率为2.44140625KHz的2FSK调制信号的实现与性能分析。

4.1电路设计

运用“由下而上”的设计方法。

按系统方框图，将系统模块化，每部分都封装成模块，在顶层文件中调用各模块，最终完成一个2FSK调制器。

4.2QuartusⅡ软件仿真

使用QuartusⅡ软件进行仿真，观察波形图。

4.3在FPGA实验板中下载并用示波器观察2FSK调制信号

最终将二进制码转换为正弦波输出，在示波器上观察输入输出信号。

五、实验过程及结果展示

5.1图5.1为模块封装后的2FSK调制器的实验电路图。

其中，64、128、8192为分频器，ROM是计数器和正弦载波组成的正弦波输出电路，M是一个周期为15的小m序列作为信源，各部分均为单独封装好的电路模块。

图5.12FSK调制器实验电路

5.2以下是各模块具体电路图及调试波形图。

（1）64分频器电路结构及调试波形如图5.2（a）（b）所示：

图5.2（a）64分频器电路结构图

图5.2（b）64分频器调试波形图

（2）128分频器电路结构及调试波形如图5.3（a）（b）所示：

图5.3（a）128分频器电路结构图

图5.3（b）128分频器调试波形图

（3）8192分频器电路结构及调试波形如图5.4（a）（b）所示：

图5.4（a）8192分频器电路结构图

图5.4（b）8192分频器调试波形图

（4）利用74LS175的功能设计的周期为15的m序列信号发生器的电路结构和调试波形如图5.5（a）（b）所示：

图5.5（a）m序列信号发生器电路结构图

图5.5（b）m序列信号发生器调试波形图

（5）正弦波发生器电路图及ROM中存储的数据，最终正弦波输出仿真波形分别如图5.6（a）（b）（c）所示：

图5.6（a）正弦波发生器电路图

图5.6（b）ROM中存储的数据

图5.6（c）正弦波输出仿真波形

5.3在QuartusⅡ软件上做完电路设计封装后运行图5.1所示电路文件，进行仿真调试得到波形如图5.7所示：

图5.7QuartusⅡ软件仿真波形图

5.4经老师检查，确认仿真无误之后，将文件下载到FPGA实验板上，将管脚分配好之后，把实验板接通电源并与示波器连接好后，再次运行文件在示波器上得到如图5.8（a）（b）所示的波形，即为实验的最终成果。

图5.8（a）示波器图形一

图5.8（b）示波器图形二

六、分析问题

每次实验都是一次自我提升的机会，在本次实验中我们也遇到了许多问题。

1.在实验中我们发现对很多器件都是“知其然而不知其所以然”，只知道它能实现我们在某次试验中需要的某个功能，对器件本身的原理和结构不甚了解，因此在使用的过程中，只要出现稍微一点点问题，和我们预想的功能有一点点不一样，就会进入死胡同，找不到解决之道。

这提醒我们以后要对自己使用的每一个器件都尽可能了解清楚它的结构和实现原理，才能够最大程度的在实验中学习到书本上没有的，课堂上学不来的知识。

2.刚开始拿到码元速率和2fsk实现方法时，不知道如何把码元数率转换为分频器所需的分频数，这样就没有办法去设计分频器了，使得我们的实验进度一度停滞不前，后来经过查询XX和书本以及实验指导书内容和实验结果的需要，我们使用20MHZ去除以码元数率，最终得到了我们所需的第一个分频器的分频数，使得实验得以继续进行。

3.在设计分频器的时候，直接从进位端输出，发现输出信号只是一个一个脉冲的波形，而不是预期的占空比为50%的方波时钟信号。

经过复习分频器电路的理论知识，对电路进行分析后，发现进位端只有在计数状态为全1时才会产生进位信号并输出一个脉冲后又变回初始值。

经过思考，在进位输出端用两个D触发器控制其输出，使得分频器的进位输出信号可以保持为1到下一个进位信号产生时通过输出为0，即相当于是利用D触发器的移位寄存功能，然后就能产生占空比为50%的方波时钟信号。

这就提醒了我们，在课题解决过程中要实现理论与实践想结合从而解决问题的效果，要经常温习基础知识，温故而知新。

4.在实现电路图软件仿真的过程中，几经调试总是错误不断，我们一点一点地检查还是未果，后来我们向其他小组同学提出请求，他们帮我们指出了错误。

而错误的根源就是我们对软件的不熟悉，不知道仿真前要先建立新的project，然后在工程里建立电路图，然后才可以仿真。

当然经过虚心的请教，问题终于得到解决。

5.分频器等器件产生了大量毛刺，这是由于组合逻辑电路中的门延迟产生的，我们想到的解决方法有两个：

（1）.多使用时序逻辑器件，优化实验电路，减少门电路的使用。

（2）.也是本实验中毛刺解决的主要办法，即在输出端加一个D触发器，D触发器具有数据所存功能，由于延迟产生的毛刺边沿与时钟边沿并不对应，故使用D触发器可以有效的消除延迟产生的毛刺。

6.关于ROM中的数据最开始不知道使用公式A=4096*（1+sin（2*pi*n/32））,（其中n=0…31）,而且mif文件中的数值也不能出现小数，这给我们给ROM中输入数值造成了很大的麻烦，经过对实验指导书的认真的阅读和理解，最终我们解决了这个问题，较完美的把输入方波信号转换为了正弦信号输出。

7.在实验初期，未解决毛刺问题，此时我们发现了一个现象，改变ROM数据的排列顺序可以在一定程度上改善波形质量，但在毛刺问题解决之后，ROM数据顺序的改变对于波形质量几乎没有任何影响。

我们猜想这是由于毛刺恰好与数据长生较大变化的点的重合产生的，这仅作为一个猜想，仍需以后再加探究。

8．在最后分配管脚时，由于对FPGA板子的不熟悉以及对实验指导书中内容的理解不透彻，使我们在分配管脚时无从下手，不明白知道书上的J3，R2，D3等等的管脚的位置，后来进过询问和指导，明白了管脚的分配原理，顺利的完成了管脚的分配，之后连接实验板和示波器得到了实验所需的的波形图。

七、实验总结与心得

在实验中我们也发现了很多自身的不足。

这体现在以下几个方面：

1.对理论课基础知识的掌握不够牢固，理解不够深入，缺乏将理论和实践结合起来的技能。

2.实验相关知识掌握不够全面，缺少系统设计和仿真经验。

3.缺少自主学习的积极性。

这次随机信号分析实验的指导老师郭老师是个与众不同的老师，他不像其他很多实验指导老师一样先给我们长篇大论而是让我们主动去学习，但是我们在实验过程中遇到了问题老师总会第一时间过来为我们细心解答。

在前两次上机中他先让我们参考指导书来自己熟悉软件使用，这让我们这等待“喂养”的孩子不由得懈怠了一阵，进度有些缓慢。

后期意识到时间地紧迫我们又把进度追了上来。

十分感谢老师，他让我们拾回遗失的主动性，学会了有问题先自己解决然后再考虑寻求帮助。

4.频繁地遇到问题让我们比较烦躁，不能静心思考。

这是个人性格上的弱点，也是搞科学研究与实验最要不得的。

当然，这次实验在给我们磨练的同时让我们收获颇多，我们也感受到自身的进步：

1.这次实验端正了我们的学习态度，改正了不主动学习的坏习惯，也提高了自身的动手能力。

郭老师的教导也让我知道要对自己严格要求，不能够一知半解，不管今后做什么实验，最重要的是要明白实验中的主要原理，这样才能融会贯通，举一反三，做到理论知识与实践相结合。

2.浮躁的性格对与学习和实验来说是很大的一个弱点，我们一定要静下心来，踏实的做事。

在动手之前，头脑里必须清楚应该怎么做，三思而后行，这一点是很重要的。

要受得住千百万次的打击仍然敢于尝试，磨练科学家般的意志品格，坚信自己会成功。

3.合作的重要性，两个人合作一定要相互讨论交流，相互帮助，才能顺利完成实验。

同时，自己困在某个问题中走不出去的时候，一定要学会变通，适时寻求老师及同伴们的帮助。

八、参考文献

[1]张辉,曹丽娜，现代通信原理与技术（第二版），西安，西安电子科技大学出版社，2008

[2]胡力山，杨颂华等，数字电子技术基础（第二版），西安，西安电子科技大学出版社，2009

[3]郭万里李兵兵等，随机信号分析教程，北京，高等教育出版社，2012

[4]周润景，苏良碧，基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD数字系统设计实例（第二版），北

京，电子工业出版社，2013