完整word版2FSK通信原理实验报告Word格式文档下载.docx
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通过典型电路的设计与制作，初步体验从事通信产品研发的过程；
增强学生的实际能力；
掌握使用Multisim软件的操作方法。
二、设计内容与要求
根据2FSK调制器与解调器的组成原理，设计出整个2FSK传输系统的实现方案与电路；
技术指标：
①主载频为16KHZ；
②f1=8KHZ;
f2=4KHZ。
数字基带信号时钟频率fs=1000bit/s；
③m序列产生器（7位或15位），作为数字基带信号，传输速率fs=1000bit/s；
④调制器采用键控方式；
解调器可采用非相干解调（过零检测）技术。
（在时间充足的情况下，选做2FSK的载波提取，实现相干解调或用模拟锁相环解调）
实验要求：
要求掌握调制系统（多谐振荡器、分频器、波形变换（方波-正弦波）电路、M序列发生器）与解调系统（限幅器、微分整流电路、脉冲展宽电路、比较器、抽样判决器以及压控振荡器等单元电路）设计方法；
掌握调制、解调的基本原理。
通过实际的方案分析进行比较，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，能按综合实验设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确地反映设计和实验成果，能正确的绘制电路图。
三、FSK调制与解调系统整体方案设计
3.1调制设计方案
设信息源发出的是由二进制符号0，1组成的序列，且假定0符号出现的概率为p，1出现的概率为1-p，它们彼此独立，那么，2FSK信号便是1符号对应于载频ω1，而0对应于载频ω2（与ω1不同的另一个载频）的已调波形，而且ω1、ω2的改变是瞬间就能完成的。
容易想到，2FSK可以利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频,使其能够输出2个不同频率的码元。
2FSK信号的产生，可以采用模拟调频法来实现，也可以采用数字键控的方法来实现。
图3-1是数字键控法产生2FSK信号的原理图：
掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法；
图3-1数字键控法实现2FSK信号的原理图
图中两个振荡器的载波输出受输入的二进制基带信号s（t）控制。
由图1-1可知，s（t）为“1”时，正脉冲使门电路1接通，门2断开，输出频率为f1；
数字信号为“0”时，门1断开，门2接通，输出频率为f2。
在一个码元Tb期间输出ω1或ω2两个载波之一。
由于两个频率的振荡器是独立的，故输出的2FSK信号：
在码元“0”“1”转换时刻，相邻码元的相位有可能是不连续的。
这种方法的特点是转换速率快，波形好，频率稳定度高，电路简单，得到广泛应用。
对应图3-1（a）和（b），2FSK调制器各点的时间波形如图1-2所示，图中波形g可以看成是两个不同频率载波的2ASK信号波形e和波形f的叠加。
可见，2FSK信号由两个2ASK信号相加构成。
其信号的时域表达式：
图3-22FSK调制器各点的时间波形
本次综合设计实验调制部分正是采用此方法设计的。
整个调制系统包括：
载波振荡器、分频器、反相器、调制器与加法器等单元电路组成。
1.2解调设计方案
数字频率键控（2FSK）信号常用解调方法有很多种，在设计中利用过零检测法。
过零检测法是利用信号波形在单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。
解调系统组成原理框图如图3-3所示电路：
图3-32FSK过零检测解调电路原理框图
输入的FSK信号经限幅放大后成为矩形脉冲波，再经过微分电路得到双向尖脉冲，然后整流得到单向尖脉冲，每个尖脉冲表示一个过零点，尖脉冲的重复频率就是信号频率的两倍。
将尖脉冲去触发一单稳电路，产生一定宽度的矩形脉冲序列，该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比，即与输入信号成正比。
所以经过低通滤波器输出的平均分量的变化反映了输入信号频率的变化，这样把码元“1”与“0”在幅度上区分开来，恢复出数字基带信号。
其原理框图及各点波形如图3-4所示。
图3-4过零检测电路信号波形
四、系统中各种单元电路设计以及仿真
1、主载波振荡器电路设计与工作原理
载波振荡器的功用是提供2FSK调制系统所需的载波和信码定时信号，它可用门电路或集成电路（555）构成多谐振荡器。
本实验系统要求产生的主载波振荡频率为16KHZ载波，要求输出频率可调。
为简化实验电路，本次实验系统选用门电路构成多谐振荡器。
已知该门电路的估算振荡周期是:
T2.2RC。
经计算其实际电路如图4-1所示：
图4-1主载波振荡器电原理图
由图4-1电路可知，在三个与非门之间加入了一个R（R1）C（C1）延时网络，由于RC较大，可忽略tpd。
接通电源时，C的充放电使“A”点电压发生变化。
每当”A”点到达阈值电压VT=1.4V时，电路就会翻转，电路不停的自动翻转，就会在Vo端输出一系列的矩形脉冲，即电路产生了振荡。
并且调整R1可以改变RC值，使振荡频率改变。
RS（R2）起隔离作用，把电容C的输出与U3c的输入隔离开。
电路振荡波形如图4-2所示：
图4-2主载波信号波形图
2、分频器电路设计与工作原理
将主载波按设计技术指标要求，一般用D触发器构成适当的分频电路，获得载频f1、f2和Ｍ序列所需的时钟信号。
本实验系统，将主载波16KHZ进行二分频得8KHZ信号作f1；
将8KHZ载波进行二分频得4KHZ信号作f2；
再将4KHZ四分频得1KHZ信号作为fs，为M序列发生器提供编码时钟信号。
分频器的实际电路如图4-3所示：
图4-3分频器电原理图
分频电路输出信号波形如图4-4所示：
四级伪随机码
Q3
Q2
Q1
Q0
1
图4-4分频电路输出信号波形
3、m序列发生器电路设计与工作原理
m序列也称作伪随机序列，它的显著特点是：
（a）随机特性；
（b）预先可确定性；
（c）可重复实现。
本次综合设计要求用D触发器构成四级移位寄存器，形成长度为24-1=15位码长的伪随机码序列，码率约为1000bit/s。
图4-5是实验系统中4级伪随机序列码发生器电原理图。
图4-5是实验系统中4级伪随机序列码发生器电原理图
从图中可知，这是由4级D触发器和异或门组成的4级反馈移位寄存器。
本电路是利用带有两个反馈抽头的4级反馈移位寄存器，状态转移图见表1，该电路输出的信码序列为：
111101011001000。
信号波形如图4-6所示：
图4-6基带信号波形图
4、调制器电路设计与工作原理
2FSK信号的产生通常有两种方式：
（1）频率选择法；
（2）载波调频法。
由于频率选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（
或
）时刻，2FSK信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。
载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。
在这里，我们采用的是载波调频法，其调制器电路原理图如图4-7所示：
图4-7门电路与电子开关构成的调制器电原理图
由图可知，若用门电路构成调制器，其工作过程是：
从“信码\IN”输入的基带信号分成两路，1路经（74LS00）反相后接至OOK2（74LS00）的控制端，另1路直接接至OOK1的控制端。
从“载波f1”和“载波f2”输入的载波信号分别接至OOK1和OOK2的输入端。
当基带信号为“1”时，们电路OOK1打开，OOK2关闭，输出第一路载波；
当基带信号为“0”时，OOK1关闭，OOK2打开，此时输出第二路载波，再通过相加器就可以得到2FSK调制信号。
波形如图4-8所示。
图4-82FSK信号波形
5过零检测2FSK信号解调电路设计与工作原理
从前面原理的介绍中，我们知道2FSK调制信号的解调若用非相干过零检测法，由图可见，必须有七个单元模块来完成。
考虑到2FSK信号的产生和解调集于同一仿真电路中，已调信号未经信道传输，没有畸变、没有信道的干扰，因而采用数字电路完成限幅、微分、整流和脉冲形成四大功能是较简单的，其参考电路如图4-9所示。
电路输出信号波形如图4-10所示。
图4-9限幅、微分、整流、展宽电路原理图
由图可见，该脉冲形成电路用双J-K触发器74LS107、二极管、阻容等元件组成。
该电路具有单稳态特性，它的稳定状态是：
=1或Q=0。
当CP端有输入信号触发时，输入信号的下降沿使电路状态发生改变:
Q=1， =0。
这时J-K触发器清零端的电压VRD将缓慢降低，当降至1.4V左右时，触发器清零，电路又回到稳定状态，此时，二极管导通，电容C经二极管正向电阻rD反向充电，因为反向充电的时常数τ充=rDC较小，因而触发器清零端的电压会很快上升至高电位上，保证Q端维持低电平。
显然，输入信号的下降沿作用后，清零端电平下降到1.4V左右的时间长度与脉冲宽度有关，脉冲宽度τ放=W1C，调节W1可以改变形成脉冲的宽度。
调节W1使脉冲形成电路上下两支脉冲的宽度分别小于T1/2（T1=1/f1），保证两路脉冲叠加后不混叠，但也不能使脉宽过窄，因为形成脉冲的宽度将影响低通滤波器输出幅度的幅度。
图4-10限幅、微分、整流、展宽电路输出信号波形
6低通滤波器电路设计与工作原理
为了获得良好的幅频特性，脉冲展宽电路输出端所接的低通滤波器的带外衰减应很快，达40dB/十倍频程。
实验中要求采用巴特沃斯低通滤波器，其电路如图4-11所示。
输出信号波形如图4-12所示。
图中所示的低通滤波器为二阶有源低通滤波器。
能提供40dB/十倍频程衰减量，由截止频率公式：
图4-11低通滤波器电原理图
图4-12低通滤波器输出信号波形图
7电压比较器电路组成与工作原理
电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中，所谓电压比较器就是将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。
比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域
在本实验系统，电压比较器的主要任务是将低通滤波器输出的数字基带信号进行零电平判决与实现波形的变换，使之成为规则的矩形波。
其基本电路构成如图4-13所示：
输出信号波形如图4-14所示。
它由通用电压比较器芯片LM311构成，其反相输入端接分压电位器的中心抽头，以取得参考电压Vb；
当输入信号电压Vi≥Vb输出为1当输入信号电压Vi≤Vb输出为0
图4-13电压比较器电路原理图
图4-14电压比较器电路输出信号波形图
8抽样判决器电路组成与工作原理
抽样判决器的功用是：
在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。
过零检测电压比较器输出的信号，必须进行码再生电路（即抽样判决电路）才能恢复出和发送端相同的非归零码。
在2FSK通信系统中，抽样判决电路通常用触发器对判决信号进行抽样再生，其基本电路如图4-15所示：
输出信号波形如图4-16所示。
由图可见，该电路使用D触发器构成，其时钟信号是由码元定时电路恢复的与发送端同频同相的位同步信号。
图5-15抽样判决电路原理图
图5-16抽样判决电路输出信号波形图
五、2FSK调制与解调系统整体电路原理图与所用器材表
根据以上各单元电路的设计，得总体电路如图5-1所示。
图5-1总电路图
调制与解调电路各主要信号测试波形图如图5-2所示
图5-2调制与解调电路各主要信号测试波形图
元件清单
六、实验体会与建议
通过这次实验，我学习了解了FSK调制与解调系统的结构与特性，加深了对课本理论知识的理解。
同时熟悉了EWB仿真软件的相关操作，提高了动手能力。
教师签字__________
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