通原FSK 通信系统调制解调综合实验电路设计要点.docx

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通原FSK通信系统调制解调综合实验电路设计要点

学生学号

实验课成绩

学生实验报告书

实验课程名称

通信原理实验

开课学院

信息工程学院

指导教师姓名

学生姓名

学生专业班级

20014

--

20015

学年

第

一

学期

实验课程名称：

__通信系统原理_____________

实验项目名称

FSK通信系统调制解调综合实验电路设计

实验成绩

实验者

专业班级

组别

同组者

无

实验日期

2014年12月30日

一部分：

实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）

一、实验目的

通过2FSK通信系统综合设计实验，加强对2FSK调制器与解调器通信技术电路理解，学会查寻资料、方案比较，以及设计计算环节。

学会对所学基本理论知识的综合运用；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、解决通信技术电路问题的本领，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，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：

2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：

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（a）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。

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：

③波形变换电路设计与工作原理

为使载波的波形是正弦波，需将分频器输出的方波转换成正弦波。

采用低通滤波器可实现此功能，其4KHZ转换电路如图4-5所示。

（8KHZ方波转正弦波电路省略）

m序列发生器电路设计与工作原理

四级伪随机码

Q3

Q2

Q1

Q0

1

1

1

1

0

1

1

1

0

0

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

0

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

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4-5M序列发生器电原理图

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

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（A）或（B）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4-7（A）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，门电路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

要实现2FSK信号，除用上述门电路调制器外，我们还可采用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个不同的频率源作为输出。

键控法产生的2FSK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。

由四双向模拟开关CD4066构成的调制器电路如图4-7（B）所示：

输入的基带信号由转换开关分成两路，一路控制f1=8Hz的载频，另一路经倒相去控制f2=4KHz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=8KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关2开通。

此时输出f2=4KHz，于是可在输出端得到2FSK已调信号。

如图4-8所示:

（利用此方案时，需将8KHZ和4KHZ方波转换成正弦波作载波）

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：

Q=1或=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=0或=1。

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

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，