FSK移频键控的数字信号调制.docx
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FSK移频键控的数字信号调制
通信工程专业
《通信原理》课程设计
题目FSK移频键控实现数字信号的调制
学生姓名JIANGXX学号XXXXXXXXXX
所在院（系）陕西理工学院物理与电信工程学院
专业班级通信工程专业11XX班
指导教师XIONGXX合作者杨XX、薛XX
完成地点陕西理工学院物理与电信工程学院实验室
2013年3月14日
通信工程专业课程设计任务书
院（系）物理与电信工程学院专业班级通信工程专业1103班学生姓名JIANGXX
一、课程设计题目FSK移频键控实现数字信号的调制
二、课程设计工作自2013年3月4日起至2013年3月22日止
三、课程设计进行地点:
物理与电信工程学院实验室
四、课程设计的内容要求：
一．任务及要求：
1.产生10011001数字信号；
2.采用FSK移频键控方式，实现上述数字信号的发射；
3.设计电路在matlab环境中，利用simulink完成设计电路的仿真；
4.制作电路；
二．参考资料：
1.通信原理
2.通信原理实验指导书
3.MATLAB基础教程
指导教师XIONGXX系（教研室）通信工程系
接受任务开始执行日期2013年3月4日学生签名JIANGXX
FSK移频键控实现数字信号的调制
JIANG.......
（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1103班，陕西汉中723003）
指导教师：
XIONG......
【摘要】移频键控，或称数字频率调制。
其基本原理是利用载波的频率变化来传输数字信号，实现现代科技的需求。
需被传送的数字信号与高频载波1一起经过MC1496相乘器1，另外让数字信号经过74LS04反相器再与高频载波2一起经过MC1496相乘器2，使芯片工作于高电平；让输出的已调信号通过放大电路，再将俩已调信号经由74LS283相加器输出调制信号。
实际电路板连接电路，通电测试可得正确波形。
【关键词】相乘器；反相器；放大电路；相加器
【中图分类号】TN702【文献标志码】A
ModulationofFSKfrequencyshiftkeyingdigitalsignal
Jiang......
（GradeXX,Class11,MajorofCommunicationEngineering，SchoolofPhysicsand
telecommunicationEngineeringofShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,China）
Tutor:
Xiong......
[Abstract]Frequencyshiftkeying,digitalfrequencymodulation.Thebasicprincipleistotransmitdigitalsignalsbyusingcarrierfrequency,modernscienceandtechnologyneeds.Todigitalsignalandthehighfrequencycarrierwaveistransmittedin1withMC1496multiplier1,inadditiontothedigitalsignalthroughthe74LS04inverterwithhighfrequencycarrier2with2MC1496multiplier,thechipworkinhighlevel;lettheoutputmodulatedsignalbyamplifyingcircuit,thenthetwomodulatedsignalviaa74LS283adderoutputthemodulatedsignal.Theactualcircuitboardconnectingcircuit,powerontestcancorrectlywaveform.
[Keywords]Multiplier;inverter;amplifiercircuit;adder
目录
摘要....................................................3
Abstract.................................................3
引言.....................................................5
一、课程设计目的.........................................6
二、课程设计内容.........................................6
三、课程设计要求.........................................6
基于MATLAB/Simulink的模拟通信系统的仿真.................7
1、课设原理..............................................7
1.1、数字调制原理.....................................7
2、理论计算..............................................9
3、实现方法..............................................9
3.1、MATLAB/Simulink仿真实现..........................9
3.2、Proteus中的电路仿真.............................11
3.3、proteus中的仿真单元电路图的元器件分析...........13
3.3.1、信号发生器（高频载波、信号源）的设计........13
3.3.2、信号反向电路的设计..........................13
3.3.3、信号相乘电路的设计..........................14
3.3.4、信号放大电路的设计..........................15
3.3.5、信号相加电路的设计..........................15
4、仿真中发现的问题和解决的方法..........................16
5、结论..................................................16
6、总结..................................................17
7、致谢..................................................18
8、参考文献..............................................18
9、附录1、2..............................................19
引言
现代通信技术的发展日新月异，而且正在迅速地向各个领域渗透。
随着科学技术的进步，通信事业得到了飞速发展，信息的传送也由模拟传输转向数字传输，信息越来越多地作为数字脉冲之间的时间或相位的变化而传送出去。
信息已经成为一种重要的社会资源，成为人类生存及社会进步的重要推动力，信息的开发和利用已成为社会生产力发展的重要标志。
信号是信息的载体，通过信号传递信息。
为了有效地传播和利用信息，常常需要将信息转换成便于传输和处理的信号。
这样，对信号进行数字调制显的尤其重要，这种利用模拟调制方法随着现代调制方法的出现而陷入了困境。
为了可靠地进行通信，现代调制方法更钟情于频率和相位调制。
而大量的实验造成过多的资源以及时间的浪费，精英们看到这些弊端，想到了利用计算机。
而在这一切的需求上，我们有了仿真设计。
仿真设计必然要用到仿真软件，利用各类仿真软件，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统。
将动态系统仿真软件应用于通信原理的实验中，从而为我们提供了极好的通信系统开发、设计、模拟、调试和分析的平台。
数字调制技术是实现现代通信的重要手段。
通过调制，改变信号的传输频率和所占频带宽度，从而易于在电导体、光纤或电磁波空间传输，从而改善信号的抗噪声性能。
数字调制的实现，促进了通信的飞速发展。
研究数字通信调制理论，提供有效调制方式，压缩信号传输频带，提高信道复用效率，提高信号传输可靠性，在实际中有着重要意义。
一、课程设计目的
为了使学生加深对所学的通信原理知识的理解，培养学生的专业素质，提高其利用通信原理知识处理通信系统问题的能力，为今后的专业课程的学习、毕业设计和工作打下良好的基础。
使学生能比较扎实地掌握通信原理的基础知识和基本理论，掌握数字通信系统及有关设备的分析、开发等基本技能，受到必要的工程训练、初步的科学研究方法训练和实践锻炼，增强分析问题和解决问题的能力，了解通信系统的新发展。
二、课程设计内容
通过使用MATLAB/Simulink仿真设计一个FSK移频键控调制器，使其能够实现数字信号的传输，并测出理论波形及参数，观察不同参数下波形的输出及变化。
最后说明每个器件的功能及作用。
三、课程设计要求
1、通过通信原理课程设计掌握通信中常用的信号处理方法，能够分析简单通信系统的性能。
2、掌握通信电路的设计方法，能够进行设计简单的通信电路系统。
3、掌握通信系统安装的基本知识和技能，培养对通信电路系统的整机调试和检测的能力。
4、了解通信工程专业的发展现状及发展方向。
基于MATLAB/Simulink的
模拟通信系统的仿真
1、课设原理
数字频率调制又称频移键控，记作FSK；二进制频移键控记作2FSK。
1.1、数字调制原理：
移频键控（FSK）是数字通信中较常用的一种调制方式，特别是在无线短波通信中应用较为广泛。
FSK除了实现设备简单、调制与解调方便外，更重要的是这种调制方式具有较好的抗多径时延性能。
在分析FSK产生原理和常用方法的基础上，通过软件实现2FSK的产生，经示波器观测和工程实践，验证了其正确性和有效性。
FSK是信息传输中使用得较早的一种数字调制方式,实现起来较容易,在中低速数据传输中得到了广泛的应用。
因FSK技术的实用性和高效率,现在发展了多进制数字频率调制,它用多个频率的正弦振荡分别代表不同的数字信息。
FSK解调系统仿真适应良好数位领域因此广泛应用于需要传输的数据广播、导航、通信网等。
FSK是在数字信号调制中使用较典型的一种调制方式，其利用载波的频率变化来传递数字信息0或1（符号“1”对应于载频
，而符号“0”对应于载频
）。
由于其实现起来较容易、抗噪声与抗衰减的性能较好，因此，在中低速数据传输（传输速率在1200bit／s以下）中得到了广泛的应用。
二进制频移键控记做2FSK,用所传输的数字消息控制载波的频率。
从原理上讲，二进制FSK的调制器可以采用模拟调频电路实现，也可以用键控法实现，后者较为方便。
2FSK键控法就是利用受矩形波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通的。
而此次我们小组的方案便是取用键控法来实现数字信号的传输。
以下是俩种方案的比较：
模拟调频法，即用数字基带信号作为调制信号进行调频。
如图（a）所示。
（a）
数字键控法，用数字基带信号
及其反
相分别控制两个开关门电路，以此对两个载波发生器进行选通。
如图（b）所示。
（b）
这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的，这是一类特殊的FSK（CPFSK）；而数字键控法产生的2FSK信号，则分别有两个独立的频率源产生两个不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的。
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强，因此在低数据传输系统中应用较为的广泛。
利用载频频率变化来传输数字信息的。
数字载频信号又可分为相位离散和相位连续两种情况。
若两个振荡器频率分别有不同的独立振荡器提供，他们之间的相位互不相关，这就是相位离散的数字调频信号；若两个振荡器频率有同一振荡信号提供，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。
在数字通信系统中，由于基带数字信号包含了丰富的低频部分，如果要远程传输，特别是在有限带宽的高频信道无线或光纤信道传输时，必须对数字信号进行载波调制，使基带信号的功率谱搬移到较高的载波频率上，这就称为数字调制。
它可以分别对载波的幅度、频率、相位进行调制。
于是有ASK（移幅键控）、FSK（移频键控）、PSK（移相键控）等调制方式。
数字调制同时也是时分复用的基本技术，其中FSK是利用数字调制载波的频率，是信息传输较早的一种传输方式。
2、理论计算：
由于二进制基带信号1符号对应载波频率
，0符号对应于载波频率
，故二进制频移键控信号可以看作是俩个不同载波二进制振幅键控信号的叠加。
即得其时域表达式：
其中
是脉宽为
的矩形脉冲表示的NRZ数字基带信号。
其中，
为
的反码，即若
，则
；若
，则
。
3、实现方法
3.1、MATLAB/Simulink仿真实现：
2FSK调制仿真系统原理图：
MATLAB/Simulink仿真的数字键控法电路图
MATLAB/Simulink中封装图
各个模块具体参数设置：
正弦波发生器1正弦波发生器2
基带信号发生器
仿真波形
修改参数运行后的输入、输出波形如图：
MATLAB/Simulink环境下的
“2FSK移频键控的数字信号输出”仿真波形
3.2、Proteus中的电路仿真
运用proteus仿真FSK移频键控的调制实现电路图
Proteus中的参数设置
各参数设置如下所示：
高频载波1的参数高频载波2的参数
信号源方波的参数设置
Proteus中的仿真波形
左图为高频载波1、2在proteus中信号源没有加入反向器时的对应波形，右图为信号源加入反向器后的高频载波1、2的对应波形。
此时为俩个高频载波通过相加器后的叠加波形，即调制载波信号。
3.3、proteus中的仿真单元电路图的元器件分析
3.3.1、信号发生器（高频载波、信号源）的设计
本次试验中，由于课设要求，我们只需做信号的调制，所以在设计信号发生器部分时采用proteus仿真软件中的函数信号发生器代替。
在仿真时修改必要的参数，保证信号的输出符合条件。
3.3.2、信号反向电路的设计
反相器的作用是使信号源在搭载到俩个不同频率的高频载波上时，按需取反，表现出信号源“1”、“0”的状态。
在试验中，我们采用74系列中74LS04芯片作为反相器，经过查询，该芯片内部有6个“非门”，#14管脚作为高电平，#7管脚接地；其余每俩个管脚构成一对反向器。
非门（反相器74LS04）芯片管脚图
3.3.3、信号相乘电路的设计
相乘器的作用是让俩信号函数卷积，在本实验中，我们让方波信号源分别与高频载波1、2通过相乘器，目的是得到调制信号。
起相乘作用的芯片选用MC1496。
MC1496是四象限模拟乘法器，其引脚图如下图所示。
其中V1、V2与V3、V4组成双差分放大器，以反极性方式相连接，而且两组差分对的恒流源V5与V6又组
成一对差分电路，因此恒流源的控制电压可正可负，以此实现了四象限工作。
V7、V8为差分放大器V5与V6的恒流源。
试验中，取#1管脚为信号输入端，#8管脚为高频载波输入端，#6管脚为输出端。
#14执高电平。
MC1496引脚图
proteus仿真相乘器
3.3.4、信号放大电路的设计
放大电路能将想要传送的调制信号增强，提高信号的输送范围及降低失真。
本实验中用三极管作为放大器件，构成共射放大电路。
其中电阻用来偏压、反馈及提供负载，极性电容是用来耦合调制信号的。
Proteus中仿真信号放大电路
3.3.5、信号相加电路的设计
相加器起的作用是使调制信号叠加在一起，完成整个仿真，得到完整的输出波形。
实验中采用74LS283芯片，74LS283是具有超前进位的4位全加器,取#16管脚作为高电平，#8管脚接地（也可以不接），任取同级A/Y管脚作为二输入,S管脚为一输出的端口，将前面俩个不同的调制信号输入，由S输出端输出既得需要的已调信号。
74LS283的管脚图
Proteus中的仿真相加器
4、实验中发现的问题和解决的方法
因为在前一学期的学习中已经用到过MATLAB/Simulink、Proteus等仿真软件，所以在这段时间里计算机仿真方面没有存在太多问题，只是会存在类似调节峰峰值、频率等方面的小瑕疵。
主要的不满意之处，其实是在硬件功能实现方面。
通过对查阅相关的书籍，对FSK调制过程及相关参数有所了解，熟悉MATLAB中Simulink系统设计及仿真软件，了解各窗口的作用及使用方法后，再建立FSK调制系统的模型，进行仿真实验，然后观察波形纪录相应的数据，最后进行分析，了解了FSK调制的整个过程。
在此实验中，感觉FSK运行的速度慢，高速性能不是很好，要想在对通信的数据传输速率要求越来越高的情况下生存下去，就必须解决这一问题，现在逐渐被相移键控所取代。
本次通过MATLAB/Simulink软件对FSK调制传输数字信息的载波频率，进而进行仿真设计，过程简单易懂。
可以看出，FSK技术广泛应用在广播、导航、通信网等高科技领域。
2FSK信号的数字调制方式大大降低了传统方法硬件电路的复杂性，提高了系统的灵活性。
在实验的初期，我们各自从不同渠道收集了大量的关于实验的资料，整合后决定出最终方向。
在软件仿真方面，我们一直很顺利，能够得到所需要的结果。
在硬件拼接时，由于元器件不足的问题，我们被迫换掉了原先的方案，改用可替换芯片。
例如：
原本实验只需一片MC4066P既能完成载波与信号的调制以及已调信号的叠加，从而可以明确地得到实验波形，但是因为4066短缺，最后我们只能依赖俩片MC1496芯片和一片74LS283芯片来替代MC4066P。
这从一定程度上增加了实验的不确定性，而且可能不能明显的观察到变化。
再有就是实验电路板的问题。
实验中我们经常要在测电路的时候用手紧压相关器件，因为器件与导线之间不能很好地连接，让我们兜了一个大圈子。
实验器件也是折腾我们的问题。
在领到器件后才发现，有的芯片根本就没办法使用，只能当导线用。
所以，为了确定实验的正常进行，我们只能在实验室里一个一个的检查每个芯片的每一个有用管脚。
基本克服所有困难后，我们终于得到了较为可行的波形输出。
观察波形后我发现，若加入的载波幅度过小，就无法在示波器上观察到调制信号。
而且，对比信号源与已调信号能够发现，后者有延时现象。
结 论
FSK是信息传输中使用得比较早的一种调制方式，也是数字通信中用的比较广的一种方式，具发展潜力。
通常数据率在低于1200b/s时使用FSK方式。
2FSK调制技术在与众多数字调制的比较中，它的误码率虽不是最好的，但是也不是最差，设备复杂程度也是一样 属于中等，FSK带宽较宽 频谱利用率低。
同时FSK调制系统具有抗干扰、抗噪声、抗衰减性能较强、技术复杂程度低、成本低等诸多优点。
经过实验，我脑海中更加清晰的明白了FSK移频键控实现数字信号的调制中每一个步骤与环节的功用和意义。
没有调制的信号等于零；没有放大的信号等于没有实践；不能够叠加的信号就是一个零。
MATLAB/Simulink的系统仿真功能非常强大，不仅能作为于实验，在各类需求仿真方面都可以用到。
为硬件功能的实现提供有力的证明，而且能直观的表现出硬件实现的可行性。
用display数据显示器观察数字信号的变化呈现的规律，幅度大小的信号源,最后根据运行结果和波形来分析该系统性能，比较每个元器件的作用和功能。
（基于理论计算，我们可以得出更加精确的实验数据，但是由于我们在试验中没有找到相匹配的实验芯片，只能找同功能的其他不很熟悉的芯片代替，致使无法应用计算，只能通过大致调节频率、电压、幅度等来得出较为准确的波形，这是本次实验中的遗憾，而且也可能无法明显的看出结果，能够欣慰的是仿真波形较为接近实验要求。
）
总结
通过这次对移频键控（FSK）数字调制电路的实验，让我学到了很多，并且更加巩固了一些知识。
拓展了知识面，进一步了解各个元器件的功能，这些都是对我专业的学习帮助。
本次试验中设计的调制电路采用的是键控法。
基于对课本的学习，了解了对2FSK调制的基本原理，此外对电路的设计有了基础的认识。
初始时对于电路设计的模糊不清，通过查阅资料和自己的不懈努力，最终与小组成员设计出了一个较为完整的移频键控实现数字信号的调制电路。
经过设计，让我们对整个过程的理解更加的彻底，同时在电路设计的过程中，我们非常认真的复习了很多相关的知识，尤其是在电路中各元件以及参数的设置，我们必须得很明确。
这次的课设逐渐的端正了我对于学习的态度，学会了脚踏实地，养成一种能够钻研的劲儿，提高了动手能力，而且能够严格的要求自己，对于知识不能一知半解，心急吃不了热豆腐。
这些，我想至少我的组员是这样。
目前来说，我们的动手能力虽然差点，但是我们自己一定要相信没有什么事是不能做到的，我们要坚信，别人做得到，我们也行。
经过这三个星期的课程设计，想想每天的早出晚归，虽然没有那么忙碌的节奏在鼓动，但是，在自己的内心深处总用那么一些时有时无的想法在催促着自己本能的去到那看似枯燥的实验中去。
在我看来，与同学们一起去忙碌。
思考，即使再多的辛苦也没有什么是不能去尝试的。
总之，整个的设计过程让我很享受，这些东西带动着我去不停地思考，让我明白解决问题要多动手，改变了我的一贯思维方式。
新世纪的我们，不能仅仅局限于一处，何况我是通信的人，这是我该奋斗的方向，动用所学于实践，这样才能提高自己的能力。
致谢
三个星期的时间终于将这次的课程设计完成了，在设计的过程中遇到了无数的困难和障碍，都是在同学和老师的帮助下度过了。
尤其是要感谢我的组员们，对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行疑难知识的解答与指导。
另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。
在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！
感谢这篇论文所涉及到的各位学者。
文中引用了几位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将不能完整的完成这次课设。
感谢我的同学和朋友，在我动手的过程中给予我了很多思考素材，还在临近结尾的过程中提供热情的帮助。
由于我的知识
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