2FSK综合设计.docx
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2FSK综合设计
学生学号
0121309341419
实验课成绩
学生实验报告书
实验课程名称
2FSK综合设计实验
开课学院
信息工程学院
指导教师姓名
唐静
学生姓名
施敏焱
学生专业班级
通信zy1301
2015
2016学年第
学期
实验教学管理基本规范
实验是培养学生动手能力、分析解决问题能力的重要环节；实验报告是反映实验教学水
平与质量的重要依据。
为加强实验过程管理，改革实验成绩考核方法，改善实验教学效果，提高学生质量，特制定实验教学管理基本规范。
1、本规范适用于理工科类专业实验课程，文、经、管、计算机类实验课程可根据具体情况参照执行或暂不执行。
2、每门实验课程一般会包括许多实验项目，除非常简单的验证演示性实验项目可以不写实验报告外，其他实验项目均应按本格式完成实验报告。
3、实验报告应由实验预习、实验过程、结果分析三大部分组成。
每部分均在实验成绩中占一定比例。
各部分成绩的观测点、考核目标、所占比例可参考附表执行。
各专业也可以根据具体情况，调整考核内容和评分标准。
4、学生必须在完成实验预习内容的前提下进行实验。
教师要在实验过程中抽查学生预习情况，在学生离开实验室前，检查学生实验操作和记录情况，并在实验报告第二部分教师签字栏签名，以确保实验记录的真实性。
5、教师应及时评阅学生的实验报告并给出各实验项目成绩，完整保存实验报告。
在完成所有实验项目后，教师应按学生姓名将批改好的各实验项目实验报告装订成册，构成该实验课程总报告，按班级交课程承担单位（实验中心或实验室）保管存档。
6、实验课程成绩按其类型采取百分制或优、良、中、及格和不及格五级评定。
附表：
实验考核参考内容及标准
观测点
考核目标
成绩组成
实验预习
1.预习报告
2.提问
3.对于设计型实验，着重考查设计方案的科学性、可行性和创新性
对实验目的和基本原理的认识程度，对实验方案的设计能力
20%
实验过程
1.是否按时参加实验
2.对实验过程的熟悉程度
3.对基本操作的规范程度
4.对突发事件的应急处理能力
5.实验原始记录的完整程度
6.同学之间的团结协作精神
着重考查学生的实验态度、基本操作技能；严谨的治学态度、团结协作精神
30%
结果分析
1.所分析结果是否用原始记录数据
2.计算结果是否正确
3.实验结果分析是否合理
4.对于综合实验，各项内容之间是否有分析、比较与判断等
考查学生对实验数据处理和现象分析的能力；对专业知识的综合应用能力；事实求实的精神
50%
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
施敏焱
专业班级
通信zy1301
组另U
同组者
实验日期
2015年12月23日
、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：
设计内容：
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。
实验要求：
1利用Mulisim软件进行电路搭接、调测、改进、完善方案；
2着眼于频率、频谱、频带、观察2FSK信号。
在时域，观察单元电路各点的波形；在频
域，观察已调信号、调制信号的频谱，测算传输带宽；
3根据技术指标要求及功能，设计各单元电路电原理图；查阅器件手册，提出使用器材；
4根据实验记录的波形和数据，分析2FSK调制解调过程和性能。
并写出符合规范的综合
设计实验报告。
三：
2FSK调制解调原理：
在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，完成频谱搬移，变换成频带信号后，才能在带通传输特性的信道中传输。
FSK通信系统通常由2个不同频率的载波来代表数字信号的2种电平，通过频移调制，输
出FSK信号；解调时则通过带通滤波，分离出这两种不同频率的载波，然后再通过比较器，还原出原始数字信号。
二进制移频键控信号的产生方法：
在二进制数字调制中，若载波的频率随二进制数字基带信号在fi和f2两个载频间切换，则
产生二进制移频键控信号（2FSK信号）。
二进制移频键控信号的产生方法如图所示。
图（a）是采用数字键控的工程实现方法，图（b）是调制器输出的2FSK信号的时间波形。
1
£
fs
基带信号
2FSK信号
在图（a）中，两个载频受输入的二进制基带信号控制，在一个码元Ts期间，输出fi或f2两
载频之一。
若二进制基带信号的“1”对应于载频fi,“0”对应于载频f2，则二进制移频键控e2FSK（t）Am1（t）cos（itJAm2（t）cos
（2）
制信号的时域表达式为:
相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱可以近似表示成两个不同载波的二进制振幅键控功率谱密度的叠加，如图所示。
2FSK功率谱密度图
从图中可以看出：
1、2FSK的频谱由连续谱和离散谱所组成，其中离散谱位于两个载频fi和f2处，连续谱由两个中心位于fi和f2处的双边谱叠加形成；
2、若两个载波频差小于fs,则连续谱在fo处出现单峰；若载频差大于fs，则连续边谱距离拉开，出现双峰；
3、若以二进制移频键控信号功率谱第一个零点之间的频率间隔作为2FSK信号的带宽，
则2FSK信号的频带宽度B2fsk为：
B2FSKf1f22fs
四、2FSK调制解调电路设计方案
（1）2FSK调制电路设计
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0符号对应于载频31，而1对应于
载频32（与31不同的另一个载频）的已调波形，而且31、32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产生的另一个方法就是采用键控法，也称频率选择法，即利用受矩形脉冲序列控制
的开关电路对2个不同的频率源进行选通。
由数字基带信号来控制转换开关，通过选择不同频率的高频信号来实现FSK调制。
频移键控法产生的FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没
有过渡频率，它的转换速度快，波形好，频率稳度高。
本次2FSK调制器部分要求采用此方法
设计。
（2）2FSK信号的解调方案
二进制移频键控信号的解调可采用相干解调和非相干解调。
从最佳解调的观点看，相干解调具有最佳的抗干扰性能，但相干解调必须依赖于解调端恢复准确频率和相位的参考载波，在移频键控系统中，提取f1和f2会大大增加系统的复杂度。
采用非相干解调的原理图如图所示它是一种过零检测的方法，其基本思想是基于2FSK信号中两载频过零点次数的不同，通过检
测过零点数恢复基带信号。
该系统的工作过程是输入信号经限幅，微分，整流，输出反映2FSK信号载频过零点次数
的脉冲序列，触发脉冲发生器产生固定带宽的宽脉冲信号，宽脉冲信号经过低通滤波，判决生
成再生基带信号。
2FSK信号非相干解调原理图
（3）2FSK调制与解调系统组成方案
键控调制与过零检测系统框图
五、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所示
主载波振荡器电原理图
其中，以1KHz为基准，通过波形测量，滑动变阻器的数值调整为73%可满足要求
由图电路可知，在四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。
电路振荡波形如图所示
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fl、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所示:
分频器电路原理图
分频电路输出信号波形如图所示:
m
innjwmiww
i工nm
:
Hi-r-l:
:
L
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―四级伪随机码
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
信号波形如图所示:
（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
（01或10）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
图所示:
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“XMIN”输入的基带信号分成两
路，1路经（74LS00）反相后接至一个控制端，另1路直接接至另一个控制端。
从“载波f1
和“载波f2”输入的载波信号分别接至两个输入端。
当基带信号为“1”时，上面的门电路打
开，下面的门电路关闭，输出第一路载波；当基带信号为“0”时，状态相反，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。
波形如图所示。
2FSK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，其参考电路如图所示。
电路输出信号波形如图所示。
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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
放=W1C，调节Wi可以改变形成脉冲
降到1.4V左右的时间长度与脉冲宽度有关，脉冲宽度t
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
（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，其电路如右图所示。
输出信号波形
如左图所示。
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
21
频率公式:
RFR2C1C2
低通滤波器输出信号波形图低通滤波器电原理图
（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。
其基本电路构成如左图所示：
输出信号波形如图右图所示。
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ViwVb输出为0
（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
其基本电路如左图所示：
输出信号波形如右图所示。
六、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，得总体电路如图所示。
MULTISIM仿真结果如下图所示:
主载波波形:
15位M序列波形图:
FSK调制信号波形:
低通滤波波形:
电压比较波形:
1ZlharT'd_1
0离¥
3.W3：
V
du
抽样判决波形:
元件清单
74LS74D
4个
7404N
4个
TL082CD
2个
74LS86D
2个
74LS04D
4个
74LS20N
1个
74LS175D
1个
74LS00D
5个
74LS107D
2个
741
2个
LM311D
1个
1DH62
2个
电阻
若干
电容
若干
导线
若干
七、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。
对FSK各部分的功能实现有了很大的理解和掌握，并观察了不同部分的输出波形，
对FSK调制的过程以及原理有了更深的理解，同时熟悉了EWB仿真软件的相关操作，提高了
动手能力和设计能力。
教师签字
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