2FSK调制解调电路设计.docx
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2FSK调制解调电路设计
课程设计
题目2FSK调制解调电路的设计
学院名称电气工程学院
指导老师陈和
班级电子信息工程093班
学号***********
学生姓名 高圣
二0一二年六月
目 录
摘 要
本文采用锁相环专用集成电路NE564，实现了2FSK调制电路和解调电路的设计。
本设计首先对本次设计的思路进行的阐述，对数字调制解调的基本原理、集成电路NE564的内部结构及基本工作原理进行了详细的介绍，并基于NE564设计了2FSK调制解调电路，最后详细给出了制作电路的步骤和方法以及在制作过程当中的问题，得出的结论。
测试表明，该电路的中心频率f0=5MHz，在Uim≥1V，及无外部干扰，解调后误码率为0。
关键词 2FSK；调制；解调；NE564；CD4016
第1章 绪 论
“锁相环技术”是近几年来迅速发展起来的一门技术，由于它的环路结构简单，性能良好。
在许多新型的电子设备中，特别是在通信系统中，得到广泛的应用。
随着通信技术的发展，锁相环技术在调制解调中扮演着越来越重要的角色。
锁相环技术所以能得到这么广泛的应用，是由于其独特的优良性能所决定的。
本设计用到的锁相环的跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器，它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。
在数字通信系统中，由于数字信号具有丰富的低频成分，不宜进行无线传输或长距离电缆传输，因而同模拟调制一样，需要将基带信号进行高频正弦调制，即数字调制。
与模拟调制相比，数字调制并无本质区别，都属于正弦波调制，但是数字调制系统也有自身的特点，其技术要求与模拟调制系统也有不同。
一般来说，数字调制技术可分为两种类型：
一是利用模拟方法实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；二是利用数字信号的离散取值特点去键控载波，从而实现数字调制，这种方法通常称为键控法。
常用的数字调制方式有振幅键控（2ASK）、移频键控（2FSK）、移相键控（2PSK）等。
随着科技的发展，电子产品市场运作节奏也进一步加快，涉及诸多领域的现代电子技术已迈入一个全新的阶段，如何把锁相环的强大优势发挥出来，就是目前电路研究发展的方向了。
把锁相环技术应用与高频2FSK信号的接收解调中，从而使电路性能得到进一步的改善，这对数字电路来说也算是个不小的突破。
第2章 方案设计
2.1 方案比较
2FSK信号波形图如2-1图所示，它是由调制信号去控制载波信号，用载波的频率来传递数字信息，即用所传递的数字消息控制载波的频率。
图2-12FSK信号波形图
根据设计要求及相关技术指标，可拟定键控法、模拟调制法等两种方案。
2.1.1 键控法
调制器选用图2-2所示方案，采用石英晶体振荡器构成两个不同频率的载波发生器，用模拟双向开关CD4016实现开关1和开关2，最后用集成运放构成加法电路，最终实现2FSK调制。
解调器选用图2-3所示方案，以LC谐振回路实现带通滤波，然后用两个模拟乘法器实现相干解调，最后用集成运放构成抽样判决器，实现2FSK信号的解调。
图2-2 2FSK信号键控法产生原理框图
图2-3 2FSK相干解调法原理框图
2.1.2 模拟调制法
采用图2-4、图2-5所示方案实现模拟调制解调，以高频锁相环NE564为主体，辅以适当外围元件即可实现。
若要构成适用的发射器及接收器，只需增加合适的发射功放及接收滤波、解调放大电路即可。
图2-4 2FSK信号模拟调制法产生原理框图
图2-5 2FSK模拟解调法原理框图
设计基本原理和系统框图
2FSK系统分调制和解调两部分。
（1）调制部分：
2FSK信号的产生方法主要有两种。
第一种是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，如图2-2所示，使其能够输出两个不同频率的码元。
第二种方法是用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，如图2-3所示。
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，如图所示；而开关法产生的2FSK信号，则分别由两个独立的频率源产生不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续，如图所示。
本次设计用键控法实现2FSK信号。
表现为：
（a）相位连续（b）相位不连续
（2）解调部分：
2FSK信号的接收主要分为相干和非相干接收两类，本次设计采用非相干法（即包络解调法），其方框图如下。
用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1和f2的高频脉冲，经过包络检波后分别取出它们的包络。
把两路输出同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。
2.2 方案论证
比较而言，选用模拟调制法更为经济、可靠，它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。
而高频模拟锁相环NE564的最高工作频率可达到50MHz，采用+5V单电源供电，特别适用于高速数字通信中2FSK、FM调频信号的调制、解调，无需外接复杂的滤波器。
实际上，此法案是几年前流行的一种方案。
就目前接收机技术来说，锁相环因为起得天独厚的性能优势，在接收机技术上可以有广阔的发展前景。
但是因为发送信号的频率比较高，那么如何能够把这种信号很好的解出来，这成了锁相环技术的一种考验。
本文主要就是研究利用锁相环，接收高频信号，并把它解调出来。
模拟调制法的设计就是在目前接收解调以及锁相环技术的蓬勃发展下，把锁相环技术运用与接收解调中，抛弃原来的纯分离元器件电路，而是利用高频锁相环集成电路NE564，从而把原始信号更好的还原出来。
利用锁相环集成电路不但使电路更加简单，而且性能更好，充分体现了集成电路的优势。
在未来的世界，锁相环电路将在通信领域大放光彩。
随着集成电路技术的发展，目前市面上已有多类专用2FSK收发芯片，如Microelectronic Integrated Systems公司的TH7108、TH71112、MICRF500芯片等。
第3章 硬件设计
要求使用高频模拟锁相环NE564为基础，设计2FSK的调制解调电路。
3.1 器件介绍
3.1.1 NE564介绍
高频模拟锁相环NE564是Philips Semiconductors公司（荷兰菲利浦公司的产品，同类国产产品的型号有XD564、L564等。
NE564最高工作频率可达到50MHz，采用+5V单电源供电，特别适用于高速数字通信中FM调频信号及2FSK移频键控信号的调制、解调，而无需外接复杂的滤波器。
NE564采用双极性工艺，其外部引脚图和内部组成框图分别如图3-1和图3-2所示。
其中，A1为限幅器，可抑制FM调频信号的寄生调幅；相位比较器（鉴相器）PD的内部含有限幅放大器，以提高对AM调幅信号的抗干扰能力；外接电容C3、C4组成低通滤波器，用来滤出比较器输出的直流误差电压的纹波；改变引脚的输2入电流可改变环路增益；压控振荡器VCO的内部接有固定电阻R（R=100Ω），只需外接一个定时电容Ct就可产生振荡，振荡频率fv与Ct的关系曲线如图3-12所示。
VCO有两个电压输出端，其中VCO01输出TTL电平，VCO02输出ECL电平。
后置鉴相器由单位增益跨导放大器A3和施密特触发器ST组成，其中，A3提供解调FSK信号时的补偿直流电平及用作线性解调FM信号时的后置鉴相滤波器；ST的回差电压可通过引脚16外接直流电压进行调整，以消除输出信号TTL0的相位抖动。
图3-1 NE564的外部结构
图3-2 NE564的内部组成框图
由图3-1可知，NE564为双列直插16脚封装，各引脚的功能如表3-1所示。
表3-1 NE564引脚的功能
引脚
编号
英文缩写
引脚功能
引脚
编号
英文缩写
引脚功能
1
V+1
VCC，接+5V
9
VCO01
VCO输出1，TTL电平
2
LGC
环路增益控制端，电流约为200uA
10
V+2
VCC，接+5V
3
PC1
鉴相器输入端，来自分频器，占空比50%
11
VCO02
VCO输出2，ECL电平
4
LF
环路滤波引出端
12
FC1
振荡频率设置电容引出端
5
LF
环路滤波引出端
13
FC1
振荡频率设置电容引出端
6
RF1
信号输入端，占空比50%
14
AN0
模拟输出端（用于调解输出）
7
BF
偏置滤波输入端
15
HYS
延迟设置端
（设置门限值）
8
GND
地端
16
TTL0
TTL电平输出端（调解输出）
3.1.2 2CD4016介绍
CD4016为4个独立的双向模拟开关，控制输入端在输入高电平时模拟开关导通，低电平时截止。
输入输出为双向，即可以由IN/OUT到OUT/IN，也可以反过来，此芯片广泛用于信号开关，削波，调制解调电路中。
其引脚排列如图3-3所示，及内部结构如图3-4。
图3-3 CD4016外部引脚图
图3-4 CD4016内部结构
3.1.3 锁相环的基本工作原理
锁相环路的系统框图如图3-5所示，由鉴相器PD（PhaseDetector）、环路滤波器LF（LoopFilter）和压控振荡器VCO组成的，其中LF为低通滤波器。
图3-5 锁相环的基本组成框图
各部分功能如下：
（1）鉴相器PD：
鉴相器是一个相位比较器，完成对输入信号相位与VCO输出信号相位进行比较，得误差相位φe（t）=φi（t）-φo（t）。
（2）环路滤波器LF：
环路滤波器（LF）是一个低通滤波器（LPF），其作用是把鉴相器输出电压ud（t）中的高频分量及干扰杂波抑制掉，得到纯正的控制信号电压uC（t）。
（3）压控振荡器VCO：
压控振荡器是一种电压-频率变换器，它的瞬时振荡频率ωo（t）是用控制电压uC（t）控制振荡器得到，即用uC（t）控制VCO的振荡频率，使ωi与ωo的相位不断减小，最后保持在某一预期值。
当锁相环路处于“失锁”状态时，ui（t）和uo（t）进行相位比较，由PD输出一个与相位差成正比的误差电压ud（t）。
ud（t）经LF滤波，取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量uC（t）作为控制电压。
显然，uC（t）也将随着相位差的变动作相应变化。
uC（t）加到VCO上，从而控制VCO的振荡频率，使ωo不断改变，ui（t）和uo（t）的相位差不断减小，直至锁相环路进入“锁定”状态。
3.1.4 相位模型介绍
在锁相环路当中，鉴相器用作相位比较，其原理框图如图3-6所示。
由图可知，鉴相器的输入信号分别为环路的输入信号Ui（t）和压控振荡器的输出信号Uo（t）输出信号为与上述两个信号瞬时相位差成正比例的误差信号Ud（t）。
Ud（t）的大小将依据鉴相器的类型而定，常见的鉴相器有乘积型和叠加型，前者一般采用模拟乘法器实现。
设输入电压信号Ui（t）的角频率为Wi，瞬时相位Ei（t），压控振荡器的输出信号Uo（t）的频率为Wo，瞬时相位Eo（t），环路的参考输出频率即基准频率为Wr，鉴相器应该满足下列条件：
（1）当锁相环路处于“锁定”状态时，Wi=Wo=Wr，鉴相器无输出电压。
（2）锁相环路处于“失锁”状态时Wi=Wr+Ei（t）/dt，Wo==Wr+Eo（t）/dt。
Ui（t）
Ud（t）
Uo（t）
图3-6鉴频器框图
可得输出信号与输入信号可表示为：
Ui=Uimcos（∫Widt）=Uimcos[Wrt+Ei（t）+Eo]（3-7）
Uo（t）=Uomcos（∫Wodt）=Uomcos[Wrt+Eo（t）]（3-8）
经过环路滤波器滤波后输出控制电压为：
Ud（t）=1/2UimUomsin[Ei（t）-Eo（t）]
=Adsin[Ei（t）-Eo（t）]（3-9）
可见，鉴相器输出信号是一个关于Ui（t）与Uo（t）相位差的函数
由式（3-7）可得鉴相器的电路模型如图3-6所示。
这个模型表明，鉴相器具有把相位转换为误差电压输的作用，其处理对象是Ei和E0，而不是信号Ui（t）与Uo（t），这个是电路模型与组成框图的区别。
3.1.5 环路滤波器介绍
环路滤波器实际上是一个低通滤波器，其作用是滤除鉴相器的输出误差中的高频分量及干扰分量，而让其中的低通分量或直流分量通过，得到控制电压，以保证环路所需求的性能并提高环路的稳定性，因此对锁相环路的性能有影响。
3.1.6 压控振荡器介绍
在锁相环路中，压控振荡器的作用是产生频率随控制电压∪c（t）而变化的振荡电压∪0（t）。
压控振荡器瞬时振荡频率ω0随控制电压∪c（t）变化的曲线，称为压控振荡器的调频特性曲线。
一般情况下，调频特性曲线是非线性的，如下图所示，但是，在∪c（t）的某一范围内，ω0与∪c（t）之间近似为线性关系，即
ω0=ωr+A0∪c（t）（3-10）
式中，ωr表示∪c（t）=0时压控振荡器的固有振荡频率；A0为比例系数，又叫压控灵敏度，单位为rad/（s·v）。
3.2 2FSK调制电路设计
利用锁相环VCO输出信号频率随输入信号大小而变化的特点，可将待传输调制信码直接送入NE564的VCO输入端，从而可以实现2FSK调制。
图3-11是NE564构成的2FSK调制器电路。
调制信码从双态信号控制CD4016模拟开关13脚输入，NE564的6脚电压在5V与1.42V之间转换（即5V×[R6/（R5+R6）]=1.42V），经缓冲放大器A1及相位比较器PD中的放大器放大后，直接控制VCO的输出频率。
因此，9脚输出的是2FSK信号。
图3-11 NE564构成的2FSK调制电路
PD输出端不再接滤波电容，而是接电位器RP1，用于调整环路增益并可细调压控振荡器的固有频率fv，fv与Ct的关系如下图所示。
图3-12 fv与Ct的关系曲线
C1是输入耦合电容，R1、C2组成差分放大器A1的输入偏置电路滤波器，可滤除调制信码中的杂波。
R2（包含电位器RP2）对引脚2提供输入电流I2，可控制环路增益和VCO锁定范围，R2与电流I2的关系可表示为：
（3-13）
I2一般为200uA。
调整时，可先设置I2的初值位100uA，待环路锁定后再调节电位器RP2使环路增益和压控振荡器的锁定范围达到最佳值。
R3是压控振荡器输出端必须接的上拉电阻，一般为几千欧姆，这里取2KΩ。
R4是VCO输出ECL电平和鉴相器输入端之间的限流电阻，可取值3KΩ。
压控振荡器的固有振荡频率可表示为：
（3-14）
若已调2FSK信号中心频率fv=5MHz，则Ct=90pF（可取标称值82pF与8.2pF可调电容并联构成）。
若调制信码的波特率为500kBaud，则9脚输出2FSK信号频率范围为fo=5±1MHz。
3.3 2FSK解调器电路设计
NE564构成的2FSK解调器电路如图3-15所示。
已知输入信号vi的频率fi=5±1MHz，调制信码（由“0”、“1”组成的方波）的频率fo=500kHz。
已调制信号直接送入NE564的VCO输入端，与压控振荡器输出的5MHz（9脚输出）进行相位比较，输出信号经环路滤波后由A2放大，从16脚输出解调后的方波（TTL电平）。
电阻R6和电位器RP2用于调整施密特触发器的回差电压，可改善输出方波的波形。
R7为上拉电阻，增加R7的值亦可改善输出波形。
由于输入信号的频率fi=5±1MHz，解调时必须使压控振荡器工作在4~6MHz并保证NE564锁定，此时16脚输出才为高电平“1”；超出此范围失锁，则16脚输出为低电平“0”。
因此，压控振荡器的固有振荡频率fv和捕捉带Δfv必须十分准确。
由已知条件可得：
压控振荡器的固有振荡频率fv=5MHz，Δfv=fimax-fimin=2.0MHz。
由式（3-14）得Ct=90pF，可取标称值82pF与8.2pF可调电容并联，以便精确调整固有振荡频率，使fv=5MHz。
外接电容C3、C4与内部两个对应电阻（阻值R=1.3KΩ）分别组成一阶低通滤波器，其截止角频率可用下式描述：
（3－16）
滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响，由于本例输出信号频率较高，低通滤波器的截止角频率也要相应提高，计算可取C3=C4=300pF。
制作实物电路时可通过观测4脚和5脚的输出波形调整电容的值，使输出波形更为清晰。
电容C6的作用事滤除内部单位增益跨导放大器A3输出的补偿直流电压中的交流成分，因此，对C6的耐压有一定要求，通常取耐压大于电源电压的电解电容，这里取C6=10uF/8V。
C7和C8为电源滤波电容，一般取0.2uF。
总 结
这段时间的课题设计在忙忙碌碌中一晃而过。
刚开始，我们头绪不是很清楚，不知道从哪里入手，但通过老师的耐心指导并和同学认真研究设计课题，跑图书馆查资料、确定基本设计方案、对所用芯片功能进行查找、调试、上机仿真等，经历了一次次的困难，却积累了很多宝贵的经验。
在整个设计的过程中遇到的问题主要有以下三点，第一：
基础知识掌握的不牢固，主要表现在一些常用的电路的形式和功能不清楚，对书本上的内容理解不够透彻。
第二：
对一些常用的应用软件缺少应用，体现在画电路图和系统的仿真的时候，对这些软件的操作不熟练，浪费了很多时间。
第三：
相关知识掌握的不够全面，缺少系统设计的经验。
这次设计进一步端了我的学习态度，学会了实事求是，严谨的作风，对自己要严格要求，不能够一知半解，要力求明明白白。
急于求成是不好的，我有所感受。
如果省略了那些必要的步骤，急于求成，不仅会浪费时间，还会适得其反。
我觉得动手之前，头脑里必须清楚该怎么做，这一点是很重要的。
就目前来说，我的动手能力虽然差一点，但我想，通过我的不懈努力，在这方面，我总会得到提高。
这一点，我坚信。
因为别人能做到的，我也一定能做到。
在此次设计中我最大的体会就是进一步认识到了理论联系实践的重要性。
一份耕耘，一份收获。
通过这段时间的设计，让我明白科学的思维方法和学习方法是多么重要，只有这样才能够有很高的效率，才能够让自己的工作更完美。
总而言之，此次课题设计让我学到了好多平时在课堂上学不到的东西，增加了我的知识运用能力，增强我的实际操作能力。
谢谢老师给我们提供这么好的机会，为我们之后走向社会奠定了一个好的基础。
本次设计让我学到了很多，也学会到了要怎么样去面对困难，不要对知识一知半截，要有的求实的能力，通过老师的帮助我学到了很多在平时的没有注意到的动东西及知识，更美没有深入的的去理解，通过这次我要更加的明确自己。
更要注重自己在各方面的锻炼能力，把握机会。
这次的设计非常的感谢老师给我们这个机会。
参考文献
[1] 张肃文．高频电子线路．北京：
人民教育出版社，1979
[2] 郑应光．模拟电子线路
（一）．南京：
东南大学出版社，2000
[3] 阎石．数字电子技术基础．北京：
高等教育出版社，2005
[4] 于安红．简明电子元器件手册．上海：
上海交通大学出版社，2005
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中国劳动社会保障出版社，2008
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