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FSK调制解调电路的设计详解
摘要
本课程设计主要运用Multisim软件仿真平台设计进行2FSK的调制与解调系统的仿真。
在本次课程设计中先根据2FSK调制与解调原理构建调制解调电路，从Multisim工具箱中招所需各元件，合理设置好参数并运行，其中可以通过不断地修改优化得到需要信号并进行调制，之后经过锁相环解调器进行解调，分析示波器的仿真图形判断2FSK的调制解调系统仿真是否成功。
关键词：
Multisim；2FSK；调制；锁相环解调器
前言…………………………………………3
一、课程设计及内容…………………….…………..4
1.1设计任务及主要技术和要求…………………...........4
1.2内容和要求…………………………….……...4
二、基本原理……………………………….………5
2.12FSK信号的调制原理…………………………….5
2.22FSK信号的解调原理……………………………6
三、单元电路设计原理及分析…………………………8
3.1调制单元……………………………..............8
3.1.1模拟开关电路…………………………………8
3.1.2振荡电路………………………………........8
3.1.32FSK调制电路的整体电路图…………………….9
3.22FSK的解调单元………………………….......10
3.2.1非相干解调………………………………….11
3.2.2锁相环解调器………………………………..12
四、总结………………………………....……….14
参考文献………………………………….…..15
附件1元器件清单………………………………16
附件2整体仿真电路图………………….……….17
前言
数字调频又称移频键控，它是用不同的载波来传送数字信号的。
FSK信号的产生有两种方法：
直接调频法和频率键控法。
2FSK信号的产生可利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。
这正是频率键控通信方式早期采用的实现方法，也是利用模拟调频法实现数字调频的方法。
2FSK信号的另一产生方法便是采用键控法，即利用受矩形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择。
2FSK它是利用载频频率变化来传输数字信息。
数字载频信号又可分为相位离散和相位连续两种情形。
若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间的相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号；若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，是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进行控制，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的数字调制系统。
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较强，因此在低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。
键控法产生的FSK信号频率稳定度高，并且没有过渡频率，他的转换速度快、波形好。
所以本课设电路利用移频键控法，由函数信号发生器产生两个不同的载波，即为相位不同的数字调频信号，由基带信号对不同频率的载波信号进行选择。
一、课程设计及内容
1.1设计任务及主要技术和要求
（1）根据2FSK的特点，新源输入以及对应的频率自己确定；
（2）了解2FSK信号调制的；
（3）解调器用PLL；
1.2内容和要求
要求掌握单元电路：
正弦振荡器，调制、解调器，VCO
掌握调制、解调的基本原理，通过实际方案的分析比较，初步掌握简单实用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，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明书，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。
1.3目的意义
通过课程设计，使学生加强对高频电子技术电路的理解，学会查询资料，方案比较，以及设计计算等环节。
进一步通告分析解决实际问题的能力，创造一个动手动脑、独立开展实验的机会，锻炼分析，解决高频电子电路问题的实际本领，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，加深对基本原理的了解，增强学生的实践能力。
二、基本原理
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
2.12FSK信号的调制原理
FSK信号的产生有两种方法：
直接调频法和频移键控法。
直接调频法是数字基带信号直接奇偶内阁制载波振荡器的振荡频率。
虽然方法简单，但频率稳定度不高，同时转移速度不能太高。
频移键控法有两个独立的振荡器。
数字基带信号控制开关，选择不同频率的高频振荡信号，从而产生FSK调制。
（c）相位连续（d）相位不连续
图2.22FSK信号调制方法
本设计采用键控法产生2FSK信号，即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：
图2.3键控法产生2FSK信号原理框图
图2.4频移键控法产生波形
移频键控是利用载波的频率变化来传递数字信息，而且振幅不变。
在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号的频率在f1、f2两个频点之间变化。
此次课程设计采用开关法产生2FSK信号，则分别由两个独立的频率源产生的信号，故相邻码的相位不一定是连续的，如图2.4。
2.22FSK信号的解调原理
2FSK信号的解调方法有：
包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等。
锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化,环路锁定后输入参考信号和输出参考信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益被控制在所需数值范围内.这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性.利用此特性可以做载波跟踪型锁相环及调制跟踪型锁相环。
为了实现信息的远距离传输，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的解调就是用携带信息的输出信号来还原载波信号的参数，载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，解调有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。
调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。
调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份，继而获得随调制信号频率变化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。
其原理框图如图3.
图2.5锁相环解调
三、单元电路设计原理及分析
要将NRZ码经过2FSK调制成为2FSK信号，我们采用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立的频率源的真的作为输出。
键控法产生的FSK信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。
3.1调制单元
3.1.1模拟开关电路
输入的基带信号由转换开关分成两路，一路控制f1=32KHz的载频，另一路经倒相去控制f2=16KHz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=32KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关2开通。
此时输出f2=16KHz，于是可在输出端得到FSK已调信号。
图3.1模拟开关电路4066芯片
调制电路利用模拟开关CD4066实现输入基波信号控制模拟开关的通断，通过模拟开关把不同频率的载波叠加的一起实现调制目的。
3.1.2振荡电路
图3.2振荡电路
电路中的两路载频由内时钟信号发生器产生，经过开关K901、K902送入。
两路载频分别经射随、LC选频、射随再送至模拟开关。
LC选频电路函数：
3.1.32FSK调制电路的整体电路图
图3.32FSK调制电路的整体电路图
图3.4Multisim仿真结果
图中蓝色波形为已调制2FSK信号
3.22FSK的解调单元
图3.5非相干解调原理框图
图3.6相干解调原理框图
3.2.1非相干解调（包络检波）
2FSK的非相干解调由带通滤波器、包络检波器、低通滤波器构成，包络检波器直接从已调信号中提取基带信号的数字序列。
下图为二极管包络检波。
图中C6、R11、R12组成二极管包络检波器，L2、C8、R10构成带通滤波器，C2、R12是低通滤波器
图3.7二极管包络检波
图3.8Multisim仿真结果图
图3.8中红色波形为解调信号，蓝色为判决门限电平，绿色波形为最终经过低通滤波器的信号波形
3.2.2锁相环解调器
2FSK集成电路模拟锁相环解调器性能优越，价格低廉，体积小。
2FSK锁相环解调器中的集成锁相环选用了集成电路内有两个数字式鉴相器、一个压控振荡器（VCO），还有输入放大电路等，环路低通滤波器接在集成电路的外部。
压控振荡器的中心频率设计在32KHz，适当选择环路参数，使它对32KHz锁定，对16KHz失锁，则在解调器输出端得到解调输出的基带信号序列。
下图中R12、R14、V10、V11为压控振荡电路，R10、C6组成低通滤波器
图3.9锁相环解调电路图
图3.10Multisim仿真结果图
四、总结
本次课程设计我的题目是二进制频移键控（2FSK）调制电路的设计。
在理解了2FSK调制电路的工作原以后，我和本小组的同学着手运用multisim对我们所设计出的原理电路进行了仿真，在仿真基础上购买了芯片，用硬件来实现这次试验的设计。
我们一共使用了74LS04以及CD4066多路复用开关，查出了它们的管脚图和基本工作原理和各引脚功能，在陈老师的指导下进行了电路的连接，这次硬件仿真的结果出现了波形，可是波形没有我们理论的波形那样完美，存在一定的误差。
分析原因是电阻电容的近似替代导致了部分波形的输出截止失真，后来经过认真检查总算作出了理想的波形输出。
设计过程中我们查阅了大量的有关高频电子线路设计的书籍，巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
尽管设计中用到的知识和相关软件是以前也开过专门的课。
但一直缺少理论指导实际的机会。
真正当我们拿到设计课题开始设计，或者在设计中遇到了一些问题的时候，才能发现当时学习的薄弱环节所在。
或者说我们才真正了解到我们最需要补充的知识是什么。
而这种时候恰恰是我们最能学到东西的时候。
因为这个时候是主动的学习，而不是平时上课是很被动的跟着老师的思维走。
学习自己急切需要的知识总是效率比较高的。
同时，这个过程也会使我们体验到成功的乐趣。
哪怕是很小的问题，通过自己的思考解决之后，也会有一定成就感。
在设计过程中，我对以前学过的相关课程的教材甚至比上课的时候还要熟悉。
正是有了这种求知欲的支配，才保证了我们能在规定时间内完成设计所要求的内容。
而且课程设计是个眼，手，脑全面动作的过程，在其中得到的很多东西是课堂上不会有的。
另外，设计的过程也是一个合作与分享的过程。
同样的设计要求，不同的人有不同的思路，可能也就会产生不同的结果。
但如果你有一种思想，我有一种思想，那么交换后，我们将都拥有两种不同的思想。
这段话充分说明了分享对于理论研究的重要意义。
还有一些比较难的一个人不容易解决的问题，通过大家的努力也会迎刃而解。
从而可以节省个人时间，提高了整个队伍的工作效率。
因为每个人都有自己擅长的部分，很好地发挥各人的特点，会使工作变的轻松而有趣。
而在现代公司的招聘细则里，常常会写着对于团队意识方面的要求。
而课程设计也是我们毕业前很好的培养和锻炼这种意识的机会。
最后，要感谢一直特别细心和耐心指导我们的老师：
您辛苦了！
正是您的指导，使我们的思路豁然开朗，使得我们少走了不少弯路，极大地提高了工作效率。
我想，通过两个礼拜的课程设计，我不仅完成了设计内容，更重要的是学到了很多课堂上得不到的东西。
这里也感谢学校提供给我们这样的机会。
谢谢！
参考文献
[1]《通信电子线路》主编：
刘泉武汉理工大学出版社
[2]《电子线路设计、实验、测试》主编：
谢自美华中理工大学出版社
[3]《电子技术基础.数字部分》主编：
康光华高等教育出版社
[4]《通信原理》樊昌信，曹丽娜编著国防工业出版社，2008
[5]《电脑辅助电路设计－multisim》主编：
韦思健中国铁道出版社.1995
[6]《扩展频谱通信及其多址技术》编著：
曾兴雯等西安电子科技大学出版社2004.5
[7]《高频电子线路》主编：
廖惜春华南理工大学出版社
[8]《通信原理》主编：
樊昌信国防工业出版社
[9]《通信电子电路》主编：
于洪珍北京清华大学出版社,2005.
[10]《通信电子线路》主编：
钱聪陈英梅北京人民邮电出版社,2004.
[11]《MultiSim进行电子电路设计的教学研究》主编：
余群成都实验科学与技术
附件1：
元器件清单：
元件序号
型号
主要参数
数量
BG901/902/903/904
4
E901/902/903/904
47μF
4
L901
6.8mH
1
L902
8.2mH
1
C901
5100P
1
C902
15kP
1
W90
10kΩ
2
R901/907
33K
2
R902/908/904/905/910/911
22K
6
4066
CD406
VDD-0.5to+18V
VIN-0.5toVCC+0.5V
1
U904A
74LS04
VCC+4.5Vto+5V
1
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