通原课设---fsk通信系统的调制

1、武汉理工大学通信原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信12班 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目：FSK通信系统的设计初始条件：具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、完成FSK移频数据传输电路的设计，实现基带信号的FSK传输功能，收发波形一致。2、完成系统中相关调制、传输以及解调模块电路的设计。3、载波信号频率：256KHz、128KHz、峰值：5V；基带信号为M

2、序列，峰值为1V的方波。4、安装和调试整个电路，并测试出结果；5、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。时间安排： 二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要数字频率调制又称频移键控,二进制频移键控记作2FSK,数字频移键控是用载波的频率来传递数字信息，即用所传的数字信息控制载波的频率。2FSK信号是符号“1”对应于载频，“0”对应于另一载频的已调波形，而且之间的改变是瞬时完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现，模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采

3、用的实现方式，2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个独立的频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快，波形好，稳定度高且易于实现，故广泛应用。 随着电子计算机的普及，数字通信技术正在迅速发展，数字频率调制是数据通信中一种常见的调制方式，频移键控（FSK）方法简单，易于实现，并且解调不需恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性好，因此，FSK调制技术在通信行业得到广泛地运用，并且主要适用于低，中速数据传输。由于FSK调制解调原理相对简单，作为通信原理的入门学，理解FSK后可以容易理解其他更复杂的调制系统，为以后的进一步发展打下基础。关键词：FSK调制 解调 Mult

4、isim仿真AbstractDigital Frequency modulation is also called Frequency Shift Keying, a binary Frequency Shift Keying (2 FSK, digital Frequency Shift Keying is to use the Frequency of the carrier to transmit digital information, which is the preaching of digital information carrier Frequency control. 2

5、FSK signal symbol is "1" corresponds to the carrier frequency, "0" corresponds to a carrier frequency modulated waveform, but also is the change between the instantaneous. In principle, to implement the digital FM available simulation method, keying method can be used to realize

6、the simulation of FM method is to use a rectangular pulse sequence to frequency modulation of a carrier, is an early adoption of frequency shift keying communication way, 2 FSK keying method is to use the rectangular pulse sequence control switch circuit of two independent frequency source for gatin

7、g. Keying method is characterized by fast conversion, waveform is good, high stability and easy to implement, so it is widely used.With the popularization of computers, digital communications technology is developing rapidly, the digital frequency modulation is a kind of common data communication mo

8、de of modulation, frequency shift keying (FSK) method is simple, easy to implement, and demodulation does not need to restore the local carrier, can be asynchronous transmission, noise resistance and good resistance to decline, therefore, FSK modulation technology been widely used in the communicati

9、ons industry, and is mainly suitable for low and medium speed data transmission.Because of the FSK modulation demodulation principle is relatively simple, as a primer to learn communication principle, understand can easily understand other more complicated after FSK modulation system, to lay the fou

10、ndation for the further development in the future.Key Words: FSK modulation demodulation Multisim simulation目 录1 概述1 1.1 数字通信1 1.2 Multisim软件22 基本原理3 2.1 频移键控3 2.2 FSK信号的解调43 电路设计6 3.1 2FSK调制器电路的设计 63.2 信源电路的设计7 3.2.1 分频器的设计7 3.2.2 M 序列发生器7 3.3 解调电路的设计8 3.3.1 限幅、微分、整流、展宽电路设计8 3.3.2 滤波器设计 9 3.3.3 电压比

11、较器设计 10 3.3.4 抽样判决器设计 114 电路仿真 125 实物制作与调试 146 心得体会 15参考文献 16本科生成绩评定表 171. 概述1.1 数字通信随着科学技术的发展，信息时代快速的来到了人们的生活中了，而实现这一切的信息靠的都是通信系统的。通信系统的设计已经成为当今社会一门非常重要的学科，其带动了信息社会的发展，在电话通信、军事、航天等众多领域起着无比重要的作用，已经于人们的生活息息相关，可以说离开了通信系统，社会将无法正常运行。在通信系统中分为模拟通信和数字通信，模拟通信系统传输的是状态连续变化的模拟信号，数字通信系统传输的是状态离散的数字信号。目前，不论是模拟通信还

12、是数字通信，在实际的通信业务总都得到了广泛的应用。不过，近年来随着数字通信的迅速发展，数字通信在整个通信领域中所占的比重日益增长。与模拟通信相比，数字通信有许多优点，归纳起来主要有以下几点： （1）抗噪声性能好。数字通信传送的信号时数字信号，它的取值有限，因此，在有噪声的情况下，接收端易于识别。尤其在远距离传输过程中，各中继站可以对数字信号波形进行整形再生儿消除噪声的积累。此外，还可以采用各种差错控制编码方法，使抗噪声性能进一步得到提高。 （2）便于使用现代计算机技术对所传输的信息进行处理，接口问题也容易解决。 （3）数字信号易于进行加密，有利于实现通信保密。&#

13、160;（4）数字通信可以传递各种消息，使通信系统变得通用、灵活。 （5）数字通信系统中绝大部分部件采用数字电路，而近年来，由于生产技术的迅速发展，大规模集成电路已被广泛应用，因而数字通信设备容易做到体积小，功耗低，制造简单，可靠性高。 数字基带信号是低通型信号，其功率谱集中在零频附近，它可以直接在低通型信道中传输，然而，实际信道很多是带通型的，数字基带信号无法直接通过带通型信道。因此，在发送端需要把数字基带信号的频谱搬移到带通信道的通带范围内，以便信号在带通型信道中传输，这个频谱的搬移过程称为数字调制，相应地，在接受端需要将已调信号搬回来，还原为基带信号，这个反搬移过程叫

14、数字解调。1.2 Multisim软件Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个

15、完整的综合设计流程。2. 基本原理2.1 频移键控数字频率调制是数据通信使用较早的一种通信方式。由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据通信系统中得到了广泛的应用。数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字调频信号可以分相位离散和相位连续两种情形。若两上振荡器频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号；若两上振荡频率由同一振荡信号源提供，只是对其中一个载波进行分频，这样产生的两个载频就是相位连续的数字调频信号。 数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。

16、2FSK信号便是符号“1”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的。如图2.1是典型的2FSK波形。图2.1 典型的2FSK波形从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，使其能够输出两个不同频率的码元，这是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK产生的另一种方法就是键控法，也称频率选择法，是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。如图2.1是采用数

17、字键控的工程实现方法。图2.1 键控法工程实现框图2.2 FSK信号的解调数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。  包络检波法可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同,分别为（f1、f2）起分路作用，用以分开两路2ASK信号，经包络检测后分别取出它们的包络；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号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。若上、下支路包络的抽样值分别用v1、v2表示，则抽样判决器的判决准则为v1v2时，判为“1”；v1v2时，判为“0”

18、。相干检测的具体解调电路是同步检波器，两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。过零检测法是利用单位时间内信号经过零点的次数多少，来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。尖

19、脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。如图2.2.1是过零检测法的原理框图，图2.2是典型2FSK解调过程的时域波形。图2.2 过零检测法原理框图图2.2 典型解调过程的时域波形差分检波法基于输入信号与其延迟的信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性

20、能优于鉴频法。3. 电路设计 整体电路框图如图3所示。图3 整体电路框图3.1 2FSK调制器电路的设计 模拟调频法与键控法相比，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，所以本次设计的2FSK调制器部分采用键控法。如图3.1为其仿真图。图3.1 调制器电路图3.2 信源电路的设计3.2.1 分频器的设计用D触发器构成适当的分频电路，由载频f1获得载频f2和序列所需的时钟信号。本实验系统中， f2为二分频，fs为四分频。分频器的电路仿真如图所示。图3.2 分频器电路图3.2.2 M序列发生器M序列也称作伪随机序列，它的显著特点是：（a）

21、随机特性；（b）预先可确定性；（c）可重复实现。本次设计用D触发器构成四级移位寄存器组成，形成长度为24-1=15位码长的伪随机码序列。如图3.2.2.1所示。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，利用了带有两个反馈抽头的4级反馈移位寄存器，其示意图见图3.2。该电路输出的信码序列为：111100010011010。图3.2 M序列电路图图3.2 M序列产生电路示意图3.3 解调电路的设计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等方法。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f

22、2会大大增加系统的复杂度。所以本次采用非相干解调的过零检测法。过零检测法由限幅、微分、整流、展宽、滤波、电压比较、抽样判决七个模块组成。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，再经电压比较与抽样判决电路的处理，就可恢复出原数字基带信号。3.3.1 限幅、

23、微分、整流、展宽电路设计其电路图如图3.3所示。图3.3 限幅、微分、整流、展宽电路图3.3.2 滤波器设计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。其电路如图3.3所示。图3.3 滤波器电路图173.3.3 电压比较器设计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。在本设计中，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。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；

24、当输入信号电压ViVb 输出为1；当输入信号电压ViVb 输出为0。电路如图3.3所示。图3.3 电压比较电路图3.3.4 抽样判决器设计信号在传输的时候必须要有一定的波形，最容易想到的就是矩形脉冲波形，但是这样的话有一定的问题，那就是其频谱是很宽的，不利于传输，因此，必须要选择其它样式的波形进行传输，即对矩形脉冲进行码型变换和波形变换，变成一种合适在信道中传输的形式，比如正弦波。这样是可以在信道里面进行传输的。这样就要对信号进行“抽样”，得到在不同的时刻的一些离散的值，但是，由于在信号的传输过程中有各种干扰（噪声和码间串扰），不同时刻的值跟原先实际的不一定相同。比如在第一个时刻抽样得到的是0

25、.9（这样就进行所谓的“判决”，可以发现此时的值很接近1，因此，此时的信号的值就当成1，从而得到1，同样在其它的时候得到不同的抽样值根据情况判断此处原来的值到底是0还是1）。利用这种方式就可以将原来的基带信号恢复或者再生，这就是所谓的抽样判决器。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（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。过零检测中，电压比较器输出的信号必须经过码再生电路（即抽样判决电路），才能恢复出和发送端相同的非归零码。在2FSK通信系统中，抽样判决电路通常用触发器对判决信号进行抽样再生，其电路如图3.3。图3.3 抽样判决电路图其中CLK接位同步信号，D接解调信号，Q为输出端，输出已调信号，即信码。