FFSK调制解调论文设计

1、基于基于 CM X469A 的的 FFS K 调制解调器设计与应用调制解调器设计与应用摘要摘要 ：本课题主要内容是在介绍信号、调制和解调的基本原理，对调制、解调及其形成的波形从理论上作一定的分析和讨论；着重于介绍调制器的电路原理及设计方法。本课题提出一种用 AT89C2051 单片机控制 CMX 469A 集成芯片实现 FFSK 调制解调器的设计方法 , 并应用于点对点的数据传输系统 。结果表明 ： FFS K 调制解调器具有相位连续 、包络恒定的特征 , 频带利用率优于一般 FS K 和 PS K /D PS K。 关键词关键词 ：快速频移键控；单片机；：快速频移键控；单片机；AT89C20

2、51；CMX469A；调制解调器；调制解调器Abstract: The main contents of this issue is to introduce signal modulation and demodulation of the basic principles of modulation, demodulation and waveform shape for a certain theoretical analysis and discussion; focus on introducing the principle of the modulator circuit and

3、 design method. The subject of a single-chip AT89C2051 with CMX 469A control FFSK integrated modem chip design methodology, and applied to point-to-point data transmission systems. The results showed that: FFS K modem with a continuous phase, constant envelope characteristics, bandwidth efficiency i

4、s superior to the general FS K and PS K / D PS K.Key words: fast frequency shift keying; modem; single-chip microcomputer; ；AT89C2051；CMX469A；1概述概述 .31.1课题背景.31.2课题简介.41.3数字调制的特点及分类.41.4关键元器件介绍.61.4.1AT89C2051单片机.61.4.2CMX496A简介.72FFSK 数字调制数字调制.92.1二进制数字调制原理.92.1.1调制定理.92.1.2基本原理.102.2二进制振幅键控（2ASK）.

5、112.2.1二进制振幅键控的调制与解调.112.2.2单边带和残余边带调制的概念.122.3二进制移频键控（2FSK）.122.3.12FSK信号的产生和解调.122.4二进制移相键控.132.4.1二进制移相键控及二进制差分相位键控（2PSK）及（2DPSK）.133FFSK 数字解调数字解调.153.1FFSK 解调原理 .153.1.1基带差分解调.153.1.2中频差分解调.173.1.3鉴频器解调.183.2非相干解调与相干解调性能比较.193.3信道非线性对线性调制的影响.203.4FFSK 的误码性能分析 .204FFSK 调制解调器的系统总体设计调制解调器的系统总体设计.22

6、4.1功能模块介绍.224.2FFS K信号特点与调制解调方法.225FFSK 调制解调功能模块设计调制解调功能模块设计.245.1单片机 AT89C2051 与 CMX469A 接口模块设计.245.2码变换器.265.3多路分频器（2、4、8、16 分频）.265.4滤波器 A 和滤波器 B .285.5放大器.285.6信号调制.295.6.12FSK、2ASK调制.295.6.22DPSK与2PSK调制.316系统软件设计系统软件设计 .326.1系统发射与接收流程图.326.2软件设计思路.337总结及致谢总结及致谢 .357.1小结.357.2致谢.358参考参考文文献献 .369

7、附录附录 .37附录一：总原理图.37附录二：元件清单.37附录三：程序清单.381概述概述1.1 课题背景课题背景无线通信在现代社会中起着举足轻重的作用。从日常生活到航空航天，从工商业运作到军事领域，无线通信得到了越来越广泛的应用。自十九世纪末马可尼发明无线电报以来，无线通信己经历了一百多年的发展，形成了各种各样的通信模式与体制，如卫1星通信系统，微波中继通信系统，蜂窝移动通信系统，无线寻呼系统，集群通信系统等等。调制方式更是种类繁多，如模拟调制的AM、DSB、SSB、FM等；数字调制的ASK、PSK、FSK等。数字调制的三大类还包含许多适用于不同场合的具体调制技术。现代数字调制技术的发展，

8、使得传输速率和频谱的利用率进一步得到提高，功率更加节省。在相同的码元速率下，多进制系统的信息传输速率显然比二进制系统高，但信息速率的提高是以牺牲功率为代价的。显然增大码元宽度，就会增加码元的能量，同时也减少了由于信道特性引起的码间串扰等。恒包络调制适用于限带非线性信道中，能有效地防止非线性引起的幅频效应，节省功率，提高频谱的利用率。多进制调制和恒包络调制这两种技术结合在一起能取得更好的调制效果。对于数字蜂窝系统，调制技术决定了每km用户数、发送率和频带利用率(指信道带宽上每秒每赫兹可发送的bits数目)。当选择相配的蜂窝调制技术时，一定要考虑高功率效率、高带宽利用率、低输出边带辐射、对多径衰落

9、低灵敏度、常数包络、低成本、实现容易等因素。当然不可能选择一种具有所有优点的调制方法，实际上每种方法都3有一定的局限性，并且相互制约。比如说高的带宽利用率需要很大的信号装置，并且在信号发送时需要加大发射功率。而 FFSK调制解调在性能上要优于FSK、ASK、PSK等调制方式。1.2 课题简介课题简介在短距离数据传输中 , FS K (频移键控 ) 与PSK /DPS K (相移键控 /差分相移键控 ) 是常用的调制方式 。随着通信和微电子技术的发展 , 频谱利用率更高 , 传输速率更快的单片集成 FFS K (快速频移键控 ) 电路的成功开发 , 使得数据采集信电路的成功开发 , 使得数据采集

10、信号测控等需要数据传输的应用领域有了更好的解决方案。文中分析了 FFS K 调制解调原理 , 提出了一种用 AT89C2051单片机控制 CM X 469A 集成芯片实现 FFS K 调制解调器的设计方法 , 并应用于粮库安全数据监测系统 。结果表明 ：FFS K 调制解调器具有相位连续 , 包络恒定的特征 , 频带利用率优于一般 FS K 和 PS K /D PS K。本系统主要阐述的是FFSK调制与解调电路的设计。数字调制与解调技术在数字通信中占有非常重要的地位。为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制，并进行解调。1.3数字调制的特点及分类数字调制的特点及分类通信按照

11、传统的理解为信息的传输与交换。在当今的信息社会，通信则与传感、计算技术紧密结合，成为整个社会的高级“.神经中区”。没有通信，人类社会是不可以想象的。一般来说，社会生产力水平要求同信水平与之相适应。若同信水平跟不上，社会成员之间的合作就受到限制，社会生产力的发展也必然最终的受到限制。可见通信是十分的重要的。中国电信市场全局性的战略重组基本完成，电信业迅速发展，并呈现出四方面的发展趋势。据信息产业部公布的信息，截止到2003年第一季度，全国电话总数达到4.47亿户，其中固定电话用户2.26亿户，移动电话用户2.21亿户。据估计，2003年6月份移动电话用户数将超过固定电话用户数。中国通信网络规模容

12、量目前已跃居世界第一位。在信息产业部确定的2003年中国信息产业宏观调控计划中，2003年中国通信业务收入将达到5067亿元，增长11%，其中，电信4510亿元。通信固定资产投资2100亿元，发展固定电话用户3300万户，移动电话用户5200万户，移动电话普及率将达到21%。这一计划表明中国电信产业的发展前景依然广阔。在实际的通信系统中不少都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的某些参量随基带信号的变化而变化，即所谓调制。从原理来说，受调载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。但实际上，大多数数字 通信系统中，都选择正弦信号作为载波。因为

13、正弦信号形式简单，便与产生与接收。和模拟调制一样，数字调制也有调幅、调频和调相三中基本形式，并可以派生出多种形式。数字调制与模拟调制相比，其原理并没有什么区别。不过模拟调制是对载波的参量进行连续的调制，在接收端对载波信号的调制参量连续地进行估值；而数字调制都是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。因此，数字调制信号也叫键控信号。在二进制时的振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、移相键控（PSK）三种基本信号形式。 1 0 0 1 s(t) t2ASK t振幅键控100 1 s(t)t 2FSKt f1 f2 f2 f1移频键控 10 0

14、1s(t) t2PSK t 0 0移相键控图 11 三种调制波形根据已调信号的频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线性调制和非线性调制。在线性调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过频率位置搬移了；在非线性调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，不是简单的频谱搬移，而是有其他新的频率成分出现。振幅键控属于线性调制，而频移键控和相移键控属于非线性调制。可见，这些特点与模拟调制时也都是相同的。1.4 关关键键元元器器件件介介绍绍1.4.1 AT89C2051 单片机单片机 AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的

15、只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可 为您提供许多高性价比的应用场合。 AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。 同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定

16、时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。 主要功能特性： 兼容MCS51指令系统 2k可反复擦写(1000次）Flash ROM 15个双向I/O口 6个中断源 两个16位可编程定时/计数器 2.7-6.V的宽工作电压范围 时钟频率0-24MHz 128x8bit内部RAM 两个外部中断源 两个串行中断 可直接驱动LED 两级加密位 低功耗睡眠功能 内置一个模拟比较放大器 可编程UARL通道 软件设置睡眠和唤醒功能1.4.2 CMX496A 简介简介1.4.2.1 CMX469A

17、 的主要特点的主要特点是(公司新推出的全双工无线芯片)它采用工艺制造，工作电压为，当电源电压为时，它的典型工作电流为，数据传输速率可设定为 、 和。在这三种波特率下，逻辑高、低电平的频率相应为，。采用快速移频键控调制方式，可广泛应用于无线通讯系统中（例如水文检测系统、船载监控系统等）。的主要特性如下：具有独立的发送、接收使能控制；可以接外部或晶振;可选择三种波特率：、（传输时，需要外接晶振）；具有载波检测、接收时钟故障恢复功能；低电压、低功耗（电源为时，典型工作电流为；节能模式下，供电电流只有）；抗干扰性能优良，在信号条件比较差的情况下具有优良的灵敏度，同时可通过外部电容设置载波检测周期，以使

18、器件在高噪音环境下具有更完善的性能。1.4.2.21.4.2.2CMX469A 的引脚说明的引脚说明有脚、脚、脚三种封装，这三种封装的对应引脚不同。表是脚封装所对应的引脚功能介绍，其余两种封装只是引脚序号不相同。表1 CMX469AD3的引脚说明引 脚名 称类 型功 能 描 述1CLOCK/XTALI片内振荡器的输入端或外部时钟输入端2XTALNO片内振荡器的输出端3Tx SYNCO发送同步时钟输出4TxSIGNALOFFSK/MSK信号输出5TxDATAI发送数据串行输入端6TxENABLENI发送使能7BAND PASSRX带通滤波器输出8RxENABLEI接收使能9VBIASBI偏置电压

19、输出10VSSP地11UNCLK DATAO接收异步数据输出12CLK DATAO接收同步数据输出13CD OUTO载波检测输出14RxSIGNALIFFSK/MSK信号输入15RxSYNCO接收同步时钟输出16BAUD SELECTI1200/2400波特率选择17BAUD SELECTI4800波特率选择18COLOCK RATEI4.032MHz/1.008MHz外晶振选择19CD TIME CINSTANTBI载波检测响应时间调整端，影响抗干扰能力20VDDP接电源2.75.5V2FFSK 数字调制数字调制2.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理2.1.1 调制定理调制定理在通信系

20、统中，常常会遇到基带信号 f(t)和余弦信号 cosct 相乘的情况，如图 2-1 f(t)f(t)cosct cosct图 2-1 F()- mm 0 0 mm(a) (cos(cosc ct)t)-c0c(b) f(t)cosf(t)cosc ctt1/2F(+c)1/2F(+c)-c0c(c )图 2-2 调制定理示意图这里所得乘积信号 f(t)cos ct 的频谱和信号 f(t)的频谱 F()之间有如下关系 f(t)cosf(t)cosc ct=1/2F(-t=1/2F(-c c)+F(+)+F(+c c) 此式就叫做调制定理。调制定理是很容易证明的，因为 f(t) F()又因为 co

21、sct=1/2(ejct+e-jct)已知，且 ejct 2(-c) e-jct 2(+c)所以，cosct (-c)+(+c)。根据频域卷积定理。可导出 f(t)相乘相乘cosct 的频谱为 f(t)cosct=1/2F()*(-c)+(+c) =1/2F()*(-c)+(+c) =1/2F(-c)+F(=c)因此，不难看出，调制定理是频域卷积定理的一个特例。调制定理表明：将信号 f(t)乘以余弦信号 cosct,对应于频域中把 f(t)的频谱 F()等分成两部分，并把其中的一部分沿频率轴右移 c，另一部分左移 c，如图 2-2(b)中所示。因此，用这种方法可以实现信号频谱的搬移。频谱搬移在

22、通信系统中应用极广，诸如调制、同步检波、混频等过程都是在频谱搬移的基础上实现的。2.1.2 基本原理基本原理本数字调制器使用数字信源模块和数字调制模块。信源模块向调制模块提供位同步信号和数字基带信号（NRN 码） 。调制模块将输入的 NRN 绝对码变为相对码、用键控法产生 2ASK、2FSK、 、2DPSK 信号。数字调制单元的原理方框图如图 2-3 所示：CAR2DPSK-OUT2FSK-OUTNRZ-IN2ASKAKBKBS-IN图 2-3 数字调制框图将晶振信号进行 2 分频、滤波后，得到 2ASK 的载频。放大器的发射极和集电极输出两个频率相等、相位相反的信号，这两个信号就是 2PSK

23、、2DPSK 的两个载波，2FSK信号的亮光载波频率分别为晶振频率的 1/2 和 1/4，也是通过分频和滤波得到的。2PSK、2DPSK 波形与信息代码的关系如图 2-4 所示。 1 0 1 1 0(2PSK 信号波形)t(2DPSK 信号波形)t图 2-4 2PSK、 2DPSK 波形晶体2（A）放大2PSK调制射随器2（B）滤波器滤波器2PSK调制码变换2ASK调制2PSK 信号的相位与信息代码的关系是：前后码元相异是，2PSK 信号相位变化180，相同时 2PSK 信号相位不变，可简称为“异变同不变” 。2DPSK 信号的相位与信息代码的关系是：码元为“1”时，2DPSK 信号的相位变化

24、 180。码元为 0 时，2DPSK 信号的相位不变，可简称为“1”变“0”不变。本文所讲的是是用码变换2PSK 调制方法产生 2DPSK 信号，原理框图及波形如图 2-5 所示。相对于绝对码 AK、2PSK 调制器的输出就是 2DPSK 信号，相对于相对码、2PSK 调制器的输出是 2PSK 信号。图中设码元宽度等于载波周期，已调信号的相位变化与 AK、BK 的关系当然也符合上述规律的，即对于 AK来说是“1 变 0 不变”关系，对于 BK 来说是“异变同不变”关系，由 AK 至 BK 的变换也符合“1 变 0 不变”规律。图 2-5 中调制后的信号波形也可能具有相反的相位，BK 也可能具有

25、相反的序列即00100，这取决于载波的参考相位以及异或门电路的初始状态。AKBK2DPSK（AK） BK-1， 2PSK（BK）AKAK1 0 1 1 0BKBK1 1 0 1 1 2DPSK（AK）2PSK（BK）图 2-5 2DPSK 调制器2.2 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK）2.2.1 二进制振幅键控的调制与解调二进制振幅键控的调制与解调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 符号出现的概率是P，1 符号出现的概率为 1-P，它们彼此独立。那么，一个二进制的振幅键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的相乘，即e0(t)=a n g(t

26、-nTs)cosct （3-1）g(t)是持续时间为 Ts 的矩形脉冲，an 的取值服从下面关系：0, 概率为 Pan= 1，概率为 1-P现令 s(t)=nang(t-nTn) （3-2）可得+T2PSK 调制e0(t)=s(t)cosct （3-3）二进制振幅键控信号的产生方法有两种，一种是模拟幅度调制方法，另一种是键控方法。二进制振幅键控信号由于一个信号始终为零，此时相当于处在断开状态，故又常称为通断信号（OOK 信号） 。 开关电路 载波S(t)e0(t) e0(t) cosct s(t)(a) (b)s(t) e0(t)(c) 图 3-1 二进制振幅键控（2ASK）信号的产生及波形如

27、同 AM 信号的解调方法一样，OOK 信号也有两种基本的解调方法；非相关解调（包络检波法）及相关解调（同步检波法） 。2.2.2单边带和残余边带调制的概念单边带和残余边带调制的概念ASK 信号具有两个边带，并两个边带是含有相同的信息。为了提高信道频率，只需传送一个边带就能实现信息的传递。从图 1-6ASK 信号的功率谱密度来看，由于基带信号具有丰富的低频分量，所以，必须在 fc处用截止滤波器才能滤除其中的一个边带，这就增加了滤波器制作的难度。通常是对基带信号进行某种处理，使直流分量为零，并低频分量尽可能小，从而使已调 ASK 信号的上、下边带之间有一个明显的分界。采用第四类部分响应形成系统即可

28、作到这一点，将经第四类部分形成系统的信号对载波 cosct调制，即可得到抑制载频又能使上、下边带之间有一个明显分界的已调信号频谱。这样就能使用普通滤波器切除一个边带分量，从而实现单边带传输，使频带利用率是双边带传输的两倍。残余边带调制是介于双边带和单边带之间的一种调制方法，它是使已调双边带信号通过一个残余边带滤波器，使其双边带中的一个边带的绝大部分和另一个边带的小部分通过，形成所谓的残余边带信号。残余边带信号所占的频带大于单边带，又小于双边带，所以残余边带系统的频带利用率也是小于单边带，大于双边带的频带利用率2.3二进制移频键控（二进制移频键控（2FSK）2.3.12FSK 信号的产生和解调信

29、号的产生和解调2FSK 信号是 0 符号对应于载波 1 ，而 1 符号对应于载波 2（与 1不同的另一 乘法器载波）的已调波形，而且 1和 2之间的改变是瞬间完成的。所以 2FSK 可以用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。这就是频率键控通信方式早期采用的实现方法，也是用模拟频率法实现数字调频的方法。2FSK 信号的另一生产方法是采用键控法，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通。载波 f1 开关s(t)e0(t) 载波e0(t)f2 s(t) (a) (b)图 4-1 二进制移频键控（2FSK）信号的产生根据 2FSK 信号的产生原理，已调信号的数学表示式为e

30、0(t)=ang(t-nTn)cos(1t+n)+ang(t-nTn)cos(2t+n)g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为 Tn 0,概率为 Pa=1，概率为（1-P）n,n分别是第 n 个信号码元的初相位。键控法得到的 n、n是与序列无关的，反映在 e 连续的；而用模拟调频法时0(t)上，仅表现出 1与 2改变时其相位是不，由于 e0(t)当 与 2改变时其相位是连续的，故 n、n不仅与第 n 个信号码元有关，而且 n与 n之间也应保持一定的关系。 二进制 FSK 信号的常用解调法是采用非相干检测法和相干检测法。其中抽样判决起是判定哪一个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平。另外还有其他的解调

31、方法，比如鉴频法、过零检测法及差分检波法等。2FSK 是数字通信中用得较广的一种方式，在话带内进行数据传输时，国际电报电话咨询委员会（CCITT）推荐在低于 1200bit/s 数据率时使用 FSK 方式。在衰落信道中传输数据时，也被广泛使用。2.4二进制移相键控二进制移相键控2.4.1二进制移相键控及二进制差分相位键控（二进制移相键控及二进制差分相位键控（2PSK）及（）及（2DPSK）二进制移相键控（2PSK）方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种调制方式。设二进制符号及基带波形与以前假设的一样，那么，2PSK 的信号形式一般表示为e0(t)=ang(t-nTs)cosat这里，g(

32、t)是脉宽为 Ts 的单个矩形脉冲，饿暗暗的统计特性为+1，概率为 Pan= -模拟调制器K -1，概率为（1-P）即，在某一码元持续时间 Ts 内观察时，e0(t)为cosct,概率为 Pe 0(t)= -cosct,概率为（1-P）即发送二进制符号 0 时（an 取 0 相位；发送二进制符号 1 时（an 取-1） ，e0(t)取 相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控，称为绝对移相方式。如果采用绝对移相方式，由于发送端是以某一个相位作为基准的，因而在接收系统中也必须有这样一个固定基准相位作为参考。如果这个参考相位发生变化（0 相位变 相位或 相位变 0 相位） ，则恢

33、复的数字信息就会发生 0 变为 1 或 1 变为 0，从而造成错误的恢复。考虑到实际通信时参考基准相位的随机跳变是可能的，而且在通信过程中不易被发觉，比如，由于某种突然的骚动，系统中的分频器可能发生状态的转移、锁相环路的稳定状态也可能发生转移等等。这样，采用 2PSK 方式就会在接收端发生错误的恢复。这种现象，称为 2PSK 方式的“倒 ”现象或“反工作”现象。所以，在实际中一般不采用 2PSK 方式，而采用一种所谓的相对（差分）移相（2DPSK）方式。2DPSK 方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。例如，假设相位值用相位偏移 表示（ 定义为本码元初相与前一码元初

34、相之差） ，并设= 数字信息“1”=0 数字信息“0”则数字信息序列与 2DPSK 信号的码元相位关系可举例表示如下： 数字信息： 0 0 1 1 1 0 0 1 0 12DPSK 信号相位： 0 0 0 0 0 0 或 0 0 0 0 0按照前面的规定画出的 2PSK 及 2DPSK 信号的波形如图 5-1 所示。当然，这里的规定也可作另一假设，比如0 相数字信息“1”对于 2PSK，令 相数字信息“0”=0数字信息“1”对于 2DPSK，令=数字信息“0”等等。数字信息0 0 1 1 1 0 0 1 （绝对码）PSK 波形 0 0 0 1 0 1 1 1 0（相对码）DPSK 波形图 5-

35、1 2PSK 及 2DPSK 信号的波形由图可以看出 2DPSK 的波形与 2PSK 的波形不同，2DPSK 的波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。这说明，解调 2DPSK 信号时并不依赖某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息，这就避免了 2PSK 方中的倒 现象发生。同时我们还可以看出，2DPSK 和 2PSK 是无法分辨的，比如上面波形中2DPSK 也可以是另一种符号序列（见图中下部的序列，称相对码）经绝对移相而形成的。这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确

36、判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成，例如图中的相对码就是按相邻符号不变表示原数字信息“0” 、相邻符号变化表示原数字信息“1”的规律由绝对码变换而来的。这里的相对码概念就是一种差分波形。顺便指出，在多相调制中，载波相位的状态书大于 2，矢量的位置数也响应的多于2。每一个矢量位置表示一个多进制抹元已调载波的相应相位。现在再来讨论 2PSK 及 2DPSK 信号的调制与解调。2PSK 及 2DPSK 信号的调制方框图如图 5-2 所示。图（a）是产生 2DPSK 信号的模拟调制法方框图；图（b）是产生 2PSK 信号

37、的键控法方框图；图（c）是产生 2DPSK 信号的键控法方框图。图中码变换器是用来完成绝对码波形 s(t)到相对码波形变换的。对于 2PSK 信号的解调，容易想到的方法是相干解调，又考虑到相干解调在这里实际上起鉴频作用，故相干解调中的“相乘-低通”又可用各种鉴相器代替。其解调过程，实质上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。2DPSK 信号也可采用极性比较法解调，但必须把输出序列再变换成绝对码序列。此外，2DPSK 信号还可以采用一种所谓的差分相干解调方法，它是直接比较前后码元的相位差而构成的，故又称为相位比较法解调。由于此时的解调已同时完成码变换作用，故无需

38、码变换器。由于这种解调方法又无需专门的相干载波，故是一种实用的方法。当然，它需要一延迟电路（精确的延迟一个码元间隔 Ts） ，这是在设备上花费的代价。后面将会进一步看到，2DPSK 的系统性能比 2PSK 的也稍差。3FFSK 数字解调数字解调 FFSK可以采用相干解凋或非相干解调方式进行解调。 FFSK信号是用载波相位在码元之间的差值携带信息的，但是在移动通信中， 由于接收信号受到严重的衰落，提取出来的载波质量往K往达不到要求，特别是在多普勒效应等引起的频偏环境下，因此在这样的信道中相干解调的误码性能较差。差分解调等非相干解调，尽管理论上、静态环境下性能相对差一些，但对信道衰落的影响却不太敏

39、感，其误码性能反而高。本章将对差分解调或鉴频器解凋等非相干解调方法作详细介绍。3.1 FFSK 解调原理解调原理3.1.1 基带差分解调基带差分解调图 3-1 是一种称作基带差分解调的电路框图。这种方法需要用一振荡器来产生本地的正交载波。此本地振荡信号要与输入信号具有相同的载波频率，否则二者的频差会引起相位漂移，使解调性能恶化。假设具有连续相位变化的本地振荡器(LO)与本地载波(CR)频率相同，在通过差分解调时将消除相位误差。 0costC KWKUKI KZKVKQ 0sintC图 3-1FFSK 基带差分解调电路框图3设输入信号为，他在同相支路与本地载波)cos()(KCKttStCcos

40、(+相乘，滤出的低频分量经取样后，得)0 (4-1)cos(210KKW在正交支路与本地载波相乘，滤出的低频分量经取样后，得)sin(0C (4-2)sin(210KKZ式中：为固定相位差。这里所用的低通滤波器应与发端调制器所用的低通滤波器相匹配，以消除0码间干扰。与送入解码电路，当采用耐奎斯特信道在白噪声和其它干涉存在的环境中采用直接采样KWKZ时，如果，则 W,Z。在一般情况下。其解码规则为00KKUKKV00 (4-3)1111KKKKKKKKKKZWWZVZZWWU由此可得LPFLPF取样取样1KKWW1KKZZ解码电路11KKKKZWWZ判决判决并/串 (4-4)KKKKKKKkKK

41、KKKKKKVUsin41)sin(41)sin(21)cos(21)cos(21)sin(21cos41)cos(41)sin(21)sin(21)cos(21)cos(2110100101010010根据调制端的编码规则，令这里的判决规则如下： (4-5)0000KKKKVVUU1Q1Q11KK判为判为判为判为KKII显然，照这样判决所得到的与，和发端所传输的与完全一样，再经过并/串变换后，KIKQKIKQ就可以恢复出原来传输的数据。 K3.1.2 中频差分解调中频差分解调图 3-2FFSK 中频差分解调电路框图3 图 4-2 是一种称作中频差分解调的电路框图。从图中可以看出这种解调具有采

42、样延迟线和相位检测。这种解调的优点是不需要本地振荡器。经过延迟的信号与两个支路的)cos()(11KCKttS信号和分别相乘，即)cos(KCt)sin(KCt (4-6)cos()cos(1KCKCtt (4-7)cos()sin(1KCKCtt经滤波和取样，可得BPF延迟ST相移2/LPFLPF取样取样判决判决并/串 (4-8) KKKKKKKKVUsin21)sin(21cos21)cos(2111这里得到的关系式和式(4-4)是一样的，因而其后的判决方式也和基带差分解调完全相同，其判决规则见式(4-5)所示。为消除码间干扰，这种电路中的带通滤波器(BPF)和低通滤波器(LPF)应精心设

43、计。一种方法是使带通滤波器与发端调制器所用的低通滤波器相匹配，比如平方根升余弦滤波器，如果采用平方根升余弦滚降带通滤波器来检测传输信号则载波相位基本保持不变，并且噪声能量降低。差分解调后信号带宽变成了基带信号带宽的两倍。在不存在码间干扰 ISI 时，带宽为(1+)f 的s理想低通滤波器被用来滤出频率在 2f 周围的带通信号；而这里的低通滤波器采用理想矩形特性的滤S波器。3.1.3 鉴频器解调鉴频器解调鉴频器解调的原理框图如图 4-3 所示。此电路由带通滤波器、限幅器、鉴频器、积分-取样-猝熄电路，模 2-判决器以及并/串变换器等组成。 K 图 3-3FFSK 鉴频器解调的原理框 3当鉴频器的输

44、入信号为时，鉴频器的输出信号为)(cos()(ttSC (4-9)()(tdtdtD此信号经积分、取样后，得： (4-10)SSTKKTKKKdttD)1(1)(根据相位差即可判决出传输的数据。为了按照表 3-1 的规则进行解码，这里应该在判决之前先K进行模 2校正。模 2算法可归纳为： (4-11)111|KKKKKK时，时，时，取取取221K1K1KKKKKKK例如：当，时，这时应判决传2/K4/1K4/)4/(2/K输数据为 1，-1；当时， 4/7, 01KK24/7K，这时应判传输数据为 1，1；当，时，4/2/3K4/1KKBPF限幅鉴频积分-取样-猝熄模2-判决并/串4，这时应判

45、传输数据为-1，1。/324/2/3 这种解凋电路所用的滤波器应与差分解调电路所用的滤波器一样考虑，一般也才用升余弦滚降带通滤波器。 FFSK 的误码性能与它采用什么样的解调方法以及它在什么样的信道条件下工作有关，本文将在本章第 4 节具体讲述。3.2 非相干解调与相干解调性能比较非相干解调与相干解调性能比较在衰落信道中，差分解调及鉴频器解调与相干解调相比硬件电路简单稳定。但是在高斯衰减信道中差分解调与相干解调相比多 2-3dB 的衰落。为了更好的了解非相干检测的原理及性能，本文在此对相干解调作了简要的介绍： A B 图 3-4FFSK 相干解调的原理框图13相干 FFSK 调制解调器框图如图

46、 4-4 所示。在该解调中，每个直接采样的调制信号只有两阶，缺省了三阶。对于二阶采样信号在信噪比很高的情况下，同相支路和正交支路信号)2() 1, 0( 的能量相当。对于三阶信号只有一路信号包含噪声，两极信号之间能量具有很大差别。在同步锁存前提下，相干解调的操作如下所示，当信号为两极时开关打到 A 位置，与 FFSK 的解调方法相同；当信号为三阶时，开关打到 B 位置，解调出的信号为： (4-12)112YXX Y (4-13) 112YX 解调信号(X)与(X)相比有的相移。3-2 阶的相对相移转换使得星座图在*， +之22,Y11,Y4/间来回转变。由于同相支路和正交支路中的噪声是不相关的

47、，所以噪声能量变为原来的两倍，因此相干 FFSK 的 BER 与相干 FFSK 的相同。如果当前信号在+位置上，而前一个信号在+位置上就能够正确地解码；但是有时当前信号在+位置上，前一个信号在*位置上，解码数据必须相移，即：2/I=Q Q=I 的补数 (4-14)正确的数据可由一分为二的信号时钟驱动的时钟解调出来。时钟相位与采样信号的开关电路是同步的。同相支路和正交支路信号由采样时钟控制进行并变串变换。20 FFSK 信号的相干解调不如非相干解调容易实现，而且在衰落信道中，其抗随机调频的能力也比较差，因而在移动环境中通信，非相干解调常常被采用。但是就抗噪声的静态特性而言，相干解调的误码性能比非

48、相干解调好约 2-3dB，因此为了提高通信系统的功率效率，有不少场合，包括移动BPFCRLPFLPFSTR检波检波差分解码并串环境，人们仍然希望采用相干解凋，关键的问题是如何采取措施使接收端能够获得优良相干载波。目前为止，在无线通信方面，在应用到 FFSK 的场合基本上还是应用非相干检测。3.3 信道非线性对线性调制的影响信道非线性对线性调制的影响在无线通信系统中，系统功耗是非常重要的问题。由于使用电池供电，要求系统达到尽可能高的能源利用率，所以射频放大器常常采用高效率放大器，同时也是非线性的。实际上，即使线性的放大器(如A类)也难免进入饱和区，从而具有一定程度的非线性。射频放大器非线性将会引

49、起幅度与相位失真，输入信号幅度变化同时导致输出信号的幅度与相位非线性变化，称为AM-AM与AM-PM效应。具体来讲信道非线性对线性调制的影响有：(1) 自干扰。高阶非线性将会滤波消除的码间干扰出现。即使没有外部噪声，由于自干扰也将使星座图中的星座点扩散，恶化误码率性能。(2) AM-AM与AM-PM效应。输入幅度变化将引起输出信号非线性变化与相移。FFSK星座图虽然表示基带符号为恒幅度，但滤波将使信号幅度不再恒定，如果星座图中相邻符号有180度变化，滤波后信号包络会出现零值。 (3) 频谱再生。虽然滤波改善了信号频谱特性，但高功率放大器的非线性使被滤掉的边带重新出现，称为频谱再生。这是对线性调

50、制最致命的影响，它使输出信号达不到移动通信的带外辐射要求。如果频谱再生影响太严重，就只能采用非线性调制。分析表明，非线性通过信号幅度波动起作用。那么要减小非线性影响，就要从减小信号幅度波动入手。 FFSK是应用非常广泛的调制方式，它通过限制相邻符号的相位变化来降低非线性影响。从其星座图可以看出，它的相邻符号间最多出现135度的变化，不会通过星座图中心。这样滤波后就不会出现零包络现象。 FFSK星座图可以看成两个FFSK星座图(分别以空心圆圈与实心圆圈表示)交21错移位PI/4后的叠加，星座点转化发生在两个FFSK星座图之间。增大的星座图使载波恢复难度加大，而且 FFSK并没有消除幅度波动，采用

51、 FFSK的系统还得采用线性度较好的高功率放大器来避免频谱再生现象。总的来说 FFSK具有很好的综合性能，使用非常广泛。223.4 FFSK 的误码性能分析的误码性能分析在 FFSK 数字调制中，可以认为其四个信号相量把相位平面划分四等份，每一等份的相位间隔代表一个传输信号。在没有噪声的情况下，每一信号相位都有相应的确定值，即每一信号相位间隔为。若叠加有噪声，则合成波形的相位将按一定的统计规律随机变化，这时若发送信号的基准4/相位为零相位，且合成波形的相位在下列范围变化 (4-15)44则不会产生错误判决。反之，如果合成波形的相位在下列范围内变化 (4-16)424则会造成错误判决。假设发送每

52、一个信号的概率是相等的，且令信号与噪声的合成波形的相位服从一维概率密度，则系统的误码率为： feP (4-17) 441dfPe当 FFSK 合成波形叠加高斯噪声后，一维概率密度为： f dxeerefrxrrcos22/2cos221cos4121 (4-18)式中：r 为信号噪声功率比；积分式为概率积分。dxerxcos22/221将式(4-18)代入式(4-17)即可得。可见误码率是输入信噪比 r 及 FFSK 相位数的函数。在同ePeP样信噪比情况下，随 FFSK 相位数的增加而增加。对于 FFSK 可得为:ePeP (4-19)222111rerfcPe对于 FFSK 调制，当信噪比

53、足够大时，误码率可近似表示为： (4-20)4/sin2reeP 对于相对相移 FFSK 系统的性能，同样可按以上原理导出。不过由于相对相移是利用前一码元信号的相位作为参考相位的，所以参考相位也是受扰的。假设前一码元信号的相位为，合成波形0的相位在下列范围内变化 (4-21)4400由于噪声的影响，前一码元信号的相位也是随机变化的，若其概率密度为，则系统总0 0q的误码率为： (4-22) 000dPqPee利用上式直接求误码率，也是十分困难的，对于相对相移 FFSK 其叠加波形叠加高斯噪声时，eP则可得误码率的近似表达式为： (4-23)8sin22reeP当然， FFSK 的误码性能还与其

54、采用什么样的调制方法以及他在什么样的信道条件下工作有关。在第五章中将依据实验结论对三种差分解调方式在加入高斯白噪声的信道条件下进行误码性能15分析。4FFSK 调制解调器的系统总体设计调制解调器的系统总体设计4.1 功能模块介绍功能模块介绍数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路、脉冲电路、脉冲产生电路和电源等。输入电路主要作用是将被控信号加工变换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。控制电路的功能是将信息加工运算并为系统各部分提供所需的各种控制。输出电路是完成系统最后逻辑功能的重要部分。数字电路系统中存在各种各样的输出接口电路。其功能可能是发送一组经系统处理的数据，或显示

55、一组数字，或将数字信号进行行转换，变成模拟输出信号。设计输出电路，必须注意与负载电平、信号极性、拖动能力等方面进行匹配。时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。电源为整个系统工作提供所需的能源， 显然，任何复杂的数字电路系统都可以逐步划分成不同层次、相对独立的子系统。通过对子系统的逻辑关系、时序等的分析，最后可以选用合适的电路器件来实现。将各个子系统组合起来，便完成了整个大系统的设计。按照这种由大到小，由整体到局部，再由小到大，由局部到整体

56、的设计方法进行系统设计，就可以避免盲目的拼凑，完成设计任务。具体可按如下步骤进行：1） 、消化设计要求必须充分了解设计要求，明确设计系统的全部功能、要求及技术指标。熟悉被处理信号与被控制对象的各种参数与特点。2） 、确定总体设计方案根据系统的逻辑功能画出系统的原理框图，将系统分解。确定贯串不同方框间各种信号的逻辑关系与时序关系。3） 、绘制单元电路并对电路仿真选择合适的逻辑器件，用电子 PROTEL 软件绘出各种逻辑单元的逻辑电路图。标注各单元电路输入输出信号的波形。然后利用电子 PROTEL 软件中的数字电路仿真软件对电路进行仿真测试，以确定电路是否准确无误。4） 、完成整体设计在各单元电路

57、完成的基础上，用电子 PROTEL 软件将各单元电路连接起来，画出软件要求的整机逻辑电路图。重新审查电路，以消除因某种疏忽造成的错误。5） 、逻辑仿真整体电路设计完毕后，再次在仿真软件上对整个试验系统进行逻辑仿真，验证设计。6） 、 数字电路系统的安装与调试数字实验系统整体电路设计完毕后，还必须通过实验板的安装与调试，纠正设计中因考虑不周出现的错误和不足。检测出实际系统正常运行的各项技术指标、参数、工作状态、输出驱动情况、动作情况与逻辑功能。因此，系统装调工作是验证理论设计，进一步修正设计方案的重要实践过程。具体可按如下步骤进行。4.2FFS K 信信号特点号特点与与调制调制解解调方法调方法F

58、FS K (快速频移键控 ) 是特殊的二进制相位 连续 FS K 调制 。FFS K 已调信号相位连续, 包络 恒定, 其信道传输特性优于一般频移键控信号 。FFS K 信号的一般表示式为SFFS K ( t) = cos (c t +k ) =cosk cosc t - s ink s inc t( 1 ) 展开式 ( 1 )可得 FFS K 信号的正交表示式,根据 FFS K 信号正交表示式构成 FFS K 信号 调制框如图 3-1所示 。 图3-1 FFS K 信信号调制号调制框框图图FFS K 信号属于数字频率调制信号, 因此可 以采用一般鉴频器方式进行解调, 鉴频器解调方式结构简单,

59、 容易实现 。由于 FFS K 信号调制指数较小, 采用一般鉴 频器方式进行解调误码率性能不太好, 因此在对误码率有较高要求时大多采用相干解调方式 。 图3-2是 FFS K 信号相干解调框图, 由相干载波提取和 相干解调两部分组成 。图 3-2 FFSK 信号相干解调框图从原理框图可以知道整个系统由两部分组成：信原部分和调制部分。5FFSK 调制解调功能模块设计调制解调功能模块设计5.1 单片机单片机 AT89C2051 与与 CMX469A 接口模块设计接口模块设计 图 4-1 单片机硬件接口电路基于的无线调制解调器的硬件设计主要包括与电台的接口电路以及与单片机的接口电路两部分。与电台的接

60、口主要用于实现输入、输出模拟电路部分的放大。这部分电路设计非常简单，用运放就可以实现，这里就不再多说，以下主要说明与单片机的接口设计。硬件接口电路如图 4-所示。 与单片机接口时，内部产生的和同步时钟线可以同步单片机的发送和接收串行数据。由于发送数据时，从单片机输出的串行数据在的上升沿必须有效且稳定，因此，应该在时钟的下降沿输出单片机的串行数据。同样，在的下降沿读取单片机同步数据线( )上的串行数据，同时在的上升沿忽略同步数据线的状态。而在接收数据时，载波检测端口的输出状态可表明有效的数据是否进入，并可通过载波检测来防止接收虚假的数据。与单片机的接口电路设计主要分为两部分：发送接口电路设计和接