FSK综合设计实验剖析

FSK综合设计实验剖析第1页/共28页

一、综合设计实验目的

通过2FSK通信系统综合设计实验，加强对2FSK调制器与解调器的通信技术电路理解，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；掌握使用Multisim软件的操作方法；进一步提高分析与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动手能力的转化；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。第2页/共28页二、综合设计内容与技术指标1.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；2.电路技术指标：

①主载频为11800HZ(或16KHZ）；②f1=2950HZ（或8KHZ）;f2=1475HZ（或4KHZ）。数字基带信号时钟频率fs=400（或1000）bit/s；

③数字基带信号用m序列产生器（7位或15位）提供；

④调制器采用键控电路；⑤解调器采用非相干解调（过零检测）技术（也可用相干解调或用数字锁相环解调）电路实现。第3页/共28页三、综合设计要求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。3.设计要求：第4页/共28页

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。四、2FSK调制解调原理

FSK是数字通信中用得较广的一种调制方式，在话带内进行数据传输。国际电联推荐在话音频带内低于1200bit/s数据率时使用FSK方式。在衰落信道中传输数据时，它也被广泛采用。

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。第5页/共28页

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f1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）二进制移频键控信号的产生方法

四、2FSK调制解调原理第6页/共28页

在图1（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f1或f2两载频之一。若二进制基带信号的“1”对应于载频f1，“0”对应于载频f2，则二进制移频键控制信号的时域表达式为：

（1式）

四、2FSK调制解调原理

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。第7页/共28页从图中可以看出：

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f1和f2处，连续谱由两个中心位于f1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f0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

四、2FSK调制解调原理第8页/共28页五、2FSK调制解调电路设计方案（1）2FSK调制设计方案

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ω1，而1对应于载频ω2（与ω1不同的另一个载频）的已调波形，而且ω1、ω2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。第9页/共28页

由以上的分析可知，在设计移频键控系统时，为了获得最佳分路特性，通常选用的两个载频f1和f2在码元周期TS内具有正交特性，即

上式在f1和f2间隔为1/2TS的整数倍时都能满足，即

（n=1,2,…）

工程上一般取

│f1-f2│=(3~5)/Ts五、2FSK调制解调电路设计方案本次实验电路规定：f1=8KHZ(或2950HZ）；f2=4KHZ(或1475HZ）

fs=1000（或400）bit/s第10页/共28页（2）2FKS

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，整个解调过程的时间波形如图所示。

五、2FSK调制解调电路设计方案第11页/共28页五、2FSK调制解调电路设计方案（3）2FKS

调制与解调系统组成方案

（1）键控调制与过零检测系统组成框图（2）锁相环解调电路组成框图第12页/共28页六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:（1）2FSK调制器电路方案介绍:

设计移频键控系统时，为了获得最佳分路特性，两载频f1、f2和fs应折中选取。另外根据国际电报电话咨询委员会（CCITT）的建议，传输速率为1200波特以下的设备采用FSK，因而本实验的码元速率选在800Hz左右，这样f1、f2和fs三个频率的取值分别为f1

＝？、f２＝？和fｓ＝？调制器电路可参考图1或图2。图1门电路构成的2FSK调制器电原理图图2模拟电子开关构成的2FSK调制器电原理图①调制器电路组成与工作原理第13页/共28页(2)信源电路的方案介绍主要提供2FSK的载波和信码的定时信号，可用门电路或集成电路（555）构成多谐振荡器，产生的振荡频率为11800Hz载波，要求输出频率可调。由门电路构成的振荡器参考电路如图所示：在三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，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。工作原理：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。估算振荡周期T2.2RC六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:①主载波振荡器电路与工作原理A第14页/共28页

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f1、f2和Ｍ序列所需的时钟信号。本实验系统，f1为四分频；f2为八分频；fs为十六分频。分频器的参考电路如图所示：(2)、信源电路的方案介绍六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:②分频器电路与工作原理第15页/共28页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组成，形成长度为24-1=15位码长的伪随机码序列，码率约为800bit/s。(2)、信源电路的方案介绍

图1是实验系统中4级伪随机序列码发生器电原理图。从图中可知，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。本电路是利用带有两个反馈抽头的4级反馈移位寄存器，其示意图见图2，状态转移图见表1，该电路输出的信码序列为：

111100010011010。四级伪随机码Q3Q2Q1Q01111011100110001100001000010100111000110101101011010110111101111图2图1表1六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:③m序列发生器组成与工作原理第16页/共28页

（3）2FSK信号的解调方案（非相干）

数字频率键控（FSK）信号常用解调方法有很多种，在设计中利用过零检测法。过零检测法是利用信号波形在单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。其解调电路组成如图1所示：

由图可见，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。可见，整个系统有七个单元电路组成。六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:第17页/共28页

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1所示。

（3）2FSK信号的解调方案（非相干）六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:①

限幅、微分、整流、展宽电路组成与工作原理第18页/共28页

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：=1或Q=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=1，=0。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τ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，清零端电平下降到1.4V左右的时间长度与脉冲宽度有关，脉冲宽度τ放=W1C，调节W1可以改变形成脉冲的宽度。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幅度。六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:①

限幅、微分、整流、展宽电路组成与工作原理

（3）2FSK信号的解调方案（非相干）第19页/共28页②低通滤波器电路与工作原理

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，由截止频率公式：可知：六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:

（3）2FSK信号的解调方案（非相干）第20页/共28页③电压比较器电路组成与工作原理六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:

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Vi≤Vb输出为0

（3）2FSK信号的解调方案（非相干）第21页/共28页六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:④抽样判决器电路组成与工作原理

过零检测电压比较器输出的信号，必须进行码再生电路（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，其基本电路如图所示：

由图可见，该电路使用D触发器构成，其时钟信号是由码元定时电路恢复的与发送端同频同相的位同步信号。

（3）2FSK信号的解调方案

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。第22页/共28页限幅器

限幅放大器是为了把输入信号变换成方波以获取过零点的信息，这里采用通用的电压比较器LM311实现。其电路组成入图所示；六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:第23页/共28页六、2FSK调制与解调单元电路设计说明:(4)用锁相环实现2FS信号解调

二进制移频键控信号也可以采用模拟锁相环制作2FSK解调器。FSK集成电路数字锁相环解调器由于性能优越，价格低廉，体积小，电路组成原理框图如图所示；

只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频f1上，对应输出高电平，而对另一载频f2失锁，对应输出低电平，那么在锁相环路滤波器输出端就