2FSK课程设计知识点.

09年课程设计题目：2FSK调制与解调器的设计与实现指导老师：宫锦文、王勇、黄启萍、韩宝彬一.设计目的:1.经历工程设计与实现过程，为后续进行毕业设计奠定工作基础；2.掌握2FSK的调制与非相干解调的实现方法；3.遵循本系统的设计原则，理顺基带信号、传输频带及两个载频三者间相互间的关系；4.加深理解2FSK调制器与解调器的工作原理，学会对2FSK工作过程进行检查及对主要性能指标进行测试的方法。二.设计内容：1.根据2FSK调制器与解调器的组成原理设计实现方案；2.着眼于时间、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、眼图、误码率；在频域，观察已调信号、调制信号的频谱，测算传输带宽；测量两个载频频率；3.理顺低通滤波器3db带宽与基带信号传输速率间的关系，两个载频间隔和基带信号速率间的关系；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。三.技术要求：1.两载频f1、f2由一个方波振荡器产生。其中f1=8kHz、f2=4kHz，数字基带信号时钟频率fs=1kbit/s；2.设计一个m序列产生器（15位或31位），作为数字基带信号；3.解调采用非相干解调技术（在时间充足的情况下，也可以采用锁相解调）；四.设计步骤：1、根据技术要求及功能框图设计电原理图；查阅器件手册，提出使用器材；2、拟定测试项目、提出测试所用仪器及测试方法；3、在面包板上插接、调测、改进、完善方案；4、撰写课程设计报告。五.设计安排：1.设计方案、查阅所用器件手册、画出实现电路图、呈递老师（占3天时间）；2.在实验室实现方案及调试（占5天间）；3.撰写课程设计报告（占3天时间）。六.课程设计报告的要求：1.给出最后完成的方案并作祥细的电路分析；2.介绍测试项目、测试方法、整理测量数据、分析性能指标；3.总结设计、调试、过程中的收获和体会；七.参考资料：•通信原理.樊昌信、张甫翊等.国防工业出版社•现代通信原理与技术.张生辉、曹丽娜.西安电子科技大学出版社•通信原理及系统实验.樊昌信、宫锦文、刘忠成编著电子工业出版社•现代通信原理.曹志刚、钱亚生..清华大学出版社•实用电子电路手册.（数字电路部分）.高等教育出版社•实用电子电路手册.（模拟电路部分）.高等教育出版社八.2FSK调制解调原理在实际信道中，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。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制信号（2FSK信号）。二进制移频键控制信号的产生方法如图1所示。图1（a）是采用数字键控的实现方法，图1（b）是2FSK信号的时间波形。（一）二进制移频键控制信号的产生方法图1（a）2FSK信号产生原理图基带信号输入门电路（1）门电路（2）相加器2FSK信号输出振荡器（1）振荡器（2）倒相器21f1f2fs基带信号2FSK信号图1（b）2FSK信号的时间波形在图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：2111222()()cos()()cos()FSKetAmttAmtt（1式）式中，A为两个载波的幅度（数字电路的输出幅度，设两幅度正好相等)ω1=2πf1，ω2=2πf2，θ1和θ2是两个载频的初始相角；m1(t)和m2(t)是周期开关函数，定义为：S11S212tT2()02tT2SSTmtTS12S22tT20()2tT21SSTmtT（２式）（３式）且m1(t)和m2(t)满足下列关系式：11221,2,SSmtmTmtmmtmTmt（４式）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2所示。oosffosffoffFSKSf2sf0.8sf0.5h0.7h1h图２相位离散的2FSK信号的功率谱示意图从图2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2122FSKsBfff（５式）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)/Ts11220cos()cos()0sTttdt122SnffT（７式）（８式）（6式）（二）2FKS信号的解调方法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3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4所示。mFSK（t）abcdef限幅器微分整流脉冲形成器低通滤波器图3过零检测abcdef图4过零检测法的时间波形九、在设计时应注意的几个问题:（1）2FSK调制器方案介绍:二进制移频键控信号的产生原理图如图5所示。图5数字移频键控信号产生原理图mFSK（t）相加器振荡器÷2÷n1÷n2基带信号产生器选通开关选通开关f1f2fSm(t)m(t)按（8式）和（5式），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1kHz左右，这样f1、f2和fs三个频率的取值分别为f1＝？、f２＝？和fｓ＝？。(2)、信源的具体电路(参见图6):DQQcpDQQcpDQQcpDQQcp=1=1fs=1kHz15位m序列输出（c）信码发生器8200pF4.7ｋΩ150Ω74LS04DcpQQf116kHz（a）环形振荡器DQQcpDQQcpf2fs（8kHz）（1kHz）（b）分频器DQQcpf116kHzDQQcp图6.信源的具体电路(3)、2FSK调制器的电路:f1信码f22FSK调制输出OOK1OOK2CD4011图82FSK调制器的电路（4）2FSK信号的解调方案从前面原理的介绍中，我们知道2FSK调制信号的解调用非相干过零检测法，由图3可见，必须有六个单元模块来完成。考虑到2FSK信号的产生和解调集于同一面包板内，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，解调器的解调框图如图9所示。图92FSK信号解调器的组成框图2FSK信号反相器脉冲形成器脉冲形成器相加器低通滤波器Vd（t）JKcpRDQQJKcpRDQQ2FSK信号输入至低通滤波器CD4011CD406974LS10774LS1072CK198200pF+5V2CK196.8kΩ+5V8200pF6.8kΩ图10解调器的电路图脉冲形成电路用双J-K触发器74LS107、二极管、阻容等元件组成。具体电路如图10。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。QQ（5）、低通滤波器的设计为了获得良好的幅频特性，相加器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。实验中采用巴特沃斯低通滤波器，其电路如图11所示。-+22μF82kΩ8.2kΩ24kΩ0.33μF8200pFμA74122μF图11低通滤波器电路图图11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，其截止频率为通带增益H0=R3/R1,H0取10，先确定C2，再依C1=KC2来算C1，上式中121221RRCC032241112cHRCK024H1K=,2(6)、用锁相环实现相干解调二进制移频键控信号也可以采用模拟调频方法来产生。第二章非线性调制器中曾利用过的LM565即可制作2FSK调制器。在使用VCO完成2FSK调制时要注意两点：首先应使VCO工作的中心频率在2FSK信号的中心频率上，这由LM565“8”脚和“9”脚的外接电阻和电容决定的；由于在同一定时电容下VCO的频率有10：1的调谐范围，加之要限制FSK信号的频带，因而加入“14”脚的数字基带信号幅度不可过大，采用LM565产生2FSK信号的实验线路如图13所示。10K+15V100μF.01μF1.2K4.7K4.7K10K4.7μF179481032LM56550010K1K6800PF91PF3μF数字基带信号输入2FSK信号输出图13采用模拟调频方法来产生2FSK信号该振荡器的中心振荡频率约为480kHz，输出幅度uop-p=300mV。与调制器对应的解调器也用LM565，不同的是要用其内部鉴相器、压控振荡器与外接环路滤波器一起构成锁相环路。同样应使VCO工作的中心频率在2FSK信号的中心频率上，并要保证环路的捕获带大于2FSK信号的频带宽度。当环路入锁后，VCO的振荡频率将跟随2FSK信号的频率变化，经外接低通滤波器滤除载频分量后，从“7”脚输出基带信号。