FSK调制与解调

*课程设计报告题目：基于Multisim的FSK的调制与解调电路的仿真分析学生姓名：***学生学号：**********系别：电气信息工程学院专业：通信工程届别：2014届指导教师：***电气信息工程学院制2013年5月**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第1页基于Multisim的FSK的调制与解调电路的仿真分析学生：***指导教师：***电气信息工程学院通信工程专业1课程设计的任务与要求1.1课程设计的任务(1)了解FSK调制与解调的基本原理；（2）用Multisim实现FSK的调制与解调电路的仿真；1.2课程设计的要求（1）熟悉掌握FSK的调制解调原理；（2）熟悉掌握用Multisim软件实现2FSK调制与解调电路的仿真，并对其进行简单分析；1.3课程设计的研究基础（设计所用的基础理论）1.3.12FSK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。如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。图1.3.12FSK调制原理框图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**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第2页个独立频率源的振荡作为输出，如图1.3.1（b）.频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息的。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为：其中,s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列g(t)是持续时间为、高度为1的门函数；)(ts为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即是的反码，即由式可以看出,一个2FSK信号可视为两路2ASK信号的合成，其中一路以s(t)为基带信号、为载频，另一路以为基带信号、为载频。如图1.3.1(c)为2FSK信号的时间波形。从图中可以看出b是a的反码，即若a=1,则b=0,若a=0,则b=1;c为载波f1,d为载波f2,g为2FSK的调制出的信号。图1.3.1（c）2FSK信号的时间波形**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第3页1.3.22FSK信号的解调原理数字调频信号的解调方法很多，如包络检波法、相干检测法、过零检测法、差分检测法、鉴频法等。本设计采用包络检波法。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（、）起分路作用，用以分开两路2FSK信号，上支路对应，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络s(t)及)(ts；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s(t)及)(ts的抽样值分别用表示，则抽样判决器的判决准则为，其方框图如图1.3.2（a）所示。方框图中各时间点的波形图如图1.3.2（b）。图1.3.22FSK信号包络检波方框图**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第4页图1.3.2（b）包络检波各点时间波形图22FSK系统方案制定2.1方案提出数字信号的传输可分为基带传输和带通传输，实际中大多数的信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号，这是因为基带信号往往具有丰富的低频分量，为了使数字信号能在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道相匹配。在数据通信技术迅速发展的时候，数字频率调制时数据通信中常见的一种调制方式。一般FSK调制有两种方法，一种是直接调频法，一种是频移键控法。通过改变载波幅度，频率，相位来传输数字基带信号，所以带通传输也叫载波传输，利用数字信号的离散取值特点通过开关键控制载波，从而实现数字调制，即为键控法。因为频移键控的方法简单，易于实现和操作，并且解调不须回复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗帅落性能也比较强，因此本次设计用的是键控法调制。由于FSK调制解调原理相对比较简单，作为数字通信原理的入门学，理解FSK后可以容易理解其他更复杂的调制系统，为以后其他调制技术的进一步发展打下基础。2.2方案论证调频就是用调制信号控制载波的频率变化。直接调频就是用调制信号直接去控**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第5页制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。可以由外币电压控制振荡频率的振荡器叫做压控振荡器VCO。每个压控振荡器自身就是一个调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压。若用调制信号做控制电压信号，就能产生FSK波。在直接调频法中，振荡器与调制器合二为一。这种方法的主要优点是实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏，但缺点是频率稳定度不高。因此，用键控法调制系统性能会更好。32FSK调制与解调系统方案设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计（1）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3.1.1CD4066四双向模拟开关(2)振荡电路如图3.1.2所示，C4，R1，R2，Q1，R3，和C9，R7，R11，R8，C1构成射随电路（通常对射极跟随器的简称，就是共集电极放大器），L2，R5，C11构成并联LC谐振回路。电路中的两路载频由内时钟信号发生器产生，分别经过射随、LC选频、**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第6页射随再送至模拟开关。图3.1.2射随电路，LC谐振电路(3)调制电路根据2FSK键控法的原理框图，实现的2FSK调制电路图如图3.1.3所示。图3.1.32FSK调制电路**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第7页(4)解调电路2FSK的解调用包络检波法实现，如图3.1.4所示。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，二极管相当于半波整流，去掉了小于门坎电压的波形。低通滤波器由R,C串联来实现的，滤掉不需要的杂波。包络检波器将各自的包络取出至抽样判决器。整个形成一个二极管包络检波电路。完成对于2FSK的波形的检波工作。图3.1.42FSK解调电路3.2电路参数的计算当回路谐振满足条件：回路总电抗X=0时，有CL001=0，所以0=LC1,所以振荡电路中谐振频率fo=LC21。3.3特殊器件的介绍**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第8页图3.3CD4066开关引脚图CD4066是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。引出端排列与CC4016一致，但具有比较低的导通阻抗。另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。CD4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号。这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定的优点。3.4系统整体电路图如图3.4所示是2FSK调制与解调整体电路图**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第9页图3.42FSK调制与解调4Multisim软件系统仿真和调试4.1仿真软件介绍Multisim软件前身是加拿大IIT公司在20世纪八十年代后期推出的电路仿真软件EWB（ElectronicsWorkbench）,后来，EWB将原先版本中的仿真设计更名为multisim，2005年之后，加拿大IIT公司隶属于美国国家仪器公司（NationalInstrument，简称NI公司），美国NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。目前最新版本是美国NI公司推出的multisim10。包含了电路原理图的图形输入、电路的硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真能力。它具有更形象直观的人机交互界面，并且提供了更加丰富的元件库、仪表库和各种分析方法。完全满足电路的各种仿真需要。Multisim软件是迄今为止使用最方便、最直观的仿真软件，其基本元件的数学模型是基于Spice版本，但增加了大量的VHDL元件模型，可以仿真更复杂的数学元器件，另外解决了Spice模型对高频仿真不精确的问题。Multisim在保留了EWB形象直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中的元件的数目，特别是增加了大量与实际元件对应得元件模型，使得仿真设计的结果更加精确、更可靠、更具有实用性。Multisim的特点有1：可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；2：所**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第10页有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的电路上；3：所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。4.2系统仿真实现图4.2.12FSK调制波形图4.2.1为2FSK调制波形图。图中蓝色波形为已调制2FSK信号，红色是基带信号。图4.2.22FSK解调后的波形**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第11页图4.2.2所示为2FSK解调后波形图，图中红色波形为解调信号，蓝色波形为判决门限电平，绿色波形为最终经过低通滤波器的信号波形。4.3系统测试和数据分析图4.3（a）2FSK调制波形图图4.3（b）2FSK调制波形图从图4.3(a)中可以看出，当基带信号为“1”码元时，对应2FSK调制波形有**师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业高频课程论文第12页16个周期，当基带信号为“0”码元时，对应2FSK调制波形有8个周期，又因为载波f1=32KHz,f2=16KHz,所以可得到码元传输速率RB=2B,所以基带信号带宽B=2KHz，这是理论值，由图4.3（b）可以看出一个码元对应5个小格，而一格对应100us,因此一个码元对应500us，由公式B=1/Ts，可以得到B=2KHz，与理论值相符。2FSK信号包络检波时系统的误码率Pe=221r,而2FSK信号同步检波时系统的误码率公式Pe221rr，比较可见，在大信噪比条件下，2FSK信号包络检波时的系统性能与同步检波时的性能相差不大，但同步检测法的设备却复杂的多。因此，在满足信噪比的要求的场合，多采用包络检波法。5设计小结和收获体会本次课程设计是二进制频移键控调制解调电路的实现与仿真。在理解了2FSK调制解调电路的工作原理后，我查阅了相关资料，在老师的指导下，完成了对2FSK的调制与解调，并且学会了用Multisim软件制作电路图，并对其进行仿真与分析，结果与理论值相吻合。设计电路图中用到了CD4066四双向模拟开关，这是以前没有接触过的，由CD4066构成的开关电路成了整个调制电路中重要的组成部分，因为本次设计调制方法采用的是键控法，因此，将基带信号控制两路载波信号输出尤为关键，其中，我们就需要用到开关电路。2FSK在现在数据通信中发挥着广泛作用，蓝牙就是应用FSK调制解调的原理而来，它可替代短距离线缆，实现在移动电话、便捷式电脑和其他电子装置键的无缝线连接。因此2FSK的应用前景还很广泛。通过这次课程设计，我收获很多，不仅深入掌握了专业知识，还通过自己的能力，不同的途径了解了自己不懂得知识点，培养了自己实践动手和独立思考的能力。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会从事职业工作前一个必不可少的过程，认真的完成本次课程设计，为以后的毕业设计打下了很好的基础。参考文献[1]刘泉通信电子线路武汉理工大学出版社[2]樊昌信，曹丽娜通信原理国防工业出版社2008[3]廖惜春高频电子线路华南理工大学出版社**师范学院电气信息