FSK频移键控数字调制器电路设计

*******************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2012年春季学期《通信系统基础实验》设计项目实验报告设计题目：频移键控数字调制器电路设计专业班级：通信工程（09）级（4）设计小组名单：指导教师：频移键控数字调制器电路设计一.设计实验目的1.理解FSK调制的工作原理及电路组成。2.理解利用锁相环解调FSK的原理和实现方法。-1-二.设计指标和技术要求一般的数字调制技术，如幅度键控（ASK）、移相键控（PSK）和移频键控（FSK）三种。本实验要求掌握正弦振荡器、调制器等单元电路。掌握调制的基本原理。通过实际的方案分析进行比较，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，编写设计说明，能正确地反映设计和实验成果，能正确的绘制电路图。对数字调制技术的要求如下：1.在信道衰落条件下，误码率要尽可能低。2.发射频谱窄，对相邻信道干扰小。3.能提供较高的传输速率。4.易于集成。对数字调制技术的指标如下：1.根据2FSK特点，信源输入以及对应的频率自己确定。2.了解2FSK信号调制解调的原理。三.整体电路原理图设计在数字通信系统中，由于数字信号具有丰富的低频成分，不宜进行无线传输或长距离电缆传输，因而同模拟调制一样，需要将基带信号进行高频正弦调制，即数字调制。与模拟调制相比，数字调制并无本质区别，都属于正弦波调制，但是数字调制系统也有自身的特点，其技术要求与模拟调制系统也有不同。一般来说，数字调制技术可分为两种类型：一是利用模拟方法实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；二是利用数字信号的离散取值特点去键控载波，从而实现数字调制，这种方法通常称为键控法。常用的数字调制方式有振幅键控（2ASK）、移频键控（2FSK）、移相键控（2PSK）等。随着科技的发展，电子产品市场运作节奏也进一步加快，涉及诸多领域的现代电子技术已迈入一个全新的阶段，如何把通信系统中调制技术的强大优势发挥出来，就是目前电路研究发展的方向了，从而使电路性能得到进一步的改善，这对数字电路来说也算是个不小的突破。本实验是一个频移键控数字调制器电路设计。功能是实现一个数字基带信号，经过调制信号的调制，输出一个2FSK的模拟信号，并用Multisim软件进行仿真可得出-2-调制波形。最后通过软件做出实物图，并通过示波器观察其输出波形，并与其Multisim软件的仿真图相比较，看是否一致。如果是一致的，说明设计的该电路符合本实验设计的要求。在调制的时候是用变频器对输入信号进行变频，输入两个不同的频率的信号，再通过正弦振荡器对数字基带信号进行变频处理，用模拟开关对两个信号进行控制，最后输出2FSK调制信号。总之，我们所采用的调制技术的最终目的就是使得调制以后的信号对干扰有较强的抵抗作用即可。以下就是关于调制解调的实验设计，在本实验设计中调制采用的是移频键控（2FSK）进行设计，最后用Multisim进行仿真出效果。通过通信原理实验的频移键控数字调制器电路设计，是学生加强对通信原理的技术电路的理解，学会查寻资料、方案比较，以及设计计算环节。进一步提高分析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、解决通信原理调制问题的时候本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强学生的实际能力。数字调制的的基本方式有三种：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。本文介绍的就是二进制数字频移键控系统（2FSK）。数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输。然而，实际中的大多数信道因具有带通特性而不能直接传送基带信号。为了使数字信号在带通系统中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。在接收端，通过解调器把带通信号还原为数字基带信号的过程称为数字解调。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。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。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用的实现方法。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不同的独立频率源进行选通。移频键控（FSK）是数据通信中最常用的一种调制方式。FSK方法简单，易于实现，并且解调不需要恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能较强,键控法的特点是转换速度快、波形好、稳-3-定度高且易于实现。缺点是占用频带较宽，频带利用不够经济。FSK主要应用于低中速数据传输，以及衰落信道和频带较宽的信道中。本文介绍的重点就是用multisim模块仿真应用2FSK信号的调制过程，应用的即是分频变频技术。本课程设计基于multisim动态仿真环境，并通过实物连通示波器看输出的波形。根据2FSK调制原理，设计了频移键控数字调制器电路。利用multisim功能模块，建立FSK调制系统仿真模型，经过仿真分析，其结果与理论分析结果相同。在仿真过程中，充分发挥了multisim功能强大，建模简单，参数易于调整的特点。结果表明，基于的multisim仿真模型，能够反映出2FSK调制解调系统的动态工作过程，其可视化界面具有很好的演示效果，为通信系统的设计和研究提供了强有力的工具，也为理论学习提供了一条非常好的途径。频移键控数字调制器电路调制的整体电路图的设计如图1所示：图1整体电路原理图设计四、单元电路原理分析要将NRZ码经过2FSK调制成为2FSK信号，我们采用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立的频率源的真的作为输出。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度频率，它的转换速度快，波形好。C15.1nFC710µFC1047µFC1147µFR133kΩR222kΩR3620ΩR5620ΩR622kΩQ12N2219AQ22N2219AL16.8mHR822kΩV112VC315nFC410µFC547µFC1247µFR1533kΩR1622kΩR17620ΩR18620ΩR1922kΩQ52N2219AQ62N2219AL38.2mHR2122kΩV312VU14066BD_10VD12S11IN113D23D39D410S24IN25S38IN36S411IN412VDD14VSS7V212VU2A74LS04NR73kΩXSC3ABExtTrig++__+_V40V5V0.5msec1msecR451.5ΩR951.5ΩXSC1ABExtTrig++__+_XSC2ABExtTrig++__+_V70V5V0.015625msec0.03125msecU3A74ALS74AM1D21Q5~1Q6~1CLR11CLK3~1PR4VCC5V-4-1.模拟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2FSK已调信号。如图2所示:U44066BD_10VD12S11IN113D23D39D410S24IN25S38IN36S411IN412VDD14VSS7图2模拟开关2.变频电路变频电路是将输入的二进制数字基带信号通过控制载频转换成已调信号，即2FSK调制信号。电路中的两路载频由内时钟信号发生器产生，经过开关K901、K902送入。两路载频分别经射随、LC选频、射随再送至模拟开关。其中LC选频电路函数：，选频网络如图3所示：-5-C15.1nFC1147µFR133kΩR222kΩR3620ΩR5620ΩR622kΩQ12N2219AQ22N2219AL16.8mHR822kΩR451.5Ω图3变频电路图五.整体详细电路设计与仿真2FSK即叫做二进制移频键控。2FSK信号产生的方法一般有两种：一种叫直接调频法，另一种叫频移键控法。所谓直接调频法，就是将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某种参数，而达到改变振荡频率的目的。虽然方法简单，但频率稳定度不高，同时转移速度不能太高；键控法就是利用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。一般来说，键控法采用两个独立的振荡器,得到的是相位不连续的2FSK信号；而且直接调频法f1,f2由同一个谐振电路产生，则得到相位连续的2FSK信号。2FSK信号便是0符号对应于载频f1，1符号对应于载频f2（与f1不同的另一个载频）的一调制波形，而f1与f2的改变是瞬间完成的。整体电路设计的方案论证：1.方案一:模拟调频法。即直接利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得。如图4所示：-6-S(t)2FSK图4模拟高频器直接调频法是频移键控通信方式早期采用的实现方法。其优点是调制方便，设备简单，得出的是2FSK信号，相位连续。2.方案二：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。本课程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个独立频率源的振荡作为输出，如图5所示：图5键控法2FSK键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛，但设备要复杂些，得出的是2FSK信号，相位不连续。本实验采用开关法产生2FSK信号，则分别由两个独立的频率源产生的信号，故相邻码的相位不一定是连续的，数字基带信号以及2FSK调制信号如图6所示:-7-图6数字基带信号以及2FSK调制信号图整体电路设计的multisim的仿真：电路振荡电路输出波形如7图所示:图7振荡电路输出波形-8-变频电路输出波形如图8所示:图8变频电路输出波形频移键控数字调制器电路的仿真效果图如图9所示:图92FSK的仿真效果图-9-六.硬件电路面包板制作与调测频移键控数字调制器电路的实物图如图10、11所示：图10频移键控数字调制器电路实物图图11频移键控数字调制器电路实物图-10-设计总结通过这次对频移键控数字调制器电路的实验，让我们学到了很多新的知识，对自己的知识面有了很大的扩展，对各元器件的功能都有了进一步的了解，而且对Multisim的仿真软件的应用有了进一步的认识，很多模块的实用性功能对我们的专业知识的学习很有帮助。本通信原理实验设计中调制电路采用的是键控法。由于对课本的学习，了解了对2FSK调制的基本原理，因此对电路的设计有了基础的认识。但对各电路的分解的具体设计不是很清楚。通过查阅资料和自己的努力下最终设计出一个完整的频移键控数字调制器电路。通过设计，让我们组对整个过程的理解得更加彻底，同时在电路设计的过程中，我们认真复习了很多相关的知识，尤其是在变频电路中各元件以及参数的设置，我们必须得明确。这次设计进一步端了我们的学习态度，学会了实事求是，严谨的作风，提高了动手能力。对自己要严格要求，不能够一知半解，要力求明明白白。急于求成是不好的，我们都有所感受。如果省略了那些必要的步骤，急于求成，不仅会浪费时间，还会适得其反。我们觉得动手之前，头脑里必须清楚该怎么做，这一点是很重要的。就目前来说，我们的动手能力虽然差一点，但我们想，通过我们一起的不懈努力，在这方面，我们总会得到提高。这一点，我们很坚信。因为别人能做到的，我们相信自己也一定能做到。总之，设计本通信实验设计电路图，通过整个过程，使我们明确了解决工题的一半思路和多元性方法，培养了我们的工程思维方式。让我们深深体会到，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高自己的实际动手的能力和独立思考的能力。在这次实验中，还有兰州理工大学这我们提供良好的实验环境，