设计性实验——2FSK调制、解调

设计性实验2FSK调制、解调实验一、实验目的1．掌握用移频键控法产生2FSK信号的原理及硬件实现方法；2．掌握用过零点检测法解调2FSK信号的原理及硬件实现方法；3．加深对位同步信号提取原理的理解，了解其硬件实现方法；4．了解锁相环对消除相位抖动的原理及作用。二、实验内容1.2FSK调制（发送）实验。2.2FSK解调（接收）实验。3.位同步提取实验。4.眼图、奈奎斯特准则实验。5.归零码与位定时实验。6.眼图与判决时间选取实验。三、实验仪器及设备1.20MHZ双踪示波器GOS-60211台2.函数信号发生器/计数器SP1641bB1台3.直流稳压电源GPS-X303/C1台4.万用表1块5.2FSK调制解调实验箱1个四、实验原理及电路（一）实验原理实现数字频率调制的方法很多，总括起来有两类:直接调频法和移频键控法。本实验使用的是移频键控法，它便于用数字集成电路来实现。移频键控，或称数字频率调制，是数字通信中使用较早的一种调制方式。数字频率调制的基本原理是利用载波的频率变化来传递数字信息。在数字通信系统中，这种频率的变化不是连续的，而是离散的。比如，在二进制的数字频率调制系统中，可用两个不同的载频来传递数字信息，故移频键控常写作2FSK(FrequencyShiftKeying)。2FSK广泛应用于低速数据传输设备中，根据国际电报和电话咨询委员会(CCITT)的建议，传输速率为1200波特以下设备一般采用2FSK。2FSK方法简单、易于实现，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也较强。因此，2FSK已成为在模拟电话网上利用调制解调制器来传输数据的低速、低成本的一种主要调制方式。在一个2FSK系统中，发端把基带信号的变化规则转换成对应的载频变化，而在收端则完成与发端相反的转换。由于2FSK信号的信道中传输的是两个载频的切换，那么其频谱是否就是这两个载频的线谱呢?或者说信道的频带只是这两个载频之差呢?答案是否定的。设2FSK的两个载频为fl、f2，其中心载频为fo=(fl+f2)/2；又设基带信号的速率为fs。这样，经过分析，2FSK的频谱图如图5.1所示。图a中的fl=fo+fs，f2=fo-fs；图b中的fl=fo-0.4s，f2=fo-0.4s。从图5.1中我们可以看出：(l)相位不连续2FSK频谱由连续谱和离散线谱组成，线谱出现在两个载频位置上。(2)相位连续2FSK若两个载频之差较小，比如小于fs，则连续谱出现单蜂；若两个载频之差逐渐增大，即fl与f2的距离增大，连续谱将出现双峰。(3)由此可见，传输2FSK信号所需的频带Δf约为sffff212本实验为传输25000波特基带信号的2FSK实验，通过改变分频链分频比的方式来实现移频键控。收端采用过零检测法恢复基带信号，并从恢复的基带信号中直接提取码元定时信号。图5.1a相位不连续信号的频谱示意图图5.1b相位连续信号频谱示意图五、2FSK的原理：2FSK介绍：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f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的。其表达式为：{)cos()cos(212)(nntAtAFSKte典型波形如下图所示。由图可见,2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加。因此2FSK信号的时域表达式又可以写成：)cos()]([)cos(])([)(2_12nsnnnnsnFSKtnTtgatnTtgatsz图1原理框图1011001taks1(t)cos(w1t+θn)s2(t)s1(t)cos(w1t+θn)cos(w2t+φn)s2(t)cos(w2t+φn)2FSK信号tttttt二、2FSK的调制：2FSK发送部分如图5.2所示。图中包括方波源（晶振）、调制器、M序列发生器等。图5.22FSK发送(调制)部分a、方波源方波源由4MHZ晶振产生，经4分频产生1MHZ方波，再经10分频，产生100KHZ，8分频产生125KHZ调制载波。b、M序列发生器M序列发生器由四级移位寄存器组成，形成长度为24-1=15的伪随机序列，充当信码。其信码定时信号是方波源输出的信号经40分频后得到。速率为25Kb/s。c、调制器2FSK调制器为全数字可变分频比的分频链。其逻辑图如图5.3所示。图5.32FSK调制器从图5.3可以看出，信码为“1”时，分频链作10分频，输出频率为100KHZ信号；信码为“0”时，分频链作8分频，输出频率为125KHZ信号。由于这时输出的为对称方波，所含频率分量较丰富，即要占据较宽的信道频带，为节省频带，在送入信道前，只取基频分量就可以了，所以在调制器后接有一带通滤波器，中心频率为112.5KHZ。这样，在发送部分的输出端，就得到相对于“1”和“0”码的l00KHZ和125KHZ的正弦波。但是，如果带通的中心频率发生偏移或带通的通带特性不平坦，都会给输出的2FSK信号带来寄生调幅，应尽量使之减小。2FSK调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一相载频w2的已调波形，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源w1、f2进行选择通。本次课程设计采用的是前面一种方法。如下原理图：2FSK调制电路的整体电路图：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FSK已调信号。图3.1模拟开关电路4066芯片六、2FSK的解调：数字频率调制的解调方法一般有三种:鉴频法、过零检测法和差分检波法。本实验采用过零检测法。2FSK接收(解调)部分方框图如图5.4所示，其中包括过零检测、位同步提取、抽样判决（码再生）等。目前，低速率的移频键控调制解调器己有专用的集成电路，例如MOTOROLA公司的MC6860等。本实验为帮助实验者理解原理仍采用小规模集成电路实验。图5.42FSK接收(解调)部分方框图a、过零检测图5.5是用过零检测法解调基带信号时各点的波形图。2FSK信号2.12.22.32.4图5.5过零检测法解调基带信号时各点的波形图2FSK输入信号经限幅后产生矩形波序列2.1，经微分、整流后形成与频率变化相应的脉冲序列2.2，这个序列就代表着调频波的过零点。将其变换成具有一定宽度的矩形波2.3，并经低通滤波器滤除高次谐波，便得到对于原数字信号的基带信号2.4。b、位同步提取在数据传输设备的接收端，位同步为码的再生所必需，而在数字通信中，常常是不发送导频或位同步信号的，这就必须直接从数字信号中提取位同步。本实验就采用这种直接从数字信号中滤波提取位同步的方法，其原理如图5.6所示。2.62.72.82.92.11图5.6滤波法提取位同步信号我们知道，一个不归零的随机二进序列，不能直接从该序列中滤出位同步信号，但是，若对该信号进行某种变换，例如变成归零脉冲后，则该序列中就有SSTf1的位同步信号分量，经一窄带滤器，就可滤出此信号分量，再将它经相位调整(移相器或延迟)就形成位同步脉冲。c、抽样判决（码再生）从过零检测低通滤波器输出的信号，必须进行抽样判决（码再生）才能恢复出和发端相同的非归零信码。抽样判决（码再生）电路用一比较器对解调获得的基带信号进行零电平判决，再由一触发器对判决信号进行抽样定位，如图5.7所示。所不同的是，这种码元定时是由位同步提供的。这样,解调、同步和码再生就组成了一个较完整的数字通信接收系统。图5.7码再生电路d、有源滤波器a)．有源低通滤波器本实验用4阶切比雪夫有源低通滤波器检测2FSK的基带信号，实验电路如图5.8所示。b)．有源带通滤波器有源滤波器由RC滤波器与有源运放组成，选用具有带通特性的RC滤波器与有源运放就可以组成有源带通滤波器，实验电路如图5.9所示。具有带通特性的RC网络有RC并联网络、单T网络和双T网络，其中双T网络的特佳最好，因为其Q很高，可以组成通常很窄的带通滤波器，但它有一缺点，在0点附近，相应有-900到+900的突变，这对我们是不利的，即要求频率及元器件都要非常稳定，否则，滤波器就可能变成振荡器。图5.8有源低通滤波器为此，在本实验中，我们选用单T网络作为滤波网络。图5.9有源带通滤器单T网络的选频特性与n有关，n越大，特性越好，故本实验选n=l00。RC的选择公式为：nRC10e．锁相环提纯位同步由于单T网络频带不够窄，提取的位同步会有较大的抖动。必须经锁相环窄带滤波器进行提纯。以CD4046为基本形式的CMOS集成锁相环路在工程中应用非常广泛。其主要优点是功耗少，在lmw以下，但工作频率偏低。通常在lMHZ左右，随着集成工艺的发展，CMOS锁相环工作频率已可以高达20MHZ，如54/74HC4046。HEF4046B锁相环路由线性压控振荡器(VCO)，两个鉴相器以及一个射随器组成。电路如图5.10所示。图5.10HEF4046方框图HEF4046B所需要的外部电路很少，应用很简单。R3，C3是环路滤波器，RSF是射随器的负载，当电源电压10V以下时，可用10KΩ以上。当电源电压达15v时，应选择大于50KΩ。R1C1决定振荡器最低频率1min,CRf时工作频率，R2与R1的比值决定了振荡器maxf与minf之比。在本次课程设计采用的是非相干解调方式（包络检波）：FSK的非相干解调由带通滤波器、包络检波器、低通滤波器构成，包络检波器直接从已调信号中提取基带信号的数字序列。下图为二极管包络检波。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包络检波七、实验总结：在设计过程中我们查阅了大量的有关2FSK的书籍，巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的必要性，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能力和独立思考的能力。