FSK系统课程设计-通信原理.doc

1 目的分析1.1 任务分析 通过FSK移频键控完成数据传输电路的设计，实现基带信号的FSK传输功能，收发波形一致，载波频率分别为2950HZ,1475HZ。1.2 具体分析为完成基带信号数据传输的任务，我们要设计相应的电路，电路的设计采用自底向上，先设计各模块电路，然后再将各模块串接起来，主要的模块：信源模块，基带信号模块，调制模块，传输模块，解调模块。信源模块：提供载波频率，在这里我们主要讨论2FSK，所以两路载波是方波信号，若输入的是模拟信号则须要经过波新变换，完成从模拟信号到方波信号的转换；基带信号模块：相当于发送信号，这是我们要发送的信息，即我们所说的M序列，我们可以选择其形式，以上讨论的信源模块与基带信号模块可以由实验室提供这就很好的降低我们的设计难度。我们的重点是要设计后面三个模块：调制模块，传输模块，解调模块，这也是关键技术所在。调制模块：实现基带信号的调制，由于基带信号的频率较低，难以实现传输要求，我们必须进行调制，这个步骤完成以后，就将M序列搭载高频信号上面。传输模块：我们讲的信道，但在这里我们主要考虑理想情况，忽略信道噪声和其他干扰因素，因此我们直接将调制模块与解调模块相连。解调模块：将基带信号还原出来，即我们所说的接收信息。从上面来看我们的核心任务设计调制与解调模块，这是决定试验成功的关键因素所在，选择的方式不恰当，系统将无法完成设计任务。 从以上可以看出我们的大致思路：选择各模块的工作方式，模块电路实现，组装检验，调试合格，硬件实现。2 基础知识2.1 基本原理数字频率调制又称频移键控，简记FSK,二进制频移键控记作2FSK。FSK调制信号产生的工作原理是用载波的频率变化来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。由于数字消息只有有限个取值，相应地，作为己调的FSK信号的频率也只能有有限个取值。那么，2FSK信号便是符号“1”(传号)对应于载频f1,符号“0”(空号)对应于载频f2来实现。数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式。由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。因为2FSK属于频率调制，通常可定义其移频键控指数为 （2.1-1）显然，h与模拟调频信号的调频指数的性质是一样的，其大小对已调波带宽有很大影响。2FSK信号与2ASK信号的相似之处是含有载频离散谱分量，也就是说，二者均可以采用非相干方式进行解调。可以看出，当h1时，2FSK信号功率谱呈双峰状。2.2 FSK的功率谱 2FSK的功率谱由连续谱和离散普组成。其中连续谱有两个双边频谱叠加而成，而离散谱出现在量个载频上；若两载频之差较小则连续谱出现单峰，若载频之差逐渐加大，则连续谱出现双峰；有以上特点,传输2FSK信号所需的第一零点带宽f约为:f=f2-f1+2fs (2.2-1)3 模块电路设计由于信源模块可以由实验室提供,因此不用花时间做这个模块,但是我们必须了解工作原理才能进一步设计下面的环节。3.1 M序列模块这个模块主要是实现基带信号的设计，产生相应的序列，作为传输的信息。这里主要是要考虑幅度特性。M序列发生器用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400bit/s 图3.1 M 序列电路图自己给M序列加一信号,输出一下波形: 图3.2 M序列输出 有图3.2可知M序列为：000 100 110 101 111，是十五位的序列。3.2 调制模块实现数字频率调制的方法很多，总括起来，注意到相邻两个振荡器波形的相位可能是连续的，也可能是不连续的，因此有相位连续的FSK及相位不连续的FSK之分。并分别记作CPFSK及DPFSK。2FSK信号的产生通常有两种方式：（1）频率键控法；（2）直接调频法。由于频率键控法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（01或10）时刻，2FSK信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。直接调频法法是在一个直接调频器中产生2FSK信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。在这里，我们采用的是频率选择法。所谓直接调频法，就是用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数，直接改变振荡频率，使输出得到不同频率的已调信号。用此方法产生的2FSK信号对应着两个频率的载波，在码元转换时刻，两个载波相位能够保持连续，所以称其为相位连续的CPFSK信号。直接调频法产生的移频键控信号虽易于实现，但由于是同一振荡器产生两个不同频率的信号，在频率变换的过渡点相位是连续的，其频率稳定度较差。而且这种方法产生的FSK信号频移不能太大，否则振荡不稳，甚至停振，因而实际应用范围不广，仅适用于低速传输系统。频率键控法又称为频率转换法，它是用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进行转换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。由于产生f1和f2载频是由两个独立的振荡器实现，则输出的2FSK信号的相位是不连续的。这种方法的特点是转换速度快，波形好，频率稳定度高，电路不甚复杂，在实用中可以用一个频率合成器代替两个独立的振荡器,再经分频链，进行不同的分频，也可得到2FSK信号。故得到广泛应用。根据实验要求，我们选择频率键控法，此方法易于实现，有经典的设计方法，所需元件较少，连接简单。调制器f1f2M序列2FSK输出图3.3 调制原理框图3.2.1 仿真实现我们采用频率键控法,当电子开关打到“1”输入频率f1,当电子开关打到“0”输入频率 f2，以此来实现调制，而电子开关的“0”、“1由M序列来进行控制，这样就将信息进行了调制。 图 3.4 调制原理图检测相应的测试点，可以得到调制结果图： 图 3.5 调制仿真图由图3.5可以看出：当M序列为“1”时，调制波形很紧密（频率很高），也就是当M序列为“1”时，f1=2950hz来调制，当M序列为“0”时，电子开关选择f2=1475hz来调制，这与设计目标是相一致的。3.3 传输模块在实际中,我们要考虑信道的噪声及其它干扰因素的影响,但是针对我们要求较低,我们直接完成一些传输的任务,就直接用导线实现。3.4 解调模块数字调频信号的解调方法很多，可以分为线性鉴频法和分离滤波法两大类。线性鉴频法有模拟鉴频法、过零检测法、差分检测法等，分离滤波法又包括相干检测法、非相干检测法以及动态滤波法等。非相干检测的具体解调电路是包给检测法，相干检测的具体解调电路是同步检波法。3.4.1过零检测法 单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法又称为零交点法，计数法。 考虑一个相位连续的FSK信号，经放大限幅得到一个矩形方波，经微分电路得到双向微分脉冲，经全波整流得到单向尖脉冲，单向尖脉冲的密集程度反映了输入信号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点的数目。单向脉冲触发一脉冲发生器，产生一串幅度为E宽度为的矩形归零脉冲，.脉冲串的直流分量代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲串的直流分量f这样就完成了频率幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。3.4.2 非相干解调法2FSK非相干解调电路的系统原理框图如图5.3所示：主要由高通滤波器、包络检波器和电压比较器构成。输入的FSK信号，经高通滤波器滤除两个载频中的一个，经包络检波器整流与低通滤波器后得到数字基带信号，最后经电压比较器就可得还原出的数字信号“1”和“0”。因为2fsk有较强的抗干扰能力,所以我们可以从原理上进行简化,我们采用非相干解调,用EWB软件仿真,其设计过程: 图 3.6 调试仿真图解调电路由三部分组成：高通滤波器，低通滤波器，电压比较器。高通滤波器：由三阶RC组成，已知2FEK的中心频率f=(f1+f2)/2，而f=1/RC，所以，R=1/fC，C=1/fR。我们选择R=50 Ohm，C=0.6uF。低通滤波器：由一阶RC组成，我们选择R=900 Ohm，C=0.47uF。电压比较器：电压比较器用运算放大器构成迟滞比较器，参考电压给定为0.22V。 图3.7 调制与解调比较电路图从图3.7可以看到，调制信号波形较密的地方对应解调信号的“1”较疏的地方对应解调信号得“0”，这是符合设计要求的。4 仿真实现 将以上设计的各模块连接起来得到总的电路图： 图 4.1 总的电路仿真图得到结果如下： 图 4.2 仿真结果电路图从以上可以看出：解调信号已经较好的与基带信号相一致，从而实现了2FSK的调制与解调。5 硬件实现5.1工具准备20W电烙铁一把，万用电表一个，尖嘴钳一把，螺丝刀一把，焊锡丝和松香水若干。5.2装配焊接焊接时先焊接电阻，再焊接电容，再焊二极管，再焊电位器，最后焊4066，焊接4066前须先把4066固定在散热片上，4066与散热片接触的部分必须涂少量的散热脂，以利散热。焊接时必须注意焊接质量，避免虚焊。5.3 调试本功放板调试特别简单，电路板焊好电子元件后，要对照电路图仔细检查电路板有无焊错的地方，检查有没有短路、短焊、错焊的，用镊子把元件轻轻的拉一拉，看有没有虚、焊假焊的现象，对出现的情况一一处理，特别要芯片是否使用正确，要特别注意。检查无误后，接上信源检查各级效果与仿真电路的结果相比较。6 心得体会 通过这次2FSK的课程设计，让我更深入地了解了设计通信电路的程序，此次课设还提高了我的动手能力和思考分析能力。 通过设计，我主要有以下几点体会： 要设计一个电路总要先在纸上绘出电路图，并分析其原理，然后再在熟悉了软件环境的情况下上机绘制电路图和仿真图，再然后进行模拟仿真等工作，最后进行分析总结，将所得过程结果记录下来。 我体会到坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手模拟仿真才会有深刻理解，提高动手和思考能力对我们以后从事相关工作，有很大的好处。 要学以致用，我们的知识不是用来忘记的，而是要用到实际生活中的。有了这种思想，我想我们在以后的学习中会更加注重理论于实际的联系，使我们所学的知识能够尽可能的用到实处，而不仅仅是为了应付考试。 在设计过程中，应充分的利用了网络资源，在网络上搜索我们需要的各种信息。这使我们意识到，原来我们每个人面前都有一个大宝库，只是有些人没有注意到罢了。 我去图书馆借阅参考书,在网上查找资料,与同组同学讨论,在实际应用时就会有更多的理论支撑，从而锻炼能力,学习知识。本次课程设计我使用的软件是EWB系列软件，它强大的仿真功能使电路设计的正确与否很快得到验证，这不仅能让我们所学的理论知识得到较好的实践，更有助于我熟练地应用Multisim强大的功能有效的解决实际问题，我深刻地体会到了EWB在电子信息工程的巨大应用，它必会为我们的生活生产解决许多问题。 我将会继续学习EWB这个工具软件，能在工程技术中很有效地提高工作效率，为以后的学习工作创造更好的条件。在课程设计中，我们遇到了很多的问题，很多的挫折，但是我们没有退缩，最终在规定期限内完成了设计，这本身就是对我们自身能力的一种肯定，一种承认。有了这次经历，我想我们以后遇到类似的问题