2FSK调制与解调电路课程设计报告.doc

xxxxxxxxxxx大学课程设计（论文）标 题：2FSK调制与解调电路 学生姓名： xx xx（xxxxxxxx）学 院：xxxxxxxxxxxxxxx学院 专 业：xxxxxxxxx 班 级：xxxxxxxxxxxxxxxx班 指导教师：xxxxxxxx 计算机与信息工程学院实验部制目 录摘要 (2)1 设计基本原理和系统框图（3）1.1 总体原理（3） 1.2 系统框图（3）1.2.1调制部分（3）1.2.2 解调部分（4）1.3 二进制移频键控(2FSK)的参数设置（5）2 各单元电路设计 （7）2.1 调制（7） 2.1.1时钟脉冲产生和分频（7）2.1.2滤波电路和数字键控开关（7）2.2 解调（8）2.2.1带通滤波器（8）2.2.2包络检波器和抽样判决器（9）3 系统进行调试结果（10）结论 （12）参考文献 （13）附录 （14）后记 （17）摘 要2FSK是一种在无线通信中很有吸引力的数字调制方式，目前在短波，微波和卫星通信中均被采用。随着超大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理（DSP）技术在通信领域中已有了广泛的应用。本论文研究并实现了基于DSP的全数字2FSK发送与接收系统。本文分析并防真了基于直接数字频率合成原理的2FSK全数字调制的方法；分析并防真了基于差分基带相位傅立叶变换的载波频偏和位定时算法.最终得到结果如下：1.实现了数字的2FSK数字化调制。本文在独立设计的DSP系统上进行了调制实验。通过改变程序中的参数，成功实现了多种速率的数据发送。2.实现了2FSK信号的数字化接收。接收工作包括数据的读入，载波频偏估计，位同步，解调。本设计所研究的内容适应当前科学技术的发展与更新，具有一定的实用价值。本文所提出的实现数字化调制，同步和解调的方法，仍然是当前通信领域中先进的技术，具有一定的理论和实践意义；在本研究中开发的DSP目标板可为实验的后续研究提供实用的研究平台。关键词：2FSK 数字调制调制同步解调正文1 设计基本原理和系统框图1.1总体原理随着当代经济的发展，信息的传递起到了至关重要的作用。而传递信息都用到了调制与解调。所谓常调制，就是在传送信号的一方将所要传送的信号附加在高频振荡上，再由天线发射出去。这里高频振荡波就是携带信号的运载工具，也叫载波。在线性调制系列中，最先应用的一种幅度调制是全调幅或常规调幅，简称为调幅（AM）。不但在频域中已调波频谱是基带调制信号频谱的线性位移，而且在时域中，已调波包络与调制信号波形呈线性关系。任何一种非线性器件都可以用来产生调幅彼。晶体管是一种非线性器件，只要让其工作在非线性（甲乙类，乙类或丙类）状态下，即可用它构成调幅电路。一般总是把高频载波信号和调制信号分别加在谐振功率放大器的晶体管的某个电极上，利用晶体管的发射结进行频率变换，并通过选频放大，从而达到调幅的目的。在接受的一方经过解调的过程，把载波所携带的信号取出来，得到原有的信息。反调制过程也叫检波。调制与解调都是频谱变换的过程，必须用非线性元件才能完成。因此本设计性实验对集成模拟乘法器的应用做了一下简单的测试在FSK移频数据传输中，常用多个频率来传送信息，例如，用f1=10KHZ+/-0.5KHZ表示信息“1”，f2=20KHZ表示信息“0”。试用CC4046设计一FSK移频数据传输调制与解调电路，设传送的信息码为010（提示：解调电路要用到CC4046中的相位比较器1）。1.2系统框图1.2.1 调制部分2FSK信号的产生方法主要有两种。第一种是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，如(a)图所示，使其能够输出两个不同频率的码元。第二种方法是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(b)图所示。这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2FSK信号，在相邻码元之间的相位是连续的，如(c)图所示；而开关法产生的2FSK信号，则分别由两个独立的频率源产生不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续，如(d)图所示。本次设计用键控法实现2FSK信号。 (c)相位连续 (d)相位不连续1.2.2 解调部分2FSK信号的接收主要分为相干和非相干接收两类，本次设计采用非相干法(即包络解调法)，其方框图如下。用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为和的高频脉冲，经过包络检波后分别取出它们的包络。把两路输出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。带通f1滤波器包络检波器器抽样判决器2FSK包络检波器带通f2滤波器 n(t) FSK信号包络解调方框图设频率代表数字信号1；代表数字信号0，则抽样判决器的判决准则：式中x1和x2分别为抽样判决时刻两个包络检波器的输出值。这里的抽样判决器，要比较x1、x2的大小，或者说把差值x1-x2与零电平比较。因此，有时称这种比较判决器的判决电平为零电平。当FSK信号为时，上支路相当于接收“1”码的情况，其输出x1为正弦波加窄带高斯噪声的包络，它服从莱斯分布。而下支路相当于接收“0”码的情况，输出x2为窄带高斯噪声的包络，它服从瑞利分布。如果FSK信号为，上、下支路的情况正好相反，此时上支路输出的瞬时值服从瑞利分布，下支路输出的瞬时值服从莱斯分布。无论输出的FSK信号是或，两路输出的判决准则不变，因此可以判决出FSK信号。1.3二进制移频键控(2FSK)的参数设置在二进制频移键控（2FSK）中，当传送“1”码时对应于载波频率，传送“0”码时对应于载波频率。(3.3-1)其中，为频率为的载波的初始相位，为频率为的载波的初始相位。令为的反码，即(3.3-2)则有:当时，;当时，。 则2FSK信号可表示为:(3.3-3)其中，我们在分析中假设为单个矩形脉冲序列，其表达式为:由式(3.3-3)可知，相位不连续的2FSK信号可以看成是两个2ASK调幅信号之和.2FSK信号波形可看作两个2ASK信号波形的合成。下图是相位连续的2FSK信号波形。 图3-3-1 2FSK波形2FSK信号的功率谱密度可将2FSK信号表示成两个2ASK信号的和，令: 其中为的反码，则相位不连续的2FSK信号可表示为2 各单元电路设计2.1 调制2.1.1时钟脉冲产生和分频要将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频率源的振荡作为输出。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渡频率，它的转换速度快，波形好。 (1)时钟脉冲产生和分频器晶振模块由晶体4096和反相器7474组成，其输出一个矩形脉冲，矩形脉冲经过分频器7474，进行一次分频，把信号送给数字键控开关。一次分频输出的信号经过二次分频后，也送入数字键控开关，这样两个独立的振荡器就设计好了。因为要通过选择不同频率的高频振荡信号来实现FSK的调制。所以我采用2个D触发器7474来进行分频。其中，U1A是进行2分频的操作，而将它的输出信号作为第2个D触发器的时钟信号，所以U2A是进行4分频的操作。2.1.2滤波电路和数字键控开关(2)滤波电路和数字键控开关由于分频器产生的信号存在干扰，必须设计滤波电路，滤去不需要的干扰成分。由芯片4053构成数字键控开关，4053是一个三路二选一模拟开关，通过它对两路输入信号进行输出选择，其功能表如下输入INH C导通通道L H L HH XI0/O0 O/II1/O1 O/I 无 如果用数字信号（从4053-ABC端输入）来键控两个不同的载波频率，即信号的符号是用二进制的基带信号是用“0”和“1”电平来表示的。“1”对应于载波频率,“0”对应于。这种称为二进制频移键控（2FSK）。而其振幅和初始相位不变。故其表示式为：式中，A振幅 ()是个常数，表明码元的包络是矩形脉冲，W1和W0为两个不同的频率的码元的角频率。其电路图设计如下：2.2 解调2FSK信号的解调方法有：包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零点检测法等，在这个课程设计里我们采用包络检波法。2.2.1带通滤波器此电路通过上、下两个带通滤波器，滤去带外噪声，滤除掉高次谐波并将校信号放大。上支路只准许频率为f1的高频信号通过，下支路只准许为的高频信号通过。这里我们用放大器741和电容、电阻构成。2.2.2包络检波器和抽样判决器由窄带滤波器输出的高频信号通过变容二极管构成的检波器，包络检波器将各自的包络取出至抽样判决器，抽样判决器在抽样脉冲到达时对包络的样值和 (上边路为V1,下边路为)进行判决，判决准则是当抽样值满足判为频率代表的数字基带信号，即“1”码；当时判为频率代表的数字基带信号，即“0”码。其电路设计图如下： 若发送端调制有“1”，“0”信道噪声是高斯白噪声，则信道中传输时的为与高斯白噪声的混合信号，即。此信号通过中心频率的窄带滤波器，输出和窄带高斯白噪声混合信号；通过中心频率的窄带滤波器输出是窄带高斯白噪声，注意上下两路噪声的中心频率不同。上下两路通过各自的包络器进行抽样判决，若此时，判输出“1”，这是正确接收；若噪声使,判决输出“0”，这是错误接收。这样便能得到对应于原数字信号的基带脉冲信号，从而达到解调的目的。3 系统进行调试结果本次设计系统仿真采用SystemView，它是一个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。本次设计主要是对系统的发端和收端进行仿真，其2FSK调制器的输出端、收端的输入点（即加了噪声后接收到的信号）、解调器的输出端等几个地方进行测试，其仿真电路图及仿真波形分别如下图： (A)系统仿真电路图 (B)NRZ码元波形 (C)键控法产生的2FSK波形 (D)上路经过包络检波后的波形 (F)下路经过包络检波后的波形 (G)2FSK信号经解调后的波形结 论本次设计用键控法实现2FSK信号。2FSK信号的接收主要分为相干和非相干接收两类，本次设计采用非相干法(即包络解调法)，用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为和的高频脉冲，经过包络检波后分别取出它们的包络。把两路输出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。设计由以下单元构成。2FSK调制单元：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频率源的振荡作为输出。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渡频率，它的转换速度快，波形好。 (1)时钟脉冲产生和分频器(2)滤波电路和数字键控开关FSK解调单元：2FSK信号的解调方法有：包络检波法、相干解调法、鉴频法、过零点检测法等，在这个课程设计里我们采用包络检波法。(a)带通滤波器(b)包络检波器和抽样判决器 本次设计实现了2FSK移频数据传输调制与解调电路。参考文献1、 樊昌信著 通信原理教程 北京 电子工业出版社 2006 第124页第126页。2、 罗卫兵、孙桦、张捷编著 SystemView 动态系统分析及通信 西安 西安电子科技大学出版社 2001 第59页第63页。3、 鲜继清、张德民主编 现代通信系统 西安 西安电子科技大学出版社 2002第96页第99页。4、 王钦笙、毛京丽、朱彤编著 数字通信系统 北京 北京邮电大学出版社 2003第44页第49页。5、 阎石主编：数字电子技术基础（第四版）北京 高等教育出版社 2006 第108页第112页。6、 康华光主编：电子技术基础模拟部分（第四版）北京 高等教育出版社 2006 第122页第128页。7、 樊昌信等通信原理北京 国际工业出版社 1995 第124页第126页。8、 曹志刚，钱亚生现代通信原理北京：清华大学出版社1992 第124页第126页。9、 朱祥华现代通信基础与技术M北京：人民邮电出版社，2004 第77页第80页。10、 达新宇，陈树新，王喻，林家薇。通信原理教程.北京：北京邮电大学出版社，2006 第84页第86页。11、 陈光东，赵性初单片微型计算机原理与接口技术 北京 北京人民邮电出版社 2005 第54页第57页。5 附录（总设计电路图）附录（器件清单）表一FSK调制与解调电路设计所需器件器件名型号数量备注7412405319013474F04374LS743C115P1C40.062F1C50.1F1C60.051C7,C8,C90.13C11，C12,C14,C171U6C131000P1C15200P1CRYI4096K1IN2702L123UH1L133UH1R11K1R61201R7,R9,R1047K3R8,R1150K2电位器R12,R134.72R17，R23，R24，R271004R18,R2510K2R19,R291.5K2R20,R285K2R21,R22,R30,R264.7K4R31,R333002R32,R345102万能板1拨动开关3后 记课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。 回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以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是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计历时两个星期多左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。 这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，进行仿真实验，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。 通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和团队人员这十几天的一起工作的日子，让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的实习，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。这个工程确实很累，但当我们仿真实验成功的时候，当我们连好线，按下按钮示波器上显示的是我一生以来最好听看的画面，我们的心中就不免兴奋，不免激动。以前种种艰辛这时就变成了最甜美的回忆！ 对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！设计，给人以创作的冲动。在画家眼里，设计是一幅清明上河图或是一幅向日葵；在建