基于锁相环的FSK数据收发传输系统实现研究

摘要..................................................................................................................................................................ABSTRACT.........................................................................................................................................................II目录..............................................................................................................................................................I.I第1章绪论......................................................................................................................................................11.1课题研究的背景和意义.....................................................................1.2国内外的研究水平..................................................................................................................21.3本文的主要研究内容及章节安排.....................................................................................2第2章系统理论分析及总体设计方案..................................................................................................42.1二进制频移键控...............................................................................................2.1.1基本原理..........................................................................................................2.1.3FSK信号的解调方法.........................................................2.2锁相环..........................................................................................................................................72.2.1锁相环路的工作原理......................................................2.2.2锁相环路的组成部分......................................................2.2.3锁相环路的基本方程......................................................2.2.4锁相调频电路.....................................................................................................102.3系统总体方案设计...............................................................................................................112.3.1发射机方案设计................................................................................................112.3.2接收机方案设计................................................................................................112.4本章小结..................................................................................................................................12第3章系统的硬件设计...........................................................................................................................133.1发射机硬件设计...................................................................................................................133.1.1锁相频率源设计................................................................................................133.1.2功率放大电路.....................................................................................................183.1.3天线........................................................................................................................183.1.5DAC和模拟开关.................................................................................................213.1.6发射机总体框图................................................................................................233.2接收机硬件设计...................................................................................................................233.2.1低噪放大电路.....................................................................................................233.2.2混频器电路..........................................................................................................243.2.3窄带FSK接收机设计.....3.2.4比较器...................................................................................................................273.2.5接收机总体框图·...............................................................................................283.3本章小结..................................................................................................................................28第4章系统的软件设计...........................................................................................................................294.1STM32开发方式介绍..........................................................................................................294.2STM32实现系统整体控制的流程..................................................................................304.3STM32实现对锁相环ADF4001的控制...............................4.5STM32产生脉冲宽度调制信号.......................................................................................334.6本章小结..................................................................................................................................34第5章系统测试.........................................................................................................................................355.1FSK发射机测试......................................................................................................................355.1.1锁相环测试..........................................................................................................355.1.3STM32生成脉宽可调的数字基带5.2FSK接收机测试......................................................................................................................375.2.1混频器测试..........................................................................................................375.2.2接收机输出测试................................................................................................375.3本章小结..................................................................................................................................39结论...............................................................................................................................................................40参考文献..........................................................................................................................................................41致谢....................................................................................................................................................................42数字信号的传输方式有基带传输和带通传输两种。实际中的大多数信道并不能直接用基带信号能够在信道中完成信息传递，需要利用基带信号对系统载波进行调制。能对基带信号进行调制的方法有两种1）通过模拟电路实现数字基带信号的调制，即把数字调制当成模拟调制的一个特例，把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况进行处理2）利用基带信号的离散取值特点通过开关电路键控载波频率值的大小。这种方法通常称为键控法，通过这种方法对载波的相位、振幅和频率分别进行键控，便可获接收端，要想恢复出数字基带信号，可采用相干解调和非相干解调两种解调方式。由和抗衰落性能也较强。因此，FSK调制技术在通信行业得到了广泛地应用。实现FSK信号的调制解调的方式很多，国外相关芯片厂商已经生产出专门用于频移键控是利用载波的频率变化来传递数字消息。在2FSK中，载波频率随二进制基带信号在f和f两个频率点间变化。在FSK信号的已调波形中，若二进制数基带信号直接控制模拟电路输出信号频率的大小来产生FSK信号；键控法则是通过二进制矩形脉冲信号来控制开关电路，通过开关电路对信号频率值大小不同的两个独立锁相环是由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三个模块电路组成的相位负反馈系统。锁相环的本质是通过鉴相器对输入信号相位的比较去控制VCO输出端频率的大小。的。然而，二进制基带信号并不能直接通过网络电缆、光纤或者无线媒介进行传输，成二进制数据，通过相应转换将基带信号变成用计算机所能识别的二进制语言，最终信号已成为科研人员研究其他数字调制技术的理论基础。本文主要研究内容有以下两部分，其一是制作一套基于锁相环的FSK信号的发射究开始时要对FSK调制解调原理和锁相环原理进行理论分析，在深入了解相关理论的基础上，进行硬件部分的设计工作。硬件部分制，利用DA产生模拟电压控制压控振荡器，利用按键完成对FSK信号中心频率的键3、提交可演示工作原理的原型系统，完成现场实物演示；第三章对FSK信号收发传输系统的硬件设计进行阐述。其中发射机部分包括锁相第五章对FSK信号收发传输系统的测试进行阐述。在理论分析的基础上，对各级nn2FSKnnnFSK信号的主要通过两种方式生成：其一是通过模拟调频电路由基带信号控制2FSK信号2FSK信号选通开关选通开关相加器选通开关反相器振荡器f2振荡器f1基带信号信号；而键控法产生的FSK信号，是由不同的频率源在时序上分别通过开关电路形成原理是将FSK信号通过两个不同频点的带通滤波器，将FSK信号分解成两路ASK信12带通滤波器f1带通滤波器f1相乘器低通滤波器输入输出抽样脉冲抽样判决器带通滤波器f2相乘器低通滤波器带通滤波器f1带通滤波器f1包络检波器输入输出抽样脉冲抽样判决器带通滤波器f2包络检波器再通过中放电路和鉴频回路完成信号的解调。鉴频法解调FSK信号的核心就是鉴频回路，通过鉴频回路，系统把FSK信号的上下频点变成两种电压信号，电压信号经低通差分检测法的原理是通过对FSK信号与其延迟后的信号比较，通过比较信号之间的相位差值恢复数字基带信号的。当FSK信号通过系统有严重的延迟失真时，由于失过零检测法的原理是通过检测过码元内零点数目的多少，用来区分两个不同频率列，脉冲序列经微分和整流电路形成脉冲序列，即为FSK信号的过零点。脉冲信号通其一作为系统信号输出，另一部分通过前置分频器与锁ua鉴相器本质上是相位比较器，用来比较锁相环参考信号的相位和压控振荡器（VCO）输出信号的相位。鉴相器的输出电压与两个比较信号的相位差成正比。鉴相器的功能可由乘法器实现，设鉴相器的输入信号即锁相环参考信号电压为Me]通过锁相环的鉴相器电路，鉴相器两个输入信号的瞬时相位差θd--VcVcVc0V0V0VVUeeV13、锁相环方程描述了锁相环输入输出信号相位之间始终相等的关系，其具体关系eRVR器，这种程度的窄带滤波性能是其他形式的滤调制信号调频波1、环路滤波的带宽应包含VCO自身震荡2、调制信号在频率上产生的变化多环路滤波器不起影响，调制信号能控制压控锁相环硬件模块用集成锁相环频率合成器芯片ADF4001和压控振荡器芯片通过程序控制单片机STM32产生基带信号，由基带信号控制模拟开关的开和关。锁相环和单片机产生的FSK信号，由于功率较小，不能满足系统要求，后级必须加入功率放大电路。用三极管搭建的丙类功率放大电路可以满足系统要求。FSK信号由于它的实用性，其解调已经可以用集成芯片实现。结合具体芯片实现解通过鉴频器模块的FSK信号并不是基带信号，要完成FSK信号的解调，芯片HA12413后级需添加比较器模块。通过鉴频器鉴频后的FSK信号，产生与调制信号频本章第一部分详细介绍了FSK信号调制解调的理论知识，第二部分介绍了锁相环基于模拟调频法生成FSK信号。用模拟开关和DAC控制锁相环完成具体频率FSK信在理论研究的基础上，确定系统的工作流程，同时由系统的功分两部分进行输出，满足系统对锁相环指标的要求。功能的需求，可对参考信号和VCO反馈信号进行相位误差鉴别进而将相位误差输入到提高了芯片程控的简易程度。二、锁相频率源的设计思路和实现方案谐振回路经pin3和pin4引脚接入，主要器件有电感L7、L8、L9和变容二极管D2、是变容二极管的容值也不可过大，因为大容值的变容二极管通常Q值较低，会恶化压联得到。压控振荡器输出端分两路提供鉴相器输入频率RFINA和锁相环锁定频率RFOUT。器器馈信号脉冲，芯片内部的鉴相器通过比较两路脉冲信号的频率和相位关系输出鉴相脉信号输入器输入信号至低通滤频率之间的关系如何，鉴频鉴相器输出信号比较后的最大电压，控制VCO直至二者频比，因无源滤波器设计简单、成本低廉、对带内噪声影响小，本文选用无源二阶滤波AD公司提供的ADISimPLL软件能完成锁相环的整体仿真，通过仿真结果软件给出锁相环环路滤波器部分各独立元件的设计参数。由软件仿真获得环路滤波器设计结此判断是否环路滤波器的设计是否达到要求。VinVoutVinmmH/cHBeesPhasePhaseNoiseat25.0MHzTotalLoopFilterChipVCO结合软件仿真后的结果，对环路滤波器经行硬件电路焊接和调试。最终，环路O12.00010020030040050060070锁相环产生的FSK信号由于功率较小，需经过功率放大电路得到足够的输出功率cfSTM32系列是专为要求高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用专门设计的ARMSTM32拥有三种不同的低功耗模式和一个通用的超频方案使用户可以相对于性能己独立的供电部分。从低功耗模式启动的启动时间比从Stop模式启动的启动时间短和5V电压供电，所以系统采用可以将5V电源电压转换为3.3V的稳压芯片载模块，用KEIL软件编写的C语言程序通过通过仿真器和JTAG模块可以下载到STM32处理器作为系统的主控，除了最小系统外，还为控制模块，所以系统在设计的时候，为STM32文决定用DAC模块生成一个模拟电压，控制锁相环的VCO，产生FSK信号的另一个也需要考虑DAC转换器的输出形式、通道数等。本文要求信号控制模拟开关的使能端，使DA产生的模拟电压在基带方波信号逻辑电平为“1”开关截至，DA产生的模拟电压不能影响VCO，锁相环锁定频率f1。考虑到噪声系数、线性度以及成本后，本论文选择了美信半导体(Maxim)生产的混频（或变频是将信号频率由一个量值变换为另混频器的输出包括两个信号，上变频分量和下变频分量，下变频分量在电组成。具有灵敏度高，噪声低，工作电流小，低噪放大混频HA12413比较器调制信号本章介绍了系统硬件部分各模块选择的芯片和具体的设计电路。实际制作后，本文确定的方案能满足课题对系统指标的要求，能完成FSK信号的发射接收工作。本章确号。由于接收机功能是为验证发射机是否能发射FSK信号，没有程控内容，本章重点研究一个芯片的外设要怎样配置寄存器才能驱动起来。本文用KEIL软件经行STM32的程序编写，程序基于C语言，利用J-LINK仿真开始开始Y出控制DA输出频率，在此基础上才能配合外围电路输出不同中心频率的FSK信号。要使锁相环输出VCOREFIN