【《2FSK调制解调系统中各单元电路设计及Multisim仿真分析》4600字】

2FSK调制解调系统中各单元电路设计及Multisim仿真分析目录TOC\o"1-3"\h\u150432FSK调制解调系统中各单元电路设计及Multisim仿真分析 1132721.1主载波振荡器电路设计与工作原理 1155181.2分频器电路设计与工作原理 267591.3波形变换电路设计与工作原理 4235971.4m序列发生器电路设计与工作原理 5315261.5调制器电路设计与工作原理 6205561.6过零检测2FSK信号解调电路设计与工作原理 9240281.7低通滤波器电路设计与工作原理 11257471.8电压比较器电路组成与工作原理 12324871.9抽样判决器电路组成与工作原理 13118881.102FSK调制与解调系统整体电路仿真原理图与所用器材表 13通过以上原理分析，在设计硬件电路时，我选用数字键控法和过零检测法，以下是各单元电路的设计与波形仿真。1.1主载波振荡器电路设计与工作原理要产生2FSK调制信号，首先通过载波振荡器生成一个载波和信码定时信号。在这里我使用4个7404N与电阻电容串并联构成多谐振荡器。本次设计的电路系统中，通过计算，先产生一个振荡频率为16kHz的载波，而且它的输出频率能改变。通过仿真实验与计算，使用门电路组成的振荡器既简单又稳定。经过计算，这个门电路的振荡周期为：T≈2.1RC，由此可得其Multisim电路仿真原理图如图3-1-1所示：图4-1-1主载波振荡器电原理图由上图3-1-1的模拟仿真电路图可以得知，将一个R(R1)C(C1)延时电路加入到三个7404N之间，在设置参数时，将电阻和电容值设得稍大一些，这样就可以忽略传播延迟时间。把电源接入电路后，电容器就会充电和放电，这样就会使得U1A两端的电压随之发生改变。一旦U1A两端的电压到达临界值电压Vt=1.4V时，在示波器上我们就能看到其波形发生了翻转，以此可以知道电路也一直在发生翻转，在电路一直反转时，U4D的右端就会产生连续不断的矩形波，这就是电路产生了振荡的体现。将R1设置为滑动变阻器，这样RC值的改变也将更为容易，一旦RC值改变，电路的振荡频率也会产生变化。将电阻图3-1-2主载波信号波形图1.2分频器电路设计与工作原理想要得到符合我们设计要求的主载波信号，在这里我们利用4个74LS74D构成分频电路，这样就能产生f1和f2的载波，在最后还可以得到单位时钟信号以便和产生的M序列相结合。本设计系统中，f1是由主载波16kHz通过第一个D触发器二分频得到的8kHz信号；f274LS74芯片内含两个D触发器，在各种电路系统中它都能发挥重要作用，例如在寄存器，移位寄存器，振荡器，单稳态，分频计数器中。将多个74LS74组合起来，可以实现不同的功能，应当根据实际情况灵活运用。下图为74LS74内部引脚图及真值表：图4-2-174LS74内部引脚图及真值表分频器的仿真电路如图3-2-2所示：图3-2-2分频器电路原理图分频电路输出信号波形如图1.2.2所示：图3-2-2分频电路输出信号波形从上到下，以此为1kHz的载波以用作编码时钟信号；波形为8kHz的载波信号；波形图为4kHz的载波序列。通过比较他们的频率得知，以上波形结果正确。1.3波形变换电路设计与工作原理此时，从分频器电路输出的信号波形是方波，而根据设计要求，我们要把载波的波形转化为正弦波。利用低通滤波器，可以实现上述功能。其4kHz转换电路仿真如图3-3-1所示。图3-3-14KHZ转换电路在测量了信号进出的两个点的波形后，通过上图可以发现矩形信号变为了正弦信号，结果符合上述说明。1.4m序列发生器电路设计与工作原理m序列在众多电路设计中都会用到它，产生的是伪随机序列，它有许多非常鲜明的特征：（1）“0”和“1”随机产生；（2）通过改变其输入参量确定其输出信号；（3）可循环利用。在本次毕业设计中，我选用了两个74LS86D、一个74LS04D、一个74LS175D级联为四级移位寄存器，由此求得伪随机码序列长度为24下图为74LS74内部引脚图：图3-4-174LS74内部引脚图四级伪随机码Q3Q2Q1Q01111011100110001100001000010100111000110101101011010110111101111图3-4-2是电路设计系统中4级伪随机序列码发生器电原理仿真图。图3-4-2m序列发生器电原理图上图中我们容易得知，这是由4级D触发器和异或门组成的4级反馈移位寄存器，且它带有两个反馈抽头，我列出了它的真值表，此M序列发生器得到的信码序列为：111101011001000。信号波形如图3-4-2所示：图3-4-2基带信号波形图1.5调制器电路设计与工作原理接下来我们需要获得2FSK信号，我们将选用：（1）频率选择法；（2）载波调频法。使用第一种方法时，通过两个不同的振荡电路生成频率不同的载波信号，再把他们相互叠加，就能得到2FSK信号。当二进制码元的参数发生变化（或）的瞬间，一般来说，由这种方法得到的调制信号，它的相位是间断的，这样2FSK调制信号功率谱旁瓣分量的约束将会因此实现起来就会变难。选择载波调频法时，生成2FSK信号将会变得相对容易，通过直接调频器就能得到。在获得符合条件的2FSK信号后，我们会发现这个振荡电路产生了整个2FSK信号，无论载频如何变化，将会得到一个相位间断产生的2FSK信号，2FSK调制信号功率谱旁瓣分量抑制起来将会更加简单，如此，就能把信号功率约束在信号带宽内。在此设计电路中，采取载波调频法更为合适，其调制器电路原理图如图3-5-1（A）或（B）所示：图3-5-1门电路与电子开关构成的调制器电原理图由图3-5-1(A)可知，当我们选用四个74LS00D构成2FSK信号调制系统时，它的调制过程是：基带信号从“信码\IN”输入进入74LS00D，在进入74LS00D前信号分为了两部分，一部分通过第一个（74LS00）反相后接入到了第二个74LS00D（K2）的一端，另一部分则接入到第三个74LSOOD（K2）的一端。从分频器得到的两个载波信号f1图3-5-22FSK信号波形为了产生2FSK信号，不仅可以利用四个门电路74LS00D组合成的调制系统，还有另一种方法是可以选用一个开关电路4066BD，而输入的基带信号可以控制它的输出，从而产生两个在频率上相差较大的信号，且两个频率产生电路互不干扰。选用键控法时，由它生成的2FSK信号频率波动小、受噪声干扰低且频率相对稳定，利用4066BD产生的2FSK信号转换速度快，波形易于观察。由四双向模拟开关4066BD构成的调制电路系统仿真电路图如图4-5-1（B）所示：把基带信号输入电路中，再接入到转换开关，它能将信号分为两部分，一部分用来控制输入f1=8kHz的载波，另一部分将其相位翻转后去控制一个输入f2=4kHz的载波。当基带信号产生的是高电平时，模拟开关1打开，模拟开关2就会被关闭，此时输出f1图3-5-34066BD内部引脚图图3-5-4CD4066产生2FSK信号波形图上面的波形为基带信号，下面的波形为2FSK调制信号。1.6过零检测2FSK信号解调电路设计与工作原理由上述的原理介绍可以知道，我将选用过零检测法来完成对2FSK已调信号的解调，从下图可以看出，应当由七个单元模块来实现对2FSK信号的解调。在本次仿真电路设计中，所有的模块电路处于理想化情况，传输的2FSK信号没有经过信道，波形的频率、相位等参量不发生变化，信道的噪声不会干扰信号的生成，因此限幅、微分、整流和脉冲这四种功能可以利用数字电路来完成，其Multisim仿真电路如图3-6-1所示。电路输出信号波形如图4.6.2所示。图3-6-1限幅、微分、整流、展宽电路原理图从上图可以得知，该脉冲形成电路由双JK触发器74LS107、二极管1DH62、滑动变阻器、电容器、双输入与非门电路等元件组成。分析该电路的特性，该电路的输出信号只有在高或低电平时才保持稳定状态，它的稳定状态可以这样表示：Q=1或=0。当有信号从CP端接入时，输入信号由高电平降为低电平时，电路将会发生翻转，它会变换为：Q=0或=1。这个时候JK触发器74LS107D清零端的电压将缓慢降低，当电压大约降到1.4V时，触发器此时将变为零状态，电路这时候又会保持稳定状态不变，此时，二极管接入电路，电流通过二极管正向电阻rD后，其左边的电容器就会反向充电，由于反向充电时常数τ充=rD，电容器C的值很小，此时JK触发器74LS107D的清零端又会回到高电平状态，确保Q端还是处于低电平状态。由此易知，当输入信号从高电平变为低电平后，JK触发器74LS107D的清零端电平经过一段时间将下降到接近1.4V，此时间长短会随矩形波的宽度的变化而变化，矩形波的宽度τ放=W1C，改变W的大小，输出信号的宽度就会随之发生改变。改变W1图3-6-2限幅、微分、整流、展宽电路输出信号波形1.7低通滤波器电路设计与工作原理要使得到的幅频特性易于观察记录，必须要在过零检测解调模块输出端接入一个低通滤波器，而且要求带外衰减要在短时间内完成，达到40dB每十倍频程。在此次设计系统中，其仿真电路如图4-7-1所示。输出信号波形如图1.7.2所示。下图为二阶有源低通滤波器。它的截止频率公式为：ω图3-7-1图3-7-1低通滤波器电路原理图图3-7-2低通滤波器输出信号波形图图3-7-2低通滤波器输出信号波形图在测量各点的波形过后，得到了如上图的波形图，从第三个波形可以看出，在低通滤波器的作用下，经过过零检测电路得到的信号仅允许低频信号通过，结果符合预期。1.8电压比较器电路组成与工作原理在本设计系统，低通滤波器产生出的基带信号送入电压比较器后，会判断输入的信号的电平，再将波形变换，让它成为形状规则的矩形波。其电路仿真原理图如图3-8-1所示：输出信号波形如图1.8.2所示。观察下图的电压比较电路，LM311是其主要元件，它常见于各类电路中，LM311反相输入端接入到分压电位器的中心抽头，这样得到它的参考电压为Vb当输入信号电压Vi≥Vb输出为1当输入信号电压ViLM311电压比较器具有能适用于很多电路系统中，它是一种随处可见的线性比较器。它不仅适用于此电压比较电路，在各类整形电路中也能经常看到它的身影。图3-8-1电压比较器电路原理图图3-图3-8-2电压比较器电路输出信号波形图1.9抽样判决器电路组成与工作原理在本次电路设计系统中，抽样判决器的功能是：当信号传输时有噪声以及其他不可抗因素干扰时，把通过低通滤波器信号的输出波形进行采样，并一定时间内（由位定时脉冲控制）判断其电位情况，这样就能解调出基带信号。利用过零检测法，在电压比较器输出端生成基带信号，把得到的信号送入到码再生电路（即抽样判决电路）中，解调出与M序列发生器生成的基带信号一致的非归零码。在此次2FSK调制解调电路中，为使电路简便，我利用74LS74D对判决信号采样后再重新生成，它的仿真电路如图4-9-1所示：输出信号波形如图4-9-2所示。从图中可以得知，码元定时电路经解调就会产生抽样判决器的时钟信号，而且此时钟信号与源信号有相同的频率和相位。图3-9-1抽样判决电路原理图图3-9-1抽样判决电路原理图图3-9-2抽样判决电路输出信号波形图图3-9-2抽样判决电路输出信号波形图