1、通信原理课程设计FSK课程设计任务书学生姓名： 龙江游 专业班级： 电信1204 指导教师： 苏杨 工作单位： 信息工程学院 题 目：FSK通信系统的设计初始条件： 具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、完成FSK移频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。2、完成系统中相关调制、传输以及解调模块电路的设计。3、载波信号频率：256KHz、128KHz、峰值：5V；基带信
2、号为M序列，峰值为1V的方波。4、安装和调试整个电路，并测试出结果；5、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。时间安排： 二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名： 年 月 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要2FSK是利用载频频率变化来传输数字信息。本课程设计的内容主要是，设计是进行FSK的调制与解调系统设计，并运用Multisim仿真软件进行电路软件仿真模拟。在课程设计中先根据FSK调制与解调原理构建调制解调电路，然后从Multisim工具箱中找出所需各元件，合理连接好并设置好参数，运行电路,根据仿真的结果来判断电路是否正确，模拟是否成功。关键词：Multis
3、im，FSK，2FSK，调制，解调，模拟开关概述数字载频信号又可分为相位离散和相位连续两种情形。若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间的相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号；若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，是对其中一个载频进行分频，这样产生的两个载波就是相位连续的数字调频信号。在实际通信系统中，大部分信道不能直接传输基带信号，必须用基带信号对载波波形的参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即以正弦波作为载波的数字调制系统。和模拟调制一样，数字调制也有调幅、调频和调相三种基本形式。调频信号即2FSK信号是数字通信系统使用较早的一种通信方式，由于这种通信方式容
4、易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在低速数据传输通信系统中得到了较为广泛的应用。1.基本原理1.1信号调制原理2FSK信号波形图如2.1.1图所示，它是由调制信号去控制载波信号，用载波的频率来传递数字信息，即用所传递的数字消息控制载波的频率。图1.1.1 2FSK信号波形图FSK信号的产生有两种方法：直接调频法和频移键控法，如图1.1.2所示。直接调频法是数字基带信号直接控制载波振荡器的振荡频率。虽然方法简单，但频率稳定度不高，同时转移速度不能太高。频移键控法有两个独立的振荡器。数字基带信号控制开关，选择不同频率的高频振荡信号，从而产生FSK调制。图1.1.2 2FSK信号调制方法本设计采用
5、键控法产生2FSK信号，即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。1.2信号解调原理2FSK信号的解调方法有：非相干解调法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等。过零检测法是利用信号波形在单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。图1.2.1 2FSK 过零检测解调电路原理框图输入的FSK 信号经限幅放大后成为矩形脉冲波，再经过微分电路得到双向尖脉冲，然后整流得到单向尖脉冲，每个尖脉冲表示一个过零点，尖脉冲的重复频率就是信号频率的两倍。将尖脉冲去触发一单稳电路， 产生一定宽度的矩形脉冲序列，该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比，即与输入信号成正比。所以经过低通滤波器输
6、出的平均分量的变化反映了输入信号频率的变化，这样把码元“1”与“0”在幅度上区分开来，再通过判决恢复出数字基带信号。其原理框图如图1.2.1所示，各点波形图如图1.2.2所示。图1.2.2 过零检测电路信号波形锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化,环路锁定后输入参考信号和输出参考信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益被控制在所需数值范围内。这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性.利用此特性可以做载波跟踪型锁相环及调制跟踪型锁相环。调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相器获得变化的相位误差的电压，该误差电压通过低通滤波
7、器被滤出高频成份，从而获得随调制信号频率变化而变化的解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程，其原理框图如图1.2.3所示。本设计采用过零检测法来解调信号。2.单元电路设计2.1分频器电路设计与工作原理将主载波按设计技术指标要求，一般用D触发器构成适当的分频电路，获得载频f1、f2和序列所需的时钟信号。本实验系统，将主载波16KHZ进行二分频得8KHZ信号作f1；将8KHZ载波进行二分频得4KHZ信号作f2；再将4KHZ四分频得1KHZ信号作为fs，为M序列发生器提供编码时钟信号。分频器的实际电路如图2.1.1所示：图2.1.1 分频器原理图2.2 M序列发生器电路设计与工作原理M序列也称作伪随机
8、序列，它的显著特点是：（a）随机特性；（b）预先可确定性；（c）可重复实现。电路原理图如图2.2.1所示：图2.2.1 M序列码发生器电原理图四级伪随机码Q3Q2Q1Q01111011100110001100001000010100111000110101101011010110111101111从图中可知，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。本电路是利用带有两个反馈抽头的4级反馈移位寄存器，该电路输出的信码序列为:111101011001000。如右边列表所示：2.3调制器电路设计与工作原理2FSK信号的产生通常有两种方式：（1）频率选择法；（2）载波调频法。由于频率选择法产
9、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（或）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。载波调频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。图2.3.1 门电路与电子开关构成的调制器电原理图在这里，我们采用的是载波调频法，其调制器电路原理图如图2.3.1（A）或（B）所示：其工作过程是：从“信码IN”输入的基带信号分成两路，1路经（74LS00）反相后接至OOK2（74LS00）的控制端，另
10、1路直接接至OOK1的控制端。从“载波f1”和“载波f2”输入的载波信号分别接至OOK1和OOK2的输入端。当基带信号为“1”时，门电路OOK1 打开，OOK2关闭，输出第一路载波；当基带信号为“0”时，OOK1关闭，OOK2打开，此时输出第二路载波，再通过相加器就可以得到2FSK调制信号。波形如图2.3.2所示。图2.3.2 2FSK信号波形要实现2FSK信号，除用上述门电路调制器外，我们还可采用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个不同的频率源作为输出。键控法产生的2FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过度频率，它的转换速度快，波形好。输入的基带信号由转换开关分成两路，一路控制f1=8
11、KHz的载频，另一路经倒相去控制f2=4KHz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=8KHz，当基带信号为“0”时，模拟开关2开通。此时输出f2=4KHz，于是可在输出端得到2FSK已调信号。如图2.3.3所示: 图2.3.3 2FSK已调信号2.4解调电路设计与工作原理过零检测法是利用信号波形在单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。解调系统组成原理框图如图2.4.1所示电路图2.4.1输入的FSK 信号经限幅放大后成为矩形脉冲波，再经过微分电路得到双向尖脉冲，然后整流得到单向尖脉冲，每个尖脉冲表示一个过零点，尖脉冲的重复频率就是信号频率的两倍。将
12、尖脉冲去触发一单稳电路，产生一定宽度的矩形脉冲序列，该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比，即与输入信号成正比。所以经过低通滤波器输出的平均分量的变化反映了输入信号频率的变化，这样把码元“1”与“0”在幅度上区分开来，恢复出数字基带信号。2.5限幅、微分、整流、展宽电路脉冲形成电路用双J-K触发器74LS107、二极管、阻容等元件组成。图2.5.1 脉冲形成电路图该电路具有单稳态特性，它的稳定状态是：Q=1或=0。当CP端有输入信号触发时，输入信号的下降沿使电路状态发生改变:Q=0或=1。这时J-K触发器清零端的电压VRD将缓慢降低，当降至1.4V左右时，触发器清零，电路又回到稳定状态，此时，二
13、极管导通，电容C经二极管正向电阻rD 反向充电，因为反向充电的时常数充= rDC 较小，因而触发器清零端的电压会很快上升至高电位上，保证Q端维持低电平。显然，输入信号的下降沿作用后，清零端电平下降到1.4V左右的时间长度与脉冲宽度有关，脉冲宽度放=W1C，调节W1可以改变形成脉冲的宽度。调节W1使脉冲形成电路上下两支脉冲的宽度分别小于T1/2（T1=1/f1），保证两路脉冲叠加后不混叠，但也不能使脉宽过窄，因为形成脉冲的宽度将影响低通滤波器输出幅度2.6电压比较器电路电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中，所谓电压比较器就是将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二
14、者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域电压比较器的主要任务是将输出的数字基带信号进行零电平判决与实现波形的变换，使之成为规则的矩形波。其基本电路构成如图2.6.1所示：它由通用电压比较器芯片LM311构成，其反相输入端接分压电位器的中心抽头，以取得参考电压Vb；当输入信号电压ViVb输出为1；当输入信号电压ViVb输出为0图2.6.1 电压比较器2.7低通滤波器为了获得良好的幅频特性，脉冲展宽电路输出端所接的低通滤波器的带外衰减应很快，达40dB/十倍频程。其电路如图2.7.1所示。图中所示的低通滤波器为二
15、阶有源低通滤波器。能提供40dB/十倍频程衰减量，由截止频率公式知： 图2.7.1 低通滤波器 2.8抽样判决器电路组成与工作原理抽样判决器的功用是：在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。过零检测电压比较器输出的信号，必须进行码再生电路（即抽样判决电路）才能恢复出和发送端相同的非归零码。在2FSK通信系统中，抽样判决电路通常用触发器对判决信号进行抽样再生，其基本电路如图2.8.1所示：输出信号波形如图2.8.2所示。由图可见，该电路使用D触发器构成，其时钟信号是由码元定时电路恢复的与发送端同频同相的位同步信号。图2
16、.8.1抽样判决电路图2.8.2抽样判决器输出波形3.电路仿真3.1仿真电路图3.2仿真结果4.实物制作 4.心得体会本次课程设计题目是2FSK调制电路的设计，开始时在网上和图书馆查找相关的资料和书籍。之后翻阅资料了解2FSK的基本工作原理和框架结构，利用Multisim仿真软件设计电路图，修改不同元件的参数。利用示波器检查输出信号。这次的课题看上去不算太难，但是我们在设计的过程中还是遇到了许多之前没有想到的问题，信号的调制部分我们做的还算顺利，很快就有了结果，但是解调部分却始终没有做出来，我们尝试了多种方案，修改相关参数，结果一直不理想，很遗憾的是这个问题直到最厚也没得到解决。这次课程设计给
17、我的感触是仿真的事物与实际做出的产品所要获得的结果又许多差异。经过这次课程设计，我们不仅完成了设计内容，更重要的是学到了很多课堂上得不到的东西。我体会最深的是仿真的设计与实际的设计有太大的变化，有许多的不确定因素在里面，这都是我们需要考虑到的。在设计过程中，我们查阅了大量的有关书籍，巩固了以前所学过的通信原理知识。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。参考文献1 通信电子线路 刘泉 武汉理工大学出版社2 通信原理 樊昌信，曹丽娜 国防工业出版社，20083 通信电子电路 于洪珍 北京清华大学出版社,
18、 2005.本科生课程设计成绩评定表姓 名龙江游性 别男专业、班级电信1204班课程设计题目：FSK通信系统的设计课程设计答辩或质疑记录：1.2FSK的含义？答：2FSK的含义为二进制频移键控，2FSK信号的特点是传号“0”和“1”的载波频率分别为f1和f2，实现过程又分为相位不连续及相位连续两种频移键控信号。2FSK是利用载频频率变化来传输数字信息。若两个振荡频率分别由不同的独立振荡器提供，它们之间的相位互不相关，这就叫相位离散的数字调频信号；若两个振荡频率由同一振荡信号源提供，是对其中一个载频进行分频，这样产生的两个载波就是相位连续的数字调频信号。2.FSK解调有哪些方式？答：FSK解调有相干解调，非相干解调又分包络检波法和过零检测法。3.过零检测法原理？答：输入的FSK 信号经限幅放大后成为矩形脉冲波，再经过微分电路得到双向尖脉冲，然后整流得到单向尖脉冲，每个尖脉冲表示一个过零点，尖脉冲的重复频率就是信号频率的两倍。将尖脉冲去触发一单稳电路，产生一定宽度的矩形脉冲序列，该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比，即与输入信号成正比。所以经过低通滤波器输出的平均分量的变化反映了输入信号频率的变化，这样把码元“1”与“0”在幅度上区分开来，再通过判决恢复出数字基带信号。成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日
