高频电子线路课程设计2FSK调制解调电路设计.doc

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1、 兰州理工大学计算机与通信学院2011年秋季学期高频电子线路课程设计题 目： 2FSK调制解调电路设计 专业班级： 09级通信（3） 班 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 摘要本文采用专用集成电路4066BD，实现了2FSK调制电路和解调电路的设计。本设计首先对本次设计的思路进行的阐述，对数字调制解调的基本原理、集成电路4066BD的内部结构及基本工作原理进行了详细的介绍，并基于4066BD设计了2FSK调制解调电路，最后详细给出制作电路的步骤和方法以及在制作过程中的问题，得出结论。测试表明，该电路基本符合设计要求。关键词2FSK；调制；解调；4066BD 目录一、摘要-2二、前言-4

2、三、基本原理-4四、 课程设计内容，要求和指标-7五、硬件设计-8六、锁相环解调电路-12七、整体电路图设计与仿真-10八、设计总结-21九、参考文献-22 绪论“锁相环技术”是近几年来迅速发展起来的一门技术，由于它的环路结构简单，性能良好。在许多新型的电子设备中，特别是在通信系统中，得到广泛的应用。随着通信技术的发展，锁相环技术在调制解调中扮演着越来越重要的角色。锁相环技术所以能得到这么广泛的应用，是由于其独特的优良性能所决定的。本设计用到的锁相环的跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器，它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。在数字通信系统中，由于数字信号具有丰富的低频成

3、分，不宜进行无线传输或长距离电缆传输，因而同模拟调制一样，需要将基带信号进行高频正弦调制，即数字调制。与模拟调制相比，数字调制并无本质区别，都属于正弦波调制，但是数字调制系统也有自身的特点，其技术要求与模拟调制系统也有不同。一般来说，数字调制技术可分为两种类型：一是利用模拟方法实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；二是利用数字信号的离散取值特点去键控载波，从而实现数字调制，这种方法通常称为键控法。常用的数字调制方式有振幅键控（2ASK）、移频键控（2FSK）、移相键控（2PSK）等。随着科技的发展，电子产品市场运作节奏也进一步加快，涉及诸多领域的现代电子技术已迈入一个全新

4、的阶段，如何把锁相环的强大优势发挥出来，就是目前电路研究发展的方向了。把锁相环技术应用与高频2FSK信号的接收解调中，从而使电路性能得到进一步的改善，这对数字电路来说也算是个不小的突破。课程设计内容，指标和要求一、目的及意义通过课程设计，使我们加强对高频电子技术电路的理解，学会查寻资料方案比较，以及设计计算等环节。进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手独立开展电路实验的机会，锻炼分析解决高频电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强我们的实践能力。二、设计任务及主要技术指标和要求（1）根据2FSK特点，信源输入以

5、及对应的频率自己确定；（2）了解2FSK信号调制解调的原理；（3）解调器用PLL；三、内容和要求要求掌握单元电路：正弦震荡器，调制、解调器，VCO。掌握调制、解调的基本原理。通过实际方案的分析比较，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。2FSK调制解调原理数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载

6、频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。 从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2FSK信号的产生方法及波形示例如图所示。图中s(t)为代表信息的二进制矩形脉冲序列，即是2FSK信号。 根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为 其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列 为对s(t)逐码元取反

7、而形成的脉冲序列，即 是image:bk063764w-11.gif的反码，即若=0，则 =1；若=l，则=0，于是 2FSK信号的功率谱为 其功率谱曲线如图所示，由离散谱和连续谱两部分组成。其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上，这表明2FSK信号中含有载波、的分量。 数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。相干解调2FSK系统的抗噪声性能优于非相干的包络检测，但需要插入两个相干载波电路较为复杂。包络检测无需相干载波，因而电路较为简单。当输入信号的信噪比r很大时，两者的相对差别不很明显。一般而言，大信噪比时常用包络检测法

8、，小信噪比时才用相干解调法。 数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2FS

9、K信号的产生方法及波形示例如图5-7所示。图中s(t)为代表信息的二进制矩形脉冲序列，即是2FSK信号。 根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为 （5-1） 其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列 （5-3） g(t)是持续时间为 、高度为1的门函数； 为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即 （5-4） 是的反码，即若 =0，则 =1；若=l，则 =0，于是 （5-5） 分别是第n个信号码元的初相位。一般说来，键控法得到的与序号n无关，反映在上，仅表现出当与改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于与改变时的相位是连续的，故不仅与第n个信号码元有关，而且之间也

10、应保持一定的关系。 由式（5-1）可以看出,一个2FSK信号可视为两路2ASK信号的合成，其中一路以s(t)为基带信号、为载频，另一路以为基带信号、为载频。下图给出的是用键控法实现2FSK信号的电路框图，两个独立的载波发生器的输出受控于输入的二进制信号，按“1”或“0”分别选择一个载波作为输出。 2 FSK信号的解调 数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。 1. 包络检波法 包络检波法可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同,分别为（、）起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支

11、路对应，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络s(t)及；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号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。若上、下支路s(t)及 的抽，值分别用表示，则抽样判决器的判决准则为 图2 2FSK信号包络检波方框图 2. 相干检测法 相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图5-10所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数

12、字信号。 图3 2FSK同步检测方框图 3. 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。过零检测法方框图及各点波形如图4所示。2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，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波的直流分量。这样就完成了频率幅度变换，从而再根据直流

13、分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。 图4 过零检测法方框图及各点波形图 4. 差分检测法 差分检波法基于输入信号与其延迟的信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。方案设计方案比较2FSK信号波形图如2-1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2-12FSK信号波形图根据设计要求及相关技术指标，可拟定键控法、模拟调制法等两种方案。键控法调制器选用图2-2所示方案，采用石英晶体振荡器构

14、成两个不同频率的载波发生器，用模拟双向开关CD4066实现开关1和开关2，最后用集成运放构成加法电路，最终实现2FSK调制。解调器选用图2-3所示方案，以LC谐振回路实现带通滤波，然后用两个模拟乘法器实现相干解调，最后用集成运放构成抽样判决器，实现2FSK信号的解调。图2-22FSK信号键控法产生原理框图图2-32FSK相干解调法原理框图模拟调制法采用图2-4、图2-5所示方案实现模拟调制解调，以高频锁相环NE564为主体，辅以适当外围元件即可实现。若要构成适用的发射器及接收器，只需增加合适的发射功放及接收滤波、解调放大电路即可。图2-42FSK信号模拟调制法产生原理框图图2-52FSK模拟解

15、调法原理框图方案论证比较而言，选用模拟调制法更为经济、可靠，它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。而高频模拟锁相环NE564的最高工作频率可达到50MHz，采用+5V单电源供电，特别适用于高速数字通信中2FSK、FM调频信号的调制、解调，无需外接复杂的滤波器。实际上，此法案是几年前流行的一种方案。就目前接收机技术来说，锁相环因为起得天独厚的性能优势，在接收机技术上可以有广阔的发展前景。但是因为发送信号的频率比较高，那么如何能够把这种信号很好的解出来，这成了锁相环技术的一种考验。本文主要就是研究利用锁相环，接收高频信号，并把它解调出来。模拟调制法的设计就是在目前接收解调以及锁

16、相环技术的蓬勃发展下，把锁相环技术运用与接收解调中，抛弃原来的纯分离元器件电路，而是利用高频锁相环集成电路，从而把原始信号更好的还原出来。利用锁相环集成电路不但使电路更加简单，而且性能更好，充分体现了集成电路的优势。在未来的世界，锁相环电路将在通信领域大放光彩。随着集成电路技术的发展，目前市面上已有多类专用2FSK收发芯片，如MicroelectronicIntegratedSystems公司的TH7108、TH71112、MICRF500芯片等硬件设计锁相环的基本工作原理锁相环路的系统框图如图3-4所示，由鉴相器PD(Phase Detector)、环路滤波器LF(Loop Filter)和

17、压控振荡器VCO组成的，其中LF为低通滤波器。图3-4锁相环的基本组成框图各部分功能如下：1）鉴相器PD：鉴相器是一个相位比较器，完成对输入信号相位与VCO输出信号相位进行比较，得误差相位e(t)= i(t)- o(t)。2）环路滤波器LF：环路滤波器(LF)是一个低通滤波器(LPF)，其作用是把鉴相器输出电压ud(t)中的高频分量及干扰杂波抑制掉，得到纯正的控制信号电压uC(t)。3）压控振荡器VCO：压控振荡器是一种电压-频率变换器，它的瞬时振荡频率o(t)是用控制电压uC(t)控制振荡器得到，即用uC(t)控制VCO的振荡频率，使i与o的相位不断减小，最后保持在某一预期值。当锁相环路处于

18、“失锁”状态时，ui(t)和uo(t)进行相位比较，由PD输出一个与相位差成正比的误差电压ud(t)。ud(t)经LF滤波，取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量uC(t)作为控制电压。显然，uC(t)也将随着相位差的变动作相应变化。uC(t)加到VCO上，从而控制VCO的振荡频率，使o不断改变，ui(t)和uo(t)的相位差不断减小，直至锁相环路进入“锁定”状态。模拟乘法器模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的的有源非线性器件。主要功能是实现两个互不相关信号相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。它有两个输入端口，即X和Y输入端口。 乘法器两个输入信号的极性不同，其输出信号的

19、极性也不同。 集成模拟乘法器的常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。总结这段时间的毕业设计在忙忙碌碌中一晃而过。刚开始，我们头绪不是很清楚，不知道从哪里入手，但通过老师的耐心指导并和同学认真研究设计课题，跑图书馆查资料、确定基本设计方案、对所用芯片功能进行查找、调试、上机仿真等，经历了一次次的困难，却积累了很多宝贵的经验。在整个设计的过程中遇到的问题主要有以下三点，第一：基础知识掌握的不牢固，主要表现在一些常用的电路的形式和功能不清楚，对书本上的内容理解不够透彻。第二：对一些常用的应用软件缺少应用，体现在画电路图和系统的仿真的时

20、候，对这些软件的操作不熟练，浪费了很多时间。第三：相关知识掌握的不够全面，缺少系统设计的经验。这次设计进一步端了我的学习态度，学会了实事求是，严谨的作风，提高了动手能力。对自己要严格要求，不能够一知半解，要力求明明白白。急于求成是不好的，我有所感受。如果省略了那些必要的步骤，急于求成，不仅会浪费时间，还会适得其反。我觉得动手之前，头脑里必须清楚该怎么做，这一点是很重要的。就目前来说，我的动手能力虽然差一点，但我想，通过我的不懈努力，在这方面，我总会得到提高。这一点，我坚信。因为别人能做到的，我也一定能做到。在此次的毕业设计中我最大的体会就是进一步认识到了理论联系实践的重要性。一份耕耘，一份收获

21、。通过这段时间的设计，让我明白科学的思维方法和学习方法是多么重要，只有这样才能够有很高的效率，才能够让自己的工作更完美。总而言之，此次毕业设计让我学到了好多平时在课堂上学不到的东西，增加了我的知识运用能力，增强我的实际操作能力。谢谢老师给我们提供这么好的机会，为我们之后走向社会奠定了一个好的基础。本次设计有机地结合了理论与实践，让我对2FSK及很多调制解调的方法有了进一步的理解，使我对通信有了更实际的认识。同时还锻炼我们实际动手能力，更主要的是它激起我们创新思维，为今后的进一步学习创下良好条件，为以后的就业也打下一个根基，真可谓一举多得。致谢感谢我的指导老师杨柳老师，他们严谨细致、一丝不苟的作

22、风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！本论文还得到了我的导师曾宝国老师的亲切关怀和细心指导，在设计过程中，自始至终凝聚着各位师的心血。恩师们那治学严谨的态度，渊博的学识感染着我。他那诲人不倦、宽厚朴实的作风给我们留下了不可磨灭的影响，是我学习的榜样，使我终生受益无穷。在此论文完成之际，特向恩师表达诚挚的谢意同时以最崇高的敬意。在课题进行当中，笔者还得到了刘雪亭老师等的细心指导和诸多帮助。他们的无私帮助和耐心指导

23、也是我得以完成本课题的关键。再此我向他们表示由衷的感谢和深切的问候。此间我还得到了同学何明等诸多指导，再此表示感谢。另外，也非常感谢所有的关心我的其他老师们和同学们，他们的关心也是我学习过程中不可缺少的组成部分。感谢时时刻刻关心、爱护我的父亲母亲，他们对我的支持和鼓励。使我得以完成学业的支柱。真诚的感谢所有的帮助过我的老师们，同学们、家人和朋友们。感谢对本设计进行评审的专家们，感谢他们给我提出的宝贵意见和建议。参考文献樊昌信编著： 通信原理教程，电子工业出版社。阎石主编：数字电子技术基础（第四版），高等教育出版社。康华光主编：电子技术基础模拟部分（第四版），高等教育出版社。钱培怡.杨柏林.电子电路实验与课程设计.北京：地震出版.2002谢嘉奎.电子线路(线性部分).北京: 高等教育出版社.2004鲜继清、张德民主编： 现代通信系统，西安电子科技大学出版社。高频电子线路 主编：张肃文 北京：人民教育出版社，1979模拟电子线路(一) 主编：郑应光 南京：东南大学出版社，2000