一、实验目的通过2FSK通信系统综合设计实验加强对2FSK调制器与解调器通信技术电路理解学会查寻资料、方案比较以及设计计算环节。学会对所学基本理论知识的综合运用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、解决通信技术电路问题的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初步体验从事通信产品研发的过程增强学生的实际能力掌握使用Multisim软件的操作方法。二、设计内容与要求根据2FSK调制器与解调器的组成原理设计出整个2FSK传输系统的实现方案与电路。技术指标①主载频为16KHz②f18KHzf24KHz数字基带信号时钟频率fs1000bit/s③m序列产生器7位或15位作为数字基带信号传输速率fs1000bit/s④调制器采用键控方式解调器可采用非相干解调过零检测技术。在时间充足的情况下选做2FSK的载波提取实现相干解调或用模拟锁相环解调实验要求要求掌握调制系统多谐振荡器、分频器、波形变换方波-正弦波电路、M序列发生器与解调系统限幅器、微分整流电路、脉冲展宽电路、比较器、抽样判决器以及压控振荡器等单元电路设计方法掌握调制、解调的基本原理。通过实际的方案分析进行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综合实验设计任务书的技术要求编写设计说明能正确地反映设计和实验成果能正确的绘制电路图。三、FSK调制与解调系统整体方案设计3.1 调制设计方案设信息源发出的是由二进制符号0、1组成的序列且假定0符号出现的概率为p1出现的概率为1-p它们彼此独立那么2FSK信号便是“1”符号对应于载频ω1而“0”则对应于载频ω2与ω1不同的另一个载频的已调波形而且ω1、ω2的改变是瞬间就能完成的。容易想到2FSK可以利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频,使其能够输出2个不同频率的码元。2FSK信号的产生可以采用模拟调频法来实现也可以采用数字键控的方法来实现。图3-1是数字键控法产生2FSK信号的原理图图3-1 数字键控法实现2FSK信号的原理图图中两个振荡器的载波输出受输入的二进制基带信号s(t)控制。s(t)为“1”时正脉冲使门电路1接通门2断开输出频率为f1数字信号为“0”时门1断开门2接通输出频率为f2。在一个码元Tb期间输出ω1或ω2两个载波之一。这种方法的特点是转换速率快波形好频率稳定度高电路简单得到广泛应用。对应图3-12FSK调制器各点的时间波形如图3-2所示图中波形g可以看成是两个不同频率载波的2ASK信号波形e和波形f的叠加。可见2FSK信号由两个2ASK信号相加构成。其信号的时域表达式为图3-2 2FSK调制器各点的时间波形本次综合设计实验调制部分正是采用此方法设计的。整个调制系统包括载波振荡器、分频器、反相器、调制器与加法器等单元电路组成。3.2 解调设计方案2进制数字频率键控2FSK信号常用解调方法有很多种在设计中利用过零检测法。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3-3所示电路图3-3 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。将尖脉冲去触发单稳态电路将会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。其原理框图及各点波形如图3-4所示图3-4 过零检测电路信号波形四、系统中各种单元电路设计以及仿真4.1 主载波振荡器电路设计与工作原理载波振荡器的作用是提供2FSK调制系统所需的载波和信码定时信号它可用门电路或集成电路555构成多谐振荡器。本实验系统要求产生的主载波振荡频率为16KHZ载波要求输出频率可调。为简化实验电路本次实验系统选用集成电路555构成多谐振荡器。已知555集成电路的输出频率如下图4-1 主载波振荡器电路原理图由图4-1电路可知555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压当5脚悬空时则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3则比较器C2的输出为0可使RS触发器置1使输出端OUT1。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3同时TR端的电压大于VCC/3则C1的输出为0C2的输出为1可将RS触发器置0使输出为低电平电路振荡波形如图4-2所示图4-2 主载波信号波形图4.2 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。在本实验中分频器电路系统将主载波16KHZ进行二分频得到8KHZ信号作为f1将8KHZ载波进行二分频得4KHZ信号作为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4-3所示。图4-3 分频器电路原理图分频电路输出信号波形如图4-4所示图4-4 分频电路输出信号波形4.3 波形变换电路设计与工作原理为使载波的波形是正弦波需将分频器输出的方波转换成正弦波。采用低通滤波器可实现此功能4KHZ波形变换电路及波形图如图4-5、4-6所示8KHZ波形变换电路及波形图如图4-7、4-8所示。图4-5 4KHZ波形变换电路图4-6 4KHZ波形变换电路输出波形图4-7 8KHZ波形变换电路图4-8 8KHZ波形变换电路输出波形4.4 m序列发生器电路设计与工作原理m序列也称作伪随机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。本次综合设计要求用D触发器构成四级移位寄存器形成长度为位码长的伪随机码序列码率约为1000B/s。图4-9是实验系统中4级伪随机序列码发生器电路原理图。图4-9 M序列发生器电路原理图从图中可知这是由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。信号波形如图4-10所示图4-10 基带信号波形图4.5 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0-1或1-0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。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4-11或图4-12所示图4-11 门电路构成的调制器电路原理图图4-12 电子开关构成的调制器电路原理图由图4-11可知若用门电路构成调制器其工作过程是从“IN”端输入的基带信号分成两路1路经74LS00D反相后接至U7B74LS00的控制端另1路直接接至U7C74LS00D的控制端。从“F1”和“F2”输入的载波信号分别接至U7C和U7B的输入端。当基带信号为“1”时门电路U7C打开U7B关闭输出第一路载波当基带信号为“0”时U7C关闭U7B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4-13所示。图4-13 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。由四双向模拟开关CD4066构成的调制器电路如图4-12所示输入的基带信号由转换开关分成两路一路控制的载频另一路经倒相去控制的载频。当基带信号为“1”时模拟开关1打开模拟开关2关闭此时输出当基带信号为“0”时模拟开关2开通。此时输出于是可在输出端得到2FSK已调信号。如图4-14所示:利用此方案时需将8KHZ和4KHZ方波经相应低通滤波器转换成正弦波作为载波图4-14 2FSK信号波形正弦波4.6 过零检测2FSK信号解调电路设计与工作原理从前面原理的介绍中我们知道2FSK调制信号的解调若用非相干过零检测法由图可见必须有七个单元模块来完成。考虑到2FSK信号的产生和解调集于同一仿真电路中已调信号未经信道传输没有畸变、没有信道的干扰因而采用数字电路完成限幅、微分、整流和脉冲形成四大功能是较简单的其参考电路如图4-15所示。电路输出信号波形如图4-16所示图4-15 限幅、微分、整流、展宽电路原理图由图可见该脉冲形成电路用双J-K触发器74LS107、二极管、阻容等元件组成。该电路具有单稳态特性它的稳定状态是Q1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Q0或Q1。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间常数τ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τ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T1/2T11/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的幅度。图4-16 限幅、微分、整流、展宽电路输出信号波形4.7 低通滤波器电路设计与工作原理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。实验中要求采用巴特沃斯低通滤波器其电路如图4-17所示。输出信号波形如图4-18所示。图中所示的低通滤波器为二阶有源低通滤波器。能提供40dB/十倍频程衰减量由截止频率公式得到图4-17 低通滤波器电路原理图图4-18 低通滤波器输出信号波形图4.8 电压比较器电路组成与工作原理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。在本实验的2FSK系统中电压比较器的主要任务是将低通滤波器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4-19所示输出信号波形如图4-20所示。该电路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Vi≥Vb输出为1当输入信号电压Vi≤Vb输出为0。图4-19 电压比较器电路原理图图4-20 电压比较器电路输出信号波形图4.9 抽样判决器电路组成与工作原理抽样判决器的作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4-21所示输出信号波形如图4-22所示图4-21 抽样判决电路原理图图4-22 抽样判决电路输出信号波形图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。五、2FSK调制与解调系统整体电路原理图与所用器材表根据以上各单元电路的设计得总体电路如图5-1所示。图5-1 2FSK系统总体电路图调制与解调电路各主要信号测试波形图图5-2 系统各频率时钟信号图5-3 基带信号门电路调制器输出信号电子开关调制器输出信号限幅、微分、整流、展宽电路输出信号图5-4 基带信号低通滤波器输出信号电压比较器输出信号、抽样判决电路输出信号元件清单表5-1 元件清单标识规格数量电阻195KΩ1电阻100Ω1电阻1KΩ1电容220pF1电容10nF1二极管1DH622与非门74LS00D2非门74LS04D14输入与门74LS21D1D触发器74LS74D3异或门74LS86D1双J-K触发器74LS107D14级D触发器74LS175D1通用运算放大器TL082CD2通用运算放大器UA741CD1电压比较器LM311D1电子开关4066BD_5V1六、实验体会与建议通过这次实验我对于2FSK调制与解调技术的特点、方法及其仿真实现有了更多了解对于仿真软件Multisim的相关操作更加熟悉有助于理论课、课程设计以及今后的进一步深入学习。