通信原理課程設(shè)計(jì)-FSK

1、武漢理工大學(xué)通信原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 龍江游 專業(yè)班級(jí)： 電信1204 指導(dǎo)教師： 蘇楊 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：FSK通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初始條件：具備通信課程的理論知識(shí)；具備模擬與數(shù)字電路基本電路的設(shè)計(jì)能力；掌握通信電路的設(shè)計(jì)知識(shí)，掌握通信電路的基本調(diào)試方法；自選相關(guān)電子器件；可以使用實(shí)驗(yàn)室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求）1、完成FSK移頻數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的FSK傳輸功能，收發(fā)波形一致。2、完成系統(tǒng)中相關(guān)調(diào)制、傳輸以及解調(diào)模塊電路的設(shè)計(jì)。3、載波信號(hào)頻率：256KHz、128KHz、峰值：5

2、V；基帶信號(hào)為M序列，峰值為1V的方波。4、安裝和調(diào)試整個(gè)電路，并測(cè)試出結(jié)果；5、進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)試并完成符合要求的課程設(shè)計(jì)書。時(shí)間安排： 二十二周一周，其中3天硬件設(shè)計(jì)，2天硬件調(diào)試指導(dǎo)教師簽名： 年 月 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要2FSK是利用載頻頻率變化來(lái)傳輸數(shù)字信息。本課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是，設(shè)計(jì)是進(jìn)行FSK的調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路軟件仿真模擬。在課程設(shè)計(jì)中先根據(jù)FSK調(diào)制與解調(diào)原理構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路，然后從Multisim工具箱中找出所需各元件，合理連接好并設(shè)置好參數(shù)，運(yùn)行電路,根據(jù)仿真的結(jié)果來(lái)判斷電路是否正確，模擬是否成功。關(guān)鍵詞：M

3、ultisim，F(xiàn)SK，2FSK，調(diào)制，解調(diào)，模擬開關(guān)目錄概述11.基本原理21.1信號(hào)調(diào)制原理21.2信號(hào)解調(diào)原理22.單元電路設(shè)計(jì)42.1分頻器電路設(shè)計(jì)與工作原理42.2 M序列發(fā)生器電路設(shè)計(jì)與工作原理42.3調(diào)制器電路設(shè)計(jì)與工作原理52.4解調(diào)電路設(shè)計(jì)與工作原理62.5限幅、微分、整流、展寬電路72.6電壓比較器電路82.7低通濾波器92.8抽樣判決器電路組成與工作原理93.電路仿真113.1仿真電路圖113.2仿真結(jié)果114.實(shí)物制作124.心得體會(huì)15概述數(shù)字載頻信號(hào)又可分為相位離散和相位連續(xù)兩種情形。若兩個(gè)振蕩頻率分別由不同的獨(dú)立振蕩器提供，它們之間的相位互不相關(guān)，這就叫相位離散的

4、數(shù)字調(diào)頻信號(hào)；若兩個(gè)振蕩頻率由同一振蕩信號(hào)源提供，是對(duì)其中一個(gè)載頻進(jìn)行分頻，這樣產(chǎn)生的兩個(gè)載波就是相位連續(xù)的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)。在實(shí)際通信系統(tǒng)中，大部分信道不能直接傳輸基帶信號(hào)，必須用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的參量進(jìn)行控制，使載波的這些參量隨基帶信號(hào)的變化而變化，即以正弦波作為載波的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。和模擬調(diào)制一樣，數(shù)字調(diào)制也有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式。調(diào)頻信號(hào)即2FSK信號(hào)是數(shù)字通信系統(tǒng)使用較早的一種通信方式，由于這種通信方式容易實(shí)現(xiàn)，抗噪聲和抗衰減性能較強(qiáng)，因此在低速數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。171.基本原理1.1信號(hào)調(diào)制原理2FSK信號(hào)波形圖如2.1.1圖所示，它是由調(diào)制信號(hào)去控制載波

5、信號(hào)，用載波的頻率來(lái)傳遞數(shù)字信息，即用所傳遞的數(shù)字消息控制載波的頻率。圖1.1.1 2FSK信號(hào)波形圖FSK信號(hào)的產(chǎn)生有兩種方法：直接調(diào)頻法和頻移鍵控法，如圖1.1.2所示。直接調(diào)頻法是數(shù)字基帶信號(hào)直接控制載波振蕩器的振蕩頻率。雖然方法簡(jiǎn)單，但頻率穩(wěn)定度不高，同時(shí)轉(zhuǎn)移速度不能太高。頻移鍵控法有兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器。數(shù)字基帶信號(hào)控制開關(guān)，選擇不同頻率的高頻振蕩信號(hào)，從而產(chǎn)生FSK調(diào)制。圖1.1.2 2FSK信號(hào)調(diào)制方法本設(shè)計(jì)采用鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)，即用一個(gè)受基帶脈沖控制的開關(guān)電路去選擇兩個(gè)獨(dú)立頻率源的振蕩作為輸出。1.2信號(hào)解調(diào)原理2FSK信號(hào)的解調(diào)方法有：非相干解調(diào)法、相干解調(diào)法、鑒頻法、過(guò)零

6、檢測(cè)法等。過(guò)零檢測(cè)法是利用信號(hào)波形在單位時(shí)間內(nèi)與零電平軸交叉的次數(shù)來(lái)測(cè)定信號(hào)頻率。圖1.2.1 2FSK 過(guò)零檢測(cè)解調(diào)電路原理框圖輸入的FSK 信號(hào)經(jīng)限幅放大后成為矩形脈沖波，再經(jīng)過(guò)微分電路得到雙向尖脈沖，然后整流得到單向尖脈沖，每個(gè)尖脈沖表示一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，尖脈沖的重復(fù)頻率就是信號(hào)頻率的兩倍。將尖脈沖去觸發(fā)一單穩(wěn)電路， 產(chǎn)生一定寬度的矩形脈沖序列，該序列的平均分量與脈沖重復(fù)頻率成正比，即與輸入信號(hào)成正比。所以經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出的平均分量的變化反映了輸入信號(hào)頻率的變化，這樣把碼元“1”與“0”在幅度上區(qū)分開來(lái)，再通過(guò)判決恢復(fù)出數(shù)字基帶信號(hào)。其原理框圖如圖1.2.1所示，各點(diǎn)波形圖如圖1.2.2所示

7、。圖1.2.2 過(guò)零檢測(cè)電路信號(hào)波形鎖相環(huán)路的輸出信號(hào)頻率可以精確地跟蹤輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率的變化,環(huán)路鎖定后輸入?yún)⒖夹盘?hào)和輸出參考信號(hào)之間的穩(wěn)態(tài)相位誤差可以通過(guò)增加環(huán)路增益被控制在所需數(shù)值范圍內(nèi)。這種輸出信號(hào)頻率隨輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率變化的特性稱為鎖相環(huán)的跟蹤特性.利用此特性可以做載波跟蹤型鎖相環(huán)及調(diào)制跟蹤型鎖相環(huán)。調(diào)頻波（經(jīng)過(guò)放大器放大后）與壓控振蕩器的輸出被送入鑒相器，經(jīng)鑒相器獲得變化的相位誤差的電壓，該誤差電壓通過(guò)低通濾波器被濾出高頻成份，從而獲得隨調(diào)制信號(hào)頻率變化而變化的解調(diào)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了解調(diào)（鑒頻）過(guò)程，其原理框圖如圖1.2.3所示。本設(shè)計(jì)采用過(guò)零檢測(cè)法來(lái)解調(diào)信號(hào)。2.單元電路設(shè)計(jì)2.1

8、分頻器電路設(shè)計(jì)與工作原理將主載波按設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，一般用D觸發(fā)器構(gòu)成適當(dāng)?shù)姆诸l電路，獲得載頻f1、f2和序列所需的時(shí)鐘信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將主載波16KHZ進(jìn)行二分頻得8KHZ信號(hào)作f1；將8KHZ載波進(jìn)行二分頻得4KHZ信號(hào)作f2；再將4KHZ四分頻得1KHZ信號(hào)作為fs，為M序列發(fā)生器提供編碼時(shí)鐘信號(hào)。分頻器的實(shí)際電路如圖2.1.1所示：圖2.1.1 分頻器原理圖2.2 M序列發(fā)生器電路設(shè)計(jì)與工作原理M序列也稱作偽隨機(jī)序列，它的顯著特點(diǎn)是：（a）隨機(jī)特性；（b）預(yù)先可確定性；（c）可重復(fù)實(shí)現(xiàn)。電路原理圖如圖2.2.1所示：圖2.2.1 M序列碼發(fā)生器電原理圖四級(jí)偽隨機(jī)碼Q3Q2Q1Q011

9、11011100110001100001000010100111000110101101011010110111101111從圖中可知，這是由4級(jí)D觸發(fā)器和異或門組成的4級(jí)反饋移位寄存器。本電路是利用帶有兩個(gè)反饋抽頭的4級(jí)反饋移位寄存器，該電路輸出的信碼序列為:111101011001000。如右邊列表所示：2.3調(diào)制器電路設(shè)計(jì)與工作原理2FSK信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方式：（1）頻率選擇法；（2）載波調(diào)頻法。由于頻率選擇法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)為兩個(gè)彼此獨(dú)立的載波振蕩器輸出信號(hào)之和，在二進(jìn)制碼元狀態(tài)轉(zhuǎn)換（或）時(shí)刻，2FSK信號(hào)的相位通常是不連續(xù)的，這會(huì)不利于已調(diào)信號(hào)功率譜旁瓣分量的收斂。載波調(diào)頻法是

10、在一個(gè)直接調(diào)頻器中產(chǎn)生2FSK信號(hào)，這時(shí)的已調(diào)信號(hào)出自同一個(gè)振蕩器，信號(hào)相位在載頻變化時(shí)始終是連續(xù)的，這將有利于已調(diào)信號(hào)功率譜旁瓣分量的收斂，使信號(hào)功率更集中于信號(hào)帶寬內(nèi)。圖2.3.1 門電路與電子開關(guān)構(gòu)成的調(diào)制器電原理圖在這里，我們采用的是載波調(diào)頻法，其調(diào)制器電路原理圖如圖2.3.1（A）或（B）所示：其工作過(guò)程是：從“信碼IN”輸入的基帶信號(hào)分成兩路，1路經(jīng)（74LS00）反相后接至OOK2（74LS00）的控制端，另1路直接接至OOK1的控制端。從“載波f1”和“載波f2”輸入的載波信號(hào)分別接至OOK1和OOK2的輸入端。當(dāng)基帶信號(hào)為“1”時(shí)，門電路OOK1 打開，OOK2關(guān)閉，輸出第一

11、路載波；當(dāng)基帶信號(hào)為“0”時(shí)，OOK1關(guān)閉，OOK2打開，此時(shí)輸出第二路載波，再通過(guò)相加器就可以得到2FSK調(diào)制信號(hào)。波形如圖2.3.2所示。圖2.3.2 2FSK信號(hào)波形要實(shí)現(xiàn)2FSK信號(hào)，除用上述門電路調(diào)制器外，我們還可采用一個(gè)受基帶脈沖控制的開關(guān)電路去選擇兩個(gè)不同的頻率源作為輸出。鍵控法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)頻率穩(wěn)定度可以做得很高并且沒(méi)有過(guò)度頻率，它的轉(zhuǎn)換速度快，波形好。輸入的基帶信號(hào)由轉(zhuǎn)換開關(guān)分成兩路，一路控制f1=8KHz的載頻，另一路經(jīng)倒相去控制f2=4KHz的載頻。當(dāng)基帶信號(hào)為“1”時(shí)，模擬開關(guān)1打開，模擬開關(guān)2關(guān)閉，此時(shí)輸出f1=8KHz，當(dāng)基帶信號(hào)為“0”時(shí)，模擬開關(guān)2開通。此時(shí)

12、輸出f2=4KHz，于是可在輸出端得到2FSK已調(diào)信號(hào)。如圖2.3.3所示: 圖2.3.3 2FSK已調(diào)信號(hào)2.4解調(diào)電路設(shè)計(jì)與工作原理過(guò)零檢測(cè)法是利用信號(hào)波形在單位時(shí)間內(nèi)與零電平軸交叉的次數(shù)來(lái)測(cè)定信號(hào)頻率。解調(diào)系統(tǒng)組成原理框圖如圖2.4.1所示電路圖2.4.1輸入的FSK 信號(hào)經(jīng)限幅放大后成為矩形脈沖波，再經(jīng)過(guò)微分電路得到雙向尖脈沖，然后整流得到單向尖脈沖，每個(gè)尖脈沖表示一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，尖脈沖的重復(fù)頻率就是信號(hào)頻率的兩倍。將尖脈沖去觸發(fā)一單穩(wěn)電路，產(chǎn)生一定寬度的矩形脈沖序列，該序列的平均分量與脈沖重復(fù)頻率成正比，即與輸入信號(hào)成正比。所以經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出的平均分量的變化反映了輸入信號(hào)頻率的變化，

13、這樣把碼元“1”與“0”在幅度上區(qū)分開來(lái)，恢復(fù)出數(shù)字基帶信號(hào)。2.5限幅、微分、整流、展寬電路脈沖形成電路用雙J-K觸發(fā)器74LS107、二極管、阻容等元件組成。圖2.5.1 脈沖形成電路圖該電路具有單穩(wěn)態(tài)特性，它的穩(wěn)定狀態(tài)是：Q=1或=0。當(dāng)CP端有輸入信號(hào)觸發(fā)時(shí)，輸入信號(hào)的下降沿使電路狀態(tài)發(fā)生改變:Q=0或=1。這時(shí)J-K觸發(fā)器清零端的電壓VRD將緩慢降低，當(dāng)降至1.4V左右時(shí)，觸發(fā)器清零，電路又回到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，二極管導(dǎo)通，電容C經(jīng)二極管正向電阻rD 反向充電，因?yàn)榉聪虺潆姷臅r(shí)常數(shù)充= rDC 較小，因而觸發(fā)器清零端的電壓會(huì)很快上升至高電位上，保證Q端維持低電平。顯然，輸入信號(hào)的下降沿

14、作用后，清零端電平下降到1.4V左右的時(shí)間長(zhǎng)度與脈沖寬度有關(guān)，脈沖寬度放=W1C，調(diào)節(jié)W1可以改變形成脈沖的寬度。調(diào)節(jié)W1使脈沖形成電路上下兩支脈沖的寬度分別小于T1/2（T1=1/f1），保證兩路脈沖疊加后不混疊，但也不能使脈寬過(guò)窄，因?yàn)樾纬擅}沖的寬度將影響低通濾波器輸出幅度2.6電壓比較器電路電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用電路，他常用于各種電子設(shè)備中，所謂電壓比較器就是將一個(gè)模擬量電壓信號(hào)和一個(gè)參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域電壓比較器的主要任務(wù)是將輸出的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行零

15、電平判決與實(shí)現(xiàn)波形的變換，使之成為規(guī)則的矩形波。其基本電路構(gòu)成如圖2.6.1所示：它由通用電壓比較器芯片LM311構(gòu)成，其反相輸入端接分壓電位器的中心抽頭，以取得參考電壓Vb；當(dāng)輸入信號(hào)電壓ViVb輸出為1；當(dāng)輸入信號(hào)電壓ViVb輸出為0圖2.6.1 電壓比較器2.7低通濾波器為了獲得良好的幅頻特性，脈沖展寬電路輸出端所接的低通濾波器的帶外衰減應(yīng)很快，達(dá)40dB/十倍頻程。其電路如圖2.7.1所示。圖中所示的低通濾波器為二階有源低通濾波器。能提供40dB/十倍頻程衰減量，由截止頻率公式知： 圖2.7.1 低通濾波器 2.8抽樣判決器電路組成與工作原理抽樣判決器的功用是：在傳輸特性不理想及噪聲背

16、景下，在規(guī)定時(shí)刻（由位定時(shí)脈沖控制）對(duì)接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號(hào)。過(guò)零檢測(cè)電壓比較器輸出的信號(hào)，必須進(jìn)行碼再生電路（即抽樣判決電路）才能恢復(fù)出和發(fā)送端相同的非歸零碼。在2FSK通信系統(tǒng)中，抽樣判決電路通常用觸發(fā)器對(duì)判決信號(hào)進(jìn)行抽樣再生，其基本電路如圖2.8.1所示：輸出信號(hào)波形如圖2.8.2所示。由圖可見，該電路使用D觸發(fā)器構(gòu)成，其時(shí)鐘信號(hào)是由碼元定時(shí)電路恢復(fù)的與發(fā)送端同頻同相的位同步信號(hào)。圖2.8.1抽樣判決電路圖2.8.2抽樣判決器輸出波形3.電路仿真3.1仿真電路圖3.2仿真結(jié)果4.實(shí)物制作4.心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)題目是2FSK調(diào)制電路的設(shè)計(jì)，開始時(shí)在網(wǎng)上和圖

17、書館查找相關(guān)的資料和書籍。之后翻閱資料了解2FSK的基本工作原理和框架結(jié)構(gòu)，利用Multisim仿真軟件設(shè)計(jì)電路圖，修改不同元件的參數(shù)。利用示波器檢查輸出信號(hào)。這次的課題看上去不算太難，但是我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中還是遇到了許多之前沒(méi)有想到的問(wèn)題，信號(hào)的調(diào)制部分我們做的還算順利，很快就有了結(jié)果，但是解調(diào)部分卻始終沒(méi)有做出來(lái)，我們嘗試了多種方案，修改相關(guān)參數(shù)，結(jié)果一直不理想，很遺憾的是這個(gè)問(wèn)題直到最厚也沒(méi)得到解決。這次課程設(shè)計(jì)給我的感觸是仿真的事物與實(shí)際做出的產(chǎn)品所要獲得的結(jié)果又許多差異。經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們不僅完成了設(shè)計(jì)內(nèi)容，更重要的是學(xué)到了很多課堂上得不到的東西。我體會(huì)最深的是仿真的設(shè)計(jì)與實(shí)際的

18、設(shè)計(jì)有太大的變化，有許多的不確定因素在里面，這都是我們需要考慮到的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們查閱了大量的有關(guān)書籍，鞏固了以前所學(xué)過(guò)的通信原理知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的必要性，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，才能提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。參考文獻(xiàn)1 通信電子線路 劉泉 武漢理工大學(xué)出版社2 通信原理 樊昌信，曹麗娜 國(guó)防工業(yè)出版社，20083 通信電子電路 于洪珍 北京清華大學(xué)出版社, 2005.本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表姓 名龍江游性 別男專業(yè)、班級(jí)電信1204班課程設(shè)計(jì)題目：FSK通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄：1.2FSK的含義？答：2FSK的含義為二進(jìn)制頻移鍵控，2FSK信號(hào)的特點(diǎn)是傳號(hào)“0”和“1”的載波頻率分別為f1和f2，實(shí)現(xiàn)過(guò)程又分為相位不連續(xù)及相位連續(xù)兩種頻移鍵控信號(hào)。2FSK是利用載頻頻率變化來(lái)傳輸數(shù)字信息。若兩個(gè)振蕩頻率分別由不同的獨(dú)立振蕩器提供，它們之間的相位互不相關(guān)，這就叫相位離散的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)；若兩個(gè)振蕩頻率由同一振蕩信號(hào)源提供，是對(duì)其中一個(gè)載頻進(jìn)行分頻，這樣產(chǎn)生的兩個(gè)載波就是相位連續(xù)的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)。2.FSK解調(diào)有哪些方