2FSK FSK通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)綜合實驗電路設(shè)計

1、學(xué)生學(xué)號實驗課成績生實驗報實驗課程名稱 開課學(xué)院 指導(dǎo)教師姓名 學(xué)生姓名 學(xué)生專業(yè)班級200200 學(xué)年 第學(xué)期1、2、3、4、5、6、實驗教學(xué)管理基本規(guī)范實驗是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、分析解決問題能力的重要環(huán)節(jié)；實驗報告是反映實驗教學(xué)水平 與質(zhì)量的重要依據(jù)。為加強實驗過程管理，改革實驗成績考核方法，改善實驗教學(xué)效果，提高 學(xué)生質(zhì)量，特制定實驗教學(xué)管理基本規(guī)范。本規(guī)范適用于理工科類專業(yè)實驗課程，文、經(jīng)、管、計算機類實驗課程可根據(jù)具體情況參 照執(zhí)行或暫不執(zhí)行。每門實驗課程一般會包括許多實驗項目，除非常簡單的驗證演示性實驗項目可以不寫實驗 報告外，其他實驗項目均應(yīng)按本格式完成實驗報告。實驗報告應(yīng)由實驗預(yù)

2、習(xí)、實驗過程、結(jié)果分析三大部分組成。每部分均在實驗成績中占一 定比例。各部分成績的觀測點、考核目標(biāo)、所占比例可參考附表執(zhí)行。各專業(yè)也可以根據(jù) 具體情況，調(diào)整考核內(nèi)容和評分標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生必須在完成實驗預(yù)習(xí)內(nèi)容的前提下進行實驗。教師要在實驗過程中抽查學(xué)生預(yù)習(xí)情況，在學(xué)生離開實驗室前，檢查學(xué)生實驗操作和記錄情況，并在實驗報告第二部分教師簽字欄 簽名，以確保實驗記錄的真實性。教師應(yīng)及時評閱學(xué)生的實驗報告并給出各實驗項目成績，完整保存實驗報告。在完成所有 實驗項目后，教師應(yīng)按學(xué)生姓名將批改好的各實驗項目實驗報告裝訂成冊，構(gòu)成該實驗課 程總報告，按班級交課程承擔(dān)單位（實驗中心或?qū)嶒炇遥┍９艽鏅n。實驗課程成績按

3、其類型采取百分制或優(yōu)、良、中、及格和不及格五級評定。附表：實驗考核參考內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)觀測點考核目標(biāo)成績組成實驗預(yù)習(xí)預(yù)習(xí)報告提問對于設(shè)計型實驗，著重考查設(shè)計方案的 科學(xué)性、可行性和創(chuàng)新性對實驗?zāi)康暮突驹?的認(rèn)識程度，對實驗方 案的設(shè)計能力20%實驗過程是否按時參加實驗對實驗過程的熟悉程度對基本操作的規(guī)范程度對突發(fā)事件的應(yīng)急處理能力實驗原始記錄的完整程度同學(xué)之間的團結(jié)協(xié)作精神著重考查學(xué)生的實驗態(tài) 度、基本操作技能；嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、團結(jié)協(xié) 作精神30%結(jié)果分析所分析結(jié)果是否用原始記錄數(shù)據(jù)計算結(jié)果是否正確實驗結(jié)果分析是否合理對于綜合實驗，各項內(nèi)容之間是否有分 析、比較與判斷等考查學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)處 理

4、和現(xiàn)象分析的能力； 對專業(yè)知識的綜合應(yīng)用 能力；事實求實的精神50%實驗課程名稱:通信原理實驗項目名稱FSK通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)綜合實驗電路設(shè)計實驗成績實驗者專業(yè)班級電信1102班同組者實驗日期部分：實驗預(yù)習(xí)報告（包括實驗?zāi)康摹⒁饬x，實驗基本原理與方法，主要儀器設(shè)備及耗材，實驗方案與技術(shù)路線等）一、實驗?zāi)康耐ㄟ^2 FSK通信系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗，加強對 2 FSK調(diào)制器與解調(diào)器通信技術(shù)電路理解， 學(xué)會查尋資料、方案比較，以及設(shè)計計算環(huán)節(jié)。學(xué)會對所學(xué)基本理論知識的綜合運用；進一步 提高分析解決實際問題的能力，創(chuàng)造一個動腦動手、獨立開展電路實驗的機會，鍛煉分析、解 決通信技術(shù)電路問題的本領(lǐng)，真正實現(xiàn)由課本

5、知識向?qū)嶋H能力的轉(zhuǎn)化；通過典型電路的設(shè)計與 制作，初步體驗從事通信產(chǎn)品研發(fā)的過程；增強學(xué)生的實際能力；掌握使用Multisim 軟件的操作方法。、設(shè)計內(nèi)容與要求根據(jù)2FSK調(diào)制器與解調(diào)器的組成原理，設(shè)計出整個2FSK傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方案與電路；技術(shù)指標(biāo)：主載頻為16KHZ=4KHZ。f1= 8KHZ; f2 =4KHZ。數(shù)字基帶信號時鐘頻率 fs=1000bit/s ；m序列產(chǎn)生器（7位或15位），作為數(shù)字基帶信號，傳輸速率fs=1000bit/s ；調(diào)制器采用鍵控方式；解調(diào)器可采用非相干解調(diào)（過零檢測）技術(shù)。（在時間充足的情況下，選做2FSK的載波提取，實現(xiàn)相干解調(diào)或用模擬鎖相環(huán)解調(diào)）實驗要求

6、：要求掌握調(diào)制系統(tǒng)（多諧振蕩器、分頻器、波形變換（方波-正弦波）電路、M序列發(fā)生器） 與解調(diào)系統(tǒng)（限幅器、微分整流電路、脈沖展寬電路、比較器、抽樣判決器以及壓控振蕩器等 單元電路）設(shè)計方法；掌握調(diào)制、解調(diào)的基本原理。通過實際的方案分析進行比較，初步掌握 簡單實用電路的分析方法和工程設(shè)計方法；了解與課程有關(guān)的電子電路以及元器件工程技術(shù)規(guī) 范，能按綜合實驗設(shè)計任務(wù)書的技術(shù)要求，編寫設(shè)計說明，能正確地反映設(shè)計和實驗成果，能 正確的繪制電路圖。FSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)整體方案設(shè)計3.1調(diào)制設(shè)計方案設(shè)信息源發(fā)出的是由二進制符號 0, 1組成的序列， 且假定0符號出現(xiàn)的概率為P, 1出 現(xiàn)的概率為1- P ,

7、它們彼此獨立，那么，2FSK信號便是1符號對應(yīng)于載頻3 1,而0對應(yīng)于載1、頻3 2 （與3 1不同的另一個載頻）的已調(diào)波形，而且3 1、3 2的改變是瞬間就能完成的。容易想到，2FSK可以利用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調(diào)頻，使其能夠輸出2個不同頻率的碼元。2FSK信號的產(chǎn)生，可以采用模擬調(diào)頻法來實現(xiàn)，也可以采用數(shù)字鍵控的方法來實現(xiàn)。圖 3-1是數(shù)字鍵控法產(chǎn)生 2FSK信號的原理圖：-1be9令忑丁(bla It圖3-1數(shù)字鍵控法實現(xiàn)2FSK信號的原理圖3-1 可知，s(t)為“ 0 ”時，門1斷開，圖中兩個振蕩器的載波輸出受輸入的二進制基帶信號s(t)控制。由圖“1 ”時，正脈沖使門電路

8、1接通，門2斷開，輸出頻率為f1 ;數(shù)字信號為門2接通，輸出頻率為f2。在一個碼元Tb期間輸出3 1或3 2兩個載波之一。由于兩個頻率的 振蕩器是獨立的，故輸出的2FSK信號：在碼元“ 0”“1”轉(zhuǎn)換時刻，相鄰碼元的相位有可能是不連續(xù)的。這種方法的特點是轉(zhuǎn)換速率快，波形好，頻率穩(wěn)定度高，電路簡單，得到廣泛應(yīng) 用。對應(yīng)圖3-1 (a)和(b) , 2FSK調(diào)制器各點的時間波形如圖 3-2所示，圖中波形 g可以看成是 兩個不同頻率載波的 2ASK信號波形e和波形f的疊加。可見，2FSK信號由兩個2ASK信號 相加構(gòu)成。其信號的時域表達式：SfskQ )=2 akg(t kTb Cos(3t +帥戶

9、s akgkTb )co啥2t + 護2 )kkWVWW- d ,g 如 5)A/WWl=-E何” -訓(xùn)QJVWVWA/WW i *圖3-2 2FSK調(diào)制器各點的時間波形本次綜合設(shè)計實驗調(diào)制部分正是采用此方法設(shè)計的。整個調(diào)制系統(tǒng)包括：載波振蕩器、反 相器、調(diào)制器與加法器等單元電路組成。1.2解調(diào)設(shè)計方案數(shù)字頻率鍵控(2FSK)信號常用解調(diào)方法有很多種，在設(shè)計中利用過零檢測法。 過零檢測法是利用信號波形在單位時間內(nèi)與零電平軸交叉的次數(shù)來測定信號頻率。解調(diào)系 統(tǒng)組成原理框圖如圖3-3所示電路：亠限幅bI微分I耳整流 J脈沖展寬 HTPF_1-4樣判決g 位定時圖3-3 2FSK過零檢測解調(diào)電路原理

10、框圖輸入的FSK信號經(jīng)限幅放大后成為矩形脈沖波，再經(jīng)過微分電路得到雙向尖脈沖，然后整 流得到單向尖脈沖，每個尖脈沖表示一個過零點，尖脈沖的重復(fù)頻率就是信號頻率的兩倍。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，即與輸入信號成正比。所以經(jīng)過低通濾波器輸出的平均分量的變化反映了輸入信號 頻率的變化，這樣把碼元“1 ”與“ 0 ”在幅度上區(qū)分開來，恢復(fù)出數(shù)字基帶信號。其原理框圖及各點波形如圖3-4所示。- WWVXX/X/WY jrLTLrLTLrxnjUTnJL+ jinnnnnmrLrLTLruinmnnmr四、系統(tǒng)中各種單元電路設(shè)計以及仿真主載

11、波振蕩器電路設(shè)計與工作原理它可用門電路或集成載波振蕩器的功用是提供 2FSK調(diào)制系統(tǒng)所需的載波和信碼定時信號， 電路(555)構(gòu)成多諧振蕩器。本實驗系統(tǒng)要求產(chǎn)生的主載波振蕩頻率為16KHZ載波，要求輸出頻率可調(diào)。為簡化實驗電路，本次實驗系統(tǒng)選用門電路構(gòu)成多諧振蕩器。:UW ：:-1 創(chuàng)Q7404N7404N.-7 JLfjlU-R 1 .4.7kO67%n . .K期我；-sioOpFj圖4-1主載波振蕩器電原理圖已知該門電路的估算振蕩周期是：仏2.2RC。經(jīng)計算其實際電路如圖4-1所示：7404H 由圖4-1電路可知，在三個與非門之間加入了一個R(R1)C(C1)延時網(wǎng)絡(luò)，由于 RC較大，就

12、會在Vo端輸出一系列的矩形脈沖，即電路產(chǎn)生使振蕩頻率改變。RS(R2)起隔離作用，把電容 C的輸出4-2所示：可忽略tpd。接通電源時，C的充放電使“A”點電壓發(fā)生變化。每當(dāng)” A”點到達閾值電壓 VT=1.4V 時，電路就會翻轉(zhuǎn)，電路不停的自動翻轉(zhuǎn)， 了振蕩。并且調(diào)整 R1可以改變RC值， 與U3C的輸入隔離開。電路振蕩波形如圖ExtQI單灰 正常I自軻醫(yī)R3-/r A4e盎0 e監(jiān)I反向 保存GND時目7.2Q9rn& 7.209 ms O.OODS通道丄T1 IT2 I 十+T2-T1時S標(biāo)虔： 200LI6/DIV X軸僅移（格】：00.000 Vo.onv0.000 V11_A刻度：

13、5 丫氏f軸位移06】：0圖4-2主載波信號波形圖分頻器電路設(shè)計與工作原理將主載波按設(shè)計技術(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M序列所需的時鐘信號。本實驗系統(tǒng)，將主載波16KHZ進行二分頻得8KHZ信號作f1 ;將8KHZ 載波進行二分頻得 4KHZ信號作f2 ;再將4KHZ四分頻得1KHZ信號作為fs，為M序列發(fā)生器提 供編碼時鐘信號。分頻器的實際電路如圖4-3所示：分頻電路輸出信號波形如圖4-4所示:4通直示波器-XSC3SIJ二 yj L：jII *1ILOUIIIIII時司通道_A通道通道工通道衛(wèi)反向5.1X0 V5-000 V5.000 V0,000Vf

14、a盤92.212jni5.000 V5.0001 V5.000 V0.0D0V1*TrQ.OOOs0.000 V0,0001 Vaooov0,000VGNDii道上500 u 如 V刮匱：5怦公R 邊沿:七Ext的：|o11 丫軸（移輸：-1Ds水平:C0h I A-tfi 1交諦0 直滋1 甲農(nóng)正S自動1無|A|Ft.舁圖4-4分頻器仿真波形m序列發(fā)生器電路設(shè)計與工作原理m序列也稱作偽隨機序列，它的顯著特點是：（a）隨機特性；（b）預(yù)先可確定性;重復(fù)實現(xiàn)。本次綜合設(shè)計要求用D觸發(fā)器構(gòu)成四級移位寄存器，形成長度為偽隨機碼序列，碼率約為1OOObit/s 。圖4-7是實驗系統(tǒng)中4級偽隨機序列碼發(fā)

15、生器電原理圖。（C ）可24-1=15位碼長的UH AJ15B_E NLSBeD CPID LO 1 idit3DJ r.ra.TH 匕 .in.40J iS.屮&U1&74LE175DaNRZU9AT4LS(14D74LS20M圖4-7 M序列發(fā)生器電原理圖從圖中可知，這是由 4級D觸發(fā)器和異或門組成的 4 級反饋移 4級反饋移位寄存器，狀111101011001000 。位寄存器。本電路是利用帶有兩個反饋抽頭的 態(tài)轉(zhuǎn)移圖見表1，該電路輸出的信碼序列為： 信號波形如圖4-8所示：4通道示波器-XS匚4I反向保存時同56.01Sin& 56.013 ms Q.OOOs通道工 通這n *4 口十

16、通道 通道0,000 VO.OOQ V0,MOVQ3Q2Q1Q01111011100110001100001000010100111000110101101011010110111101111四級偽隨機碼時s標(biāo)度： 10 rrfiQiv x樹敬樹:F 訶a/B a割度：5 VJCiv1丫抽色移榆：0邊沿：*水平：0圖4-8基帶信號波形圖ExtI調(diào)制器電路設(shè)計與工作原理2FSK信號的產(chǎn)生通常有兩種方式：產(chǎn)生的2FSK信號為兩個彼此獨立的載波振蕩器輸出信號之和，或1T 0 ）時刻，2FSK信號的相位通常是不連續(xù)的，這會不利于已調(diào)信號功率譜旁瓣分量的收 斂。載波調(diào)頻法是在一個直接調(diào)頻器中產(chǎn)生2FSK

17、信號，這時的已調(diào)信號出自同一個振蕩器,信號相位在載頻變化時始終是連續(xù)的，這將有利于已調(diào)信號功率譜旁瓣分量的收斂，使信號功1）頻率選擇法；（2）載波調(diào)頻法。由于頻率選擇法在二進制碼元狀態(tài)轉(zhuǎn)換 （Ot 1率更集中于信號帶寬內(nèi)。 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 4- 9F1 nF257 D=o74LSOODU10AzOZE74LSOODU11B74LSOODFSK:_IN ”輸入的基帶信號分成1路直接接至00K1的控制兩路， 端。從 號為“ 關(guān)閉，OrOOO-S O-MOS5.000 V s.coov a.oDov通道IBZc mZp0.000 V0.000 VO.QU VT

18、t + 口 kir+ r2-Ti時基 標(biāo)虞|2msfl空T釉位移格石通11Y抽移懈1：5 VAv 1-4GND礙Ext水平* 0圖4-9門電路與電子開關(guān)構(gòu)成的調(diào)制器電原理圖由圖可知，若用門電路構(gòu)成調(diào)制器，其工作過程是：從“信碼1路經(jīng)（74LS00）反相后接至 00K2（ 74LS00）的控制端，另“載波f1 ”和“載波f2 ”輸入的載波信號分別接至 00K1和00K2的輸入端。當(dāng)基帶信1”時，們電路00K1打開，00K2關(guān)閉，輸出第一路載波；當(dāng)基帶信號為“0”時，00K100K2打開，此時輸出第二路載波，再通過相加器就可以得到2FSK調(diào)制信號。波形如圖 4-10所示。圖4-10 2FSK信號波

19、形過零檢測2 FSK信號解調(diào)電路設(shè)計與工作原理從前面原理的介紹中，我們知道2FSK調(diào)制信號的解調(diào)若用非相干過零檢測法，由圖可見,必須有七個單元模塊來完成?？紤]到2FSK信號的產(chǎn)生和解調(diào)集于同一仿真電路中，已調(diào)信號未經(jīng)信道傳輸，沒有畸變、沒有信道的干擾，因而采用數(shù)字電路完成限幅、微分、整流和脈沖 形成四大功能是較簡單的，其參考電路如圖4-11所示。電路輸出信號波形如圖4-12所示。由圖可見，該脈沖形成電路用雙J-K觸發(fā)器74LS107、二極管、阻容等元件組成。該電路具有單穩(wěn)態(tài)特性，它的穩(wěn)定狀態(tài)是：=1或Q=0b當(dāng)CP端有輸入信號觸發(fā)時，輸入信號的下降沿使電路狀態(tài)發(fā)生改變:Q=1，=0。這時J-K

20、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，觸發(fā)器清零，電路又回到穩(wěn)定狀態(tài)，此時，二極管導(dǎo)通，電容C經(jīng)二極管正向電阻rD反向充電，因為反向充電的時常數(shù)T充=rD C較小，因而觸發(fā)器清零端的電壓會很快上升至高電位上，保證Q端維持低電平。顯然，輸入信號的下降沿作用后，清零端電平下降到1.4V左右的時間長度與脈沖寬度有關(guān)，脈沖寬度T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，但也不能使脈寬過窄，因為形成脈沖的寬度將影響低通濾波器輸出幅 度的幅度。RI M n n nng *

21、 Pir in ； rnrULMUM時冋iM_A通擔(dān)上適涓_D0,000 S5.CW0V0,000 VO-OCW V0,000 Sov0,000 V0.000 V0,000 5o.ooov(J.OQO Vo.om V通道工.融發(fā)1 nrav1 :劉度：S VQv-土邊c丫鈾位駅粉：1.2T】* *土工TZl時基桁屢 X柚Ift移（格）：2_I匹麗 A+e 水平：0保存OTDExt單次正常|自動II無-圖4-12限幅、微分、整流、展寬電路輸出信號波形低通濾波器電路設(shè)計與工作原理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,4-13所示。輸出信號波達40dB/十倍頻程

22、。實驗中要求采用巴特沃斯低通濾波器，其電路如圖 形如圖4-14所示。40dB/十倍頻程衰減量，由截止圖中所示的低通濾波器為二階有源低通濾波器。能提供 頻率公式：NBI製.-tTi + J a?isja：Q.ODQsQ.DOD V口 + +r3-TlSIS柿（5：工砧/DEx鈾&怪器：廠yfr ajbO.DO V通逋丄 _釧度：.1 Y釉位移r交涼Q S流-ifl道a址a.DODV3L36VQ-DOOV玉強耳O-WOv伍 OMvf sia保存GNQ4拔出平：卑次正宇怕動耳2二飛.Ext圖4-13低通濾波器輸出信號波形圖電壓比較器電路組成與工作原理電壓比較器是集成運放非線性應(yīng)用電路，他常用于各種電

23、子設(shè)備中，所謂電壓比較器就 是將一個模擬量電壓信號和一個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 信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域在本實驗系統(tǒng)，電壓比較器的主要任務(wù)是將低通濾波器輸出的數(shù)字基帶信號進行零電平判決與實現(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4-13所示：輸出信號波形如圖4-14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)輸入信號電壓 Vi Vb輸出為1 當(dāng)輸入信號電壓 Vi 1 lA-ie 圖4-16電壓比較器電路輸出信號波形圖抽

24、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景下，在規(guī)定時刻（由位定時脈沖控 制）對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。過零檢測電壓比較器輸出的信號，必須進行碼再生電路（即抽樣判決電路）才能恢復(fù)出2 FSK通信系統(tǒng)中，抽樣判決電路通常用觸發(fā)器對判決信號進行 4-15所示：輸出信號波形如圖4-16所示。和發(fā)送端相同的非歸零碼。在 抽樣再生，其基本電路如圖 由圖可見，該電路使用 頻同相的位同步信號。D觸發(fā)器構(gòu)成，其時鐘信號是由碼元定時電路恢復(fù)的與發(fā)送端同時囘a逼丄0-000 sO.OMv5.000 V5-000 VS.tXKJvD,oms0.000 V5.000 V5,000 V5 川 CBHD,OOOS0.000 VQ.CDOV0-000 V0-000 VKiJj J 十v-iS. .1.-i*Gk* u J hj5j_-E3T1 . r?fl1 =* _尹=%V.O-n十-hiP丨 1.?r, 奪* 冬=1 益速了