基于鎖相環(huán)的FSK數(shù)據(jù)收發(fā)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)研究

摘要..................................................................................................................................................................ABSTRACT.........................................................................................................................................................II目錄..............................................................................................................................................................I.I第1章緒論......................................................................................................................................................11.1課題研究的背景和意義.....................................................................1.2國內(nèi)外的研究水平..................................................................................................................21.3本文的主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排.....................................................................................2第2章系統(tǒng)理論分析及總體設(shè)計(jì)方案..................................................................................................42.1二進(jìn)制頻移鍵控...............................................................................................2.1.1基本原理..........................................................................................................2.1.3FSK信號的解調(diào)方法.........................................................2.2鎖相環(huán)..........................................................................................................................................72.2.1鎖相環(huán)路的工作原理......................................................2.2.2鎖相環(huán)路的組成部分......................................................2.2.3鎖相環(huán)路的基本方程......................................................2.2.4鎖相調(diào)頻電路.....................................................................................................102.3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)...............................................................................................................112.3.1發(fā)射機(jī)方案設(shè)計(jì)................................................................................................112.3.2接收機(jī)方案設(shè)計(jì)................................................................................................112.4本章小結(jié)..................................................................................................................................12第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)...........................................................................................................................133.1發(fā)射機(jī)硬件設(shè)計(jì)...................................................................................................................133.1.1鎖相頻率源設(shè)計(jì)................................................................................................133.1.2功率放大電路.....................................................................................................183.1.3天線........................................................................................................................183.1.5DAC和模擬開關(guān).................................................................................................213.1.6發(fā)射機(jī)總體框圖................................................................................................233.2接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)...................................................................................................................233.2.1低噪放大電路.....................................................................................................233.2.2混頻器電路..........................................................................................................243.2.3窄帶FSK接收機(jī)設(shè)計(jì).....3.2.4比較器...................................................................................................................273.2.5接收機(jī)總體框圖·...............................................................................................283.3本章小結(jié)..................................................................................................................................28第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)...........................................................................................................................294.1STM32開發(fā)方式介紹..........................................................................................................294.2STM32實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體控制的流程..................................................................................304.3STM32實(shí)現(xiàn)對鎖相環(huán)ADF4001的控制...............................4.5STM32產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號.......................................................................................334.6本章小結(jié)..................................................................................................................................34第5章系統(tǒng)測試.........................................................................................................................................355.1FSK發(fā)射機(jī)測試......................................................................................................................355.1.1鎖相環(huán)測試..........................................................................................................355.1.3STM32生成脈寬可調(diào)的數(shù)字基帶5.2FSK接收機(jī)測試......................................................................................................................375.2.1混頻器測試..........................................................................................................375.2.2接收機(jī)輸出測試................................................................................................375.3本章小結(jié)..................................................................................................................................39結(jié)論...............................................................................................................................................................40參考文獻(xiàn)..........................................................................................................................................................41致謝....................................................................................................................................................................42數(shù)字信號的傳輸方式有基帶傳輸和帶通傳輸兩種。實(shí)際中的大多數(shù)信道并不能直接用基帶信號能夠在信道中完成信息傳遞，需要利用基帶信號對系統(tǒng)載波進(jìn)行調(diào)制。能對基帶信號進(jìn)行調(diào)制的方法有兩種1）通過模擬電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號的調(diào)制，即把數(shù)字調(diào)制當(dāng)成模擬調(diào)制的一個特例，把數(shù)字基帶信號當(dāng)作模擬信號的特殊情況進(jìn)行處理2）利用基帶信號的離散取值特點(diǎn)通過開關(guān)電路鍵控載波頻率值的大小。這種方法通常稱為鍵控法，通過這種方法對載波的相位、振幅和頻率分別進(jìn)行鍵控，便可獲接收端，要想恢復(fù)出數(shù)字基帶信號，可采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種解調(diào)方式。由和抗衰落性能也較強(qiáng)。因此，F(xiàn)SK調(diào)制技術(shù)在通信行業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)FSK信號的調(diào)制解調(diào)的方式很多，國外相關(guān)芯片廠商已經(jīng)生產(chǎn)出專門用于頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字消息。在2FSK中，載波頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f和f兩個頻率點(diǎn)間變化。在FSK信號的已調(diào)波形中，若二進(jìn)制數(shù)基帶信號直接控制模擬電路輸出信號頻率的大小來產(chǎn)生FSK信號；鍵控法則是通過二進(jìn)制矩形脈沖信號來控制開關(guān)電路，通過開關(guān)電路對信號頻率值大小不同的兩個獨(dú)立鎖相環(huán)是由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器三個模塊電路組成的相位負(fù)反饋系統(tǒng)。鎖相環(huán)的本質(zhì)是通過鑒相器對輸入信號相位的比較去控制VCO輸出端頻率的大小。的。然而，二進(jìn)制基帶信號并不能直接通過網(wǎng)絡(luò)電纜、光纖或者無線媒介進(jìn)行傳輸，成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換將基帶信號變成用計(jì)算機(jī)所能識別的二進(jìn)制語言，最終信號已成為科研人員研究其他數(shù)字調(diào)制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。本文主要研究內(nèi)容有以下兩部分，其一是制作一套基于鎖相環(huán)的FSK信號的發(fā)射究開始時要對FSK調(diào)制解調(diào)原理和鎖相環(huán)原理進(jìn)行理論分析，在深入了解相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬件部分的設(shè)計(jì)工作。硬件部分制，利用DA產(chǎn)生模擬電壓控制壓控振蕩器，利用按鍵完成對FSK信號中心頻率的鍵3、提交可演示工作原理的原型系統(tǒng)，完成現(xiàn)場實(shí)物演示；第三章對FSK信號收發(fā)傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。其中發(fā)射機(jī)部分包括鎖相第五章對FSK信號收發(fā)傳輸系統(tǒng)的測試進(jìn)行闡述。在理論分析的基礎(chǔ)上，對各級nn2FSKnnnFSK信號的主要通過兩種方式生成：其一是通過模擬調(diào)頻電路由基帶信號控制2FSK信號2FSK信號選通開關(guān)選通開關(guān)相加器選通開關(guān)反相器振蕩器f2振蕩器f1基帶信號信號；而鍵控法產(chǎn)生的FSK信號，是由不同的頻率源在時序上分別通過開關(guān)電路形成原理是將FSK信號通過兩個不同頻點(diǎn)的帶通濾波器，將FSK信號分解成兩路ASK信12帶通濾波器f1帶通濾波器f1相乘器低通濾波器輸入輸出抽樣脈沖抽樣判決器帶通濾波器f2相乘器低通濾波器帶通濾波器f1帶通濾波器f1包絡(luò)檢波器輸入輸出抽樣脈沖抽樣判決器帶通濾波器f2包絡(luò)檢波器再通過中放電路和鑒頻回路完成信號的解調(diào)。鑒頻法解調(diào)FSK信號的核心就是鑒頻回路，通過鑒頻回路，系統(tǒng)把FSK信號的上下頻點(diǎn)變成兩種電壓信號，電壓信號經(jīng)低通差分檢測法的原理是通過對FSK信號與其延遲后的信號比較，通過比較信號之間的相位差值恢復(fù)數(shù)字基帶信號的。當(dāng)FSK信號通過系統(tǒng)有嚴(yán)重的延遲失真時，由于失過零檢測法的原理是通過檢測過碼元內(nèi)零點(diǎn)數(shù)目的多少，用來區(qū)分兩個不同頻率列，脈沖序列經(jīng)微分和整流電路形成脈沖序列，即為FSK信號的過零點(diǎn)。脈沖信號通其一作為系統(tǒng)信號輸出，另一部分通過前置分頻器與鎖ua鑒相器本質(zhì)上是相位比較器，用來比較鎖相環(huán)參考信號的相位和壓控振蕩器（VCO）輸出信號的相位。鑒相器的輸出電壓與兩個比較信號的相位差成正比。鑒相器的功能可由乘法器實(shí)現(xiàn)，設(shè)鑒相器的輸入信號即鎖相環(huán)參考信號電壓為Me]通過鎖相環(huán)的鑒相器電路，鑒相器兩個輸入信號的瞬時相位差θd--VcVcVc0V0V0VVUeeV13、鎖相環(huán)方程描述了鎖相環(huán)輸入輸出信號相位之間始終相等的關(guān)系，其具體關(guān)系eRVR器，這種程度的窄帶濾波性能是其他形式的濾調(diào)制信號調(diào)頻波1、環(huán)路濾波的帶寬應(yīng)包含VCO自身震蕩2、調(diào)制信號在頻率上產(chǎn)生的變化多環(huán)路濾波器不起影響，調(diào)制信號能控制壓控鎖相環(huán)硬件模塊用集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片ADF4001和壓控振蕩器芯片通過程序控制單片機(jī)STM32產(chǎn)生基帶信號，由基帶信號控制模擬開關(guān)的開和關(guān)。鎖相環(huán)和單片機(jī)產(chǎn)生的FSK信號，由于功率較小，不能滿足系統(tǒng)要求，后級必須加入功率放大電路。用三極管搭建的丙類功率放大電路可以滿足系統(tǒng)要求。FSK信號由于它的實(shí)用性，其解調(diào)已經(jīng)可以用集成芯片實(shí)現(xiàn)。結(jié)合具體芯片實(shí)現(xiàn)解通過鑒頻器模塊的FSK信號并不是基帶信號，要完成FSK信號的解調(diào)，芯片HA12413后級需添加比較器模塊。通過鑒頻器鑒頻后的FSK信號，產(chǎn)生與調(diào)制信號頻本章第一部分詳細(xì)介紹了FSK信號調(diào)制解調(diào)的理論知識，第二部分介紹了鎖相環(huán)基于模擬調(diào)頻法生成FSK信號。用模擬開關(guān)和DAC控制鎖相環(huán)完成具體頻率FSK信在理論研究的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)的工作流程，同時由系統(tǒng)的功分兩部分進(jìn)行輸出，滿足系統(tǒng)對鎖相環(huán)指標(biāo)的要求。功能的需求，可對參考信號和VCO反饋信號進(jìn)行相位誤差鑒別進(jìn)而將相位誤差輸入到提高了芯片程控的簡易程度。二、鎖相頻率源的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案諧振回路經(jīng)pin3和pin4引腳接入，主要器件有電感L7、L8、L9和變?nèi)荻O管D2、是變?nèi)荻O管的容值也不可過大，因?yàn)榇笕葜档淖內(nèi)荻O管通常Q值較低，會惡化壓聯(lián)得到。壓控振蕩器輸出端分兩路提供鑒相器輸入頻率RFINA和鎖相環(huán)鎖定頻率RFOUT。器器饋信號脈沖，芯片內(nèi)部的鑒相器通過比較兩路脈沖信號的頻率和相位關(guān)系輸出鑒相脈信號輸入器輸入信號至低通濾頻率之間的關(guān)系如何，鑒頻鑒相器輸出信號比較后的最大電壓，控制VCO直至二者頻比，因無源濾波器設(shè)計(jì)簡單、成本低廉、對帶內(nèi)噪聲影響小，本文選用無源二階濾波AD公司提供的ADISimPLL軟件能完成鎖相環(huán)的整體仿真，通過仿真結(jié)果軟件給出鎖相環(huán)環(huán)路濾波器部分各獨(dú)立元件的設(shè)計(jì)參數(shù)。由軟件仿真獲得環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)結(jié)此判斷是否環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求。VinVoutVinmmH/cHBeesPhasePhaseNoiseat25.0MHzTotalLoopFilterChipVCO結(jié)合軟件仿真后的結(jié)果，對環(huán)路濾波器經(jīng)行硬件電路焊接和調(diào)試。最終，環(huán)路O12.00010020030040050060070鎖相環(huán)產(chǎn)生的FSK信號由于功率較小，需經(jīng)過功率放大電路得到足夠的輸出功率cfSTM32系列是專為要求高性能、低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMSTM32擁有三種不同的低功耗模式和一個通用的超頻方案使用戶可以相對于性能己獨(dú)立的供電部分。從低功耗模式啟動的啟動時間比從Stop模式啟動的啟動時間短和5V電壓供電，所以系統(tǒng)采用可以將5V電源電壓轉(zhuǎn)換為3.3V的穩(wěn)壓芯片載模塊，用KEIL軟件編寫的C語言程序通過通過仿真器和JTAG模塊可以下載到STM32處理器作為系統(tǒng)的主控，除了最小系統(tǒng)外，還為控制模塊，所以系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時候，為STM32文決定用DAC模塊生成一個模擬電壓，控制鎖相環(huán)的VCO，產(chǎn)生FSK信號的另一個也需要考慮DAC轉(zhuǎn)換器的輸出形式、通道數(shù)等。本文要求信號控制模擬開關(guān)的使能端，使DA產(chǎn)生的模擬電壓在基帶方波信號邏輯電平為“1”開關(guān)截至，DA產(chǎn)生的模擬電壓不能影響VCO，鎖相環(huán)鎖定頻率f1?？紤]到噪聲系數(shù)、線性度以及成本后，本論文選擇了美信半導(dǎo)體(Maxim)生產(chǎn)的混頻（或變頻是將信號頻率由一個量值變換為另混頻器的輸出包括兩個信號，上變頻分量和下變頻分量，下變頻分量在電組成。具有靈敏度高，噪聲低，工作電流小，低噪放大混頻HA12413比較器調(diào)制信號本章介紹了系統(tǒng)硬件部分各模塊選擇的芯片和具體的設(shè)計(jì)電路。實(shí)際制作后，本文確定的方案能滿足課題對系統(tǒng)指標(biāo)的要求，能完成FSK信號的發(fā)射接收工作。本章確號。由于接收機(jī)功能是為驗(yàn)證發(fā)射機(jī)是否能發(fā)射FSK信號，沒有程控內(nèi)容，本章重點(diǎn)研究一個芯片的外設(shè)要怎樣配置寄存器才能驅(qū)動起來。本文用KEIL軟件經(jīng)行STM32的程序編寫，程序基于C語言，利用J-LINK仿真開始開始Y出控制DA輸出頻率，在此基礎(chǔ)上才能配合外圍電路輸出不同中心頻率的FSK信號。要使鎖相環(huán)輸出VCOREFIN