2FSK 调制的简单数字通信系统报告Word格式文档下载.docx

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本实验电路利用移频键控法，由振荡器产生不同的载频频率作为两个不同频率的载频信号，即为相位不同的数字调频信号，由基带信号对不同频率的载波信号进行选择。

数字频率调制又称频移键控，二进制频键控记作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，应用广泛。

1.2系统组成：

1）电源电路

2）基带信号产生电路

3）128KHz正弦载波产生电路

4）64KHz正弦载波产生电路

5）调制电路

6）解调电路

1.3课程目的：

1）理解FSK调制的工作原理及电路组成；

2）掌握系统各功能模块的基本工作原理；

3）利用Multisim软件对数字通信的原理进行仿真，观察仿真并进行

波形分析；

4）学会对2FSK调制器的工作过程进行检查及对主要性能指标进行测试的方法。

1.4设计指标：

（1）电源电路需用变压器、整流桥、稳压模块自行设计；

（2）用74LS194产生时钟8KHz的15位的m序列的基带信号，伪随机序列，移位寄存器实现；

（3）NE555和TL084组成电路分别产生128KHz和64KHz正弦信号；

（4）四路双向模拟开关4066实现二进制的频率调制，二进制的频移键控；

（5）用模拟锁相环4046实现非相干的鉴频，频率解调。

1.5设计思路：

根据实现要求，电源电路根据需要用变压器、整流桥、稳压模块输出+12V，-12V，+5V，-5V；

基带信号用74LS194产生时钟8KHz的15位的m序列，并用TL084进行极性转换；

NE555先产生164KHz的方波，然后用74LS74进行二分频产生64KHz的方波，然后分别接入TL084组成的有源滤波器产生128KHz和64KHz正弦信号；

将产生的128KHz和64KHz正弦信号接入四路双向模拟开关4066实现二进制的频率调制，二进制的频移键控，从而产生2FSK调制信号；

将2FSK调制信号用模拟锁相环4046实现非相干的鉴频，频率解调。

1.6可行性分析

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f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的。

其表达式为：

典型波形如图1.1所示。

图1.12FSK信号的时间波形

由图可见，2FSK信号的波形可以分解成两个波形，也就是说，一个2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加。

因此2FSK信号的时域表达式又可以写成：

其中g（t）是脉宽为Ts的矩形脉冲表示的NRZ数字基带信号。

在频移键控中，

和

不携带信息，通常可令其为零。

2FSK调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。

可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一相载频w2的已调波形，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源w1、f2进行选择通。

如下原理图：

图1.2键控法产生2FSK信号的原理图

键控法产生的2FSK信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。

解调时先将正弦波转换成方波再输入锁相环，用一个电压比较器电路实现。

在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频f1上，对应输出高电平，而对于另一载频f2失锁，对应输出低电平，那么在锁相环路输出端就可以得到解调的基带信号序列。

二、单元电路的设计与分析

2.1电源电路

1、功能描述：

生成正负5V和正负12V的直流电。

2、主要器件：

变压器、整流桥、稳压模块（7805、7905、7812、7912）（注意安全）

3、工作原理

电源变压器：

变压器选用匝数比为5:

1的变压器。

交流电压经过整流后可获得电子设备所需要的直流电压。

整流电路：

整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路，电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种。

整流桥选用GBJ2510。

利用单相桥式整流电路把方向和大小都大小都变化的交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。

其优点是电压较高，纹波电压较小，整流二极管所承受的最大反向交流电流流过，变压器的利用率高。

滤波电路：

利用储能元件-电容C两端的电压不能突变的性质，采用RC滤波电路将整流电路输出的脉动成分大部分滤除，得到比较平滑的直流电。

稳压电路：

使整流滤波后的直流电压不随交流电网和负载的变化扰动而变化增加、通频带变宽等优点。

三端稳压器件：

常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78**系列和负电压输出的79**系列。

三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为正5V，7912表示输出电压为负12V。

同时运用78XX和79XX稳压器，可以组成正、负对称输出的稳压电路。

注意78xx/79xx系列的引脚顺序是不一样的。

面对7815或7819（有字的一面对我们）左边数第一个是1脚，中间是2脚，最后一个是3脚。

此外，散热片总是和最低电位的第②脚相连。

这样在78**系列中，散热片和②脚（地）连接，而在79**系列中，散热片却和②脚（输入端）连接。

图2.1-1图2.1-2

4、Multisim仿真

电源电路仿真电路图如下图2.1-3

图2.1-3电源电路仿真电路图

电源电路仿真结果如下图2.1-4

图2.1-4电源电路仿真结果

2.2基带信号发生电路

产生时钟8KHz的15位的m序列作为FSK通信系统的双极性数字基带信号。

2.主要器件：

74LS194（移位寄存器）、74LS86（异或门）、TL084运放（极性转

换）

3.原理分析与仿真

（1）NE555产生8KHz矩形波信号

本实验的74LS194的clock时钟信号由NE555产生。

NE555产生的多谐振荡器电路如图2.2-1所示

图2.2-1NE555典型电路图

引脚功能介绍：

Pin 

1 

（接地） 

-地线（或共同接地） 

，通常被连接到电路共同接地。

2 

（触发点） 

-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。

触发信号上缘电压须大于2/3 

VCC，下缘须低于1/3 

VCC 

。

3 

（输出） 

-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期的结束输出回到O伏左右的低电位。

于高电位时的最大输出电流大约200 

mA 

4 

（重置） 

-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

它通常被接到正电源或忽略不用。

5 

（控制） 

-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。

当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

6 

（重置锁定） 

- 

6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3 

VCC电压以下移至2/3 

VCC以上时启动这个动作。

7 

（放电） 

-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

8 

（V 

+） 

-这是555个计时器IC的正电源电压端。

供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。

由555定时器组成的多谐振荡器工作波形如图2.2-2所示

图2.2-2NE555工作波形

脉冲宽度

，，由电容C1放电时间决定；

，由电容C2充电时间决定，脉冲周期T≈TH+TL。

输出矩形波的周期为

（

一般为0.01uF的电容接地）

输出矩形波的占空比为：

基于此公式，要产生8KHZ方波，计算出各参数值如图2.2-3为：

图2.2-38KHZ方波NE555各参数值

Multisim仿真电路图如下图2.2-4：

图2.2-4NE555产生8KHZ方波仿真电路图

仿真结果如图2.2-5：

图2.2-5-1仿真结果

图2.2-5-2NE555产生8KHz矩形波信号电路仿真结果

（2）74LS194移位寄存器产生m序列

1）74LS194移位寄存器功能介绍：

移存器从结构上看，是将若干触发器级联起来。

按数据输入方式来分，有串行和并行两种；

而移位方向，则有左移和右移；

每位触发器的输出端与下一位触发器的数据输入端相连接，所有触发器公用一个时钟脉冲，使它们同步工作。

74LS194（4位双向移位寄存器具有并行输入、并行输出、左移和右移及保持等五个功能。

它的具体逻辑功能由管脚9和管脚10的S0，S1来确定74LS194共有16个管脚，其中，3D、2D、1D、0D为并行输入端；

3Q、2Q、1Q、0Q为并行输出端；

RS为右移串行输入端；

LS为左移串行输入端；

1S、0S为操作模式控制端；

CR为直接无条件清零端；

CP为时钟脉冲输入端。

74LS194有5种不同操作模式：

并行送数寄存；

右移（方向由3Q→0Q）；

左移（方向由0Q→3Q）；

保持及清零。

要求产生15位的m序列，所以需要4个输入输出端。

图2.2-6为它的管脚图。

图2.2-674LS194的管脚图

2）M序列发生器介绍：

m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，m序列是由带线性反馈的移位寄存器产生的。

由n级串联的移位寄存器和反馈逻辑线路可组成动态移位寄存器，如果反馈逻辑线路只由模2和构成，则称为线性反馈移位寄存器。

带线性反馈逻辑的移位寄存器设定初始状态后，在时钟触发下，每次移位后各级寄存器会发生变化，其中任何一级寄存器的输出，随着时钟节拍的推移都会产生一个序列，该序列称为移位寄存器序列。

本实验采用线性反馈的移位寄存器，原理图如图2.2-7

图2.2-7线性反馈的移位寄存器原理图

它是由n级移位寄存器、时钟发生器（图中未画出）及一些异或电路连接而成。

图中ai（i＝1,2,…..n-1）为某一级移存器状态，Ci表示反馈线连接状态:

Ci＝１，表示反馈线通，参与反馈；

Ci＝０，表示断开，不参与反馈。

C0=Cn=１。

线性反馈移位寄存器的特征多项式

用多项式f（x）来描述线性反馈移位寄存器的反馈连接状态：

·

·

f（x）的次数n表示移存器的级数。

Ci取值（１或０）确定反馈线连接状态。

n级线性反馈移存器能产生的m序列（p<

2n-1）的充要条件是：

移存器的多项式f（x）为本原多项式。

m序列m周期为p=24-1=15。

将x15+1分解既约因式：

x15+1=（x+1）（x2+x+1）（x4+x+1）（x4+x3+1）（x4+x3+x2+x+1）

（x4+x3+x2+x+1）能整除x5+1,故它不是本原多项式。

其中x4+x+1，x4+x3+1为本原多项式。

取f（x）=x4+x+1构成m序列发生器，并设初始状态为1000。

图2.2-8为15位m序列原理框图、图2.2-9为15位m序列

图2.2-815位m序列原理框图

图2.2-915位m序列

时钟8KHz的15位的m序列基带信号产生Multisim仿真电路图如下图2.2-10：

图2.2-10：

m序列基带信号仿真电路图

仿真结果如下图2.2-11：

图2.2-11基带信号仿真结果

（3）TL084进行极性转换

产生m序列后，我们需要将单极性的信号转换成双极性的信号，即将0-5V信号转换成-5V—+5V信号。

我们利用TL084进行极性转换。

因为

=5V，

=0V和5V,R3=R4=1k,所以产生正负5V的基带信号。

Multisim仿真电路图如下图2.2-12：

图2.2-12TL084进行极性转换电路图

仿真结果如下图2.2-13：

图2.2-13TL084极性转换仿真结果

4.multisim整体仿真设计

时钟8KHz的15位的m序列基带信号设计电路图如下图2.2-14：

图2.2-14基带信号总电路图

仿真结果如下图2.2-15：

图2.2-15基带信号仿真结果

2.3正弦载波产生电路（128KHZ）

1.功能描述：

产生128KHz的正弦信号（滤波法或振荡器直接生成）

2.主要器件：

NE555振荡电路、TL084运放（有源滤波器、放大）

3.原理分析与仿真：

（1）NE555产生128KHz矩形波信号

由基带信号电路中NE555产生8KHz方波信号的原理可知，NE555电路图如下图

2.3-1：

图2.3-1NE555产生矩形波典型电路图

由周期和占空比计算公式

（1）

（2）计算出原件参数并进行仿真，仿真电路图如图2.3-2

图2.3-2NE555产生128KHz的矩形波仿真电路图

仿真结果如图2.3-3

图2.3-3NE555产生128KHz的矩形波仿真结果

（2）TL084有源滤波器设计

截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

二阶低通滤波器的通带增益

品质因数,它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

利用FilterLab这一款低通滤波器设计软件，可以在设计滤波电路是带来很好的帮助，只需输入带宽或者起始的频率还有需要几阶的滤波器，既可以得到所需的电路，并且给出适合的电阻和电容值。

从而得到截止频率为128k的二阶低通滤波器如下图2.3-4

图2.3-4Filterlab低通滤波器设计（128k）

仿真电路图如下图2.3-5：

图2.3-5滤波器仿真电路

仿真结果如图2.3-6：

图2.3-6滤波器仿真结果

4.multisim整体仿真设计

128KHz正弦载波产生Multisim仿真电路如下图2.3-7：

图2.3-7128KHz正弦载波产生电路

仿真结果如下图2.3-8：

图2.3-8128KHz正弦载波产生电路仿真结果

2.464KHz正弦载波产生电路

产生64KHz的正弦信号

74LS74（分频）、TL084运放（有源滤波器、放大）

（1）74LS74实现二分频

为了使128KHz正弦信号和64KHz正弦信号保持相位一致，减小相位差，故采用将NE555产生的128KHz信号进行分频的方式来产生64KHz信号。

二分频选用74LS74器件。

74LS74是个双D触发器，把其中的一个D触发器的Q非输出端接到D输入端，时钟信号输入端CLOCK接时钟输入信号，这样每来一次CLOCK脉冲，D触发器的状态就会翻转一次，每两次CLOCK脉冲就会使D触发器输出一个完整的正方波，这就实现了2分频。

把同一片74LS74上的两路D触发器串联起来，其中一个D触发器的输出作为另一个D触发器的时钟信号。

Multisim仿真电路如下图2.4-1：

图2.4-164KHZ正弦载波产生电路

仿真结果如下图2.4-2：

图2.4-274LS74二分频仿真结果

（2）TL084运放设计有源滤波器

利用FilterLab这一款低通滤波器设计软件，从而得到截止频率为64k的二阶低通滤波器如下图2.4-3

图2.4-3Filterlab低通滤波器设计（64k）

由2.3节中的滤波器设计可知，此滤波器的Multisim仿真电路如下图2.4-4：

图2.4-4TL084运放设计有源滤波器电路图

仿真结果如下图2.4-5：

图2.4-5滤波器仿真结果

4.multisim整体仿真设计

64KHz正弦载波产生Multisim仿真电路如下图2.4-6：

图2.4-616KHz正弦载波产生电路

仿真结果如下图2.4-7：

图2.4-764KHz正弦载波仿真结果

2.5模拟电子开关实现的调制电路

1、功能描述：

实现二进制的频率调制，二进制频移键控。

方法：

模拟开关实现

2、主要器件：

四路双向模拟开关4066（双电源供电）

3、工作原理

如下原理图2.5-1所示：

载波f1

2FSK输出信号

载波f2

二进制数据

图2.5-12FSK的调制原理图

模拟开关4066由数字键控实现，该电路中4066的输入引脚有IN1和IN2，具有低导通阻抗和低的截止漏电流。

VDD=+12V，VSS=-12V。

本实验对基带信号及其反信号同时输入，交替选择控制载波频率，实现二进制的频率调制，二进制频移键控。

当基带信号是高电平时，32Khz的正弦波输入，当基带信号是低电平时，16Khz的正弦波输入。

在输出端对两者进行相加，得到的就是2FSK信号。

模拟开关电路由两个或非门、两个场效应管及一个非门组成。

如图2.5-2

图2.5-2模拟开关电路组成

调制电路仿真电路图如下图2.5-3

图2.5-3调制电路仿真电路图

调制电路仿真结果如下图2.5-4

图2.5-4调制电路仿真结果

2.6解调电路

用模拟锁相环实现非相干的鉴频，频率解调。