1、基于锁相环的 FSK 数据收发传输系统实现研究I目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .III第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.2 国内外的研究水平 .21.3 本文的主要研究内容及章节安排 .2第 2 章 系统理论分析及总体设计方案 .42.1 二进制频移键控 .42.1.1 基本原理 .42.1.2 FSK 信号产生方法 .42.1.3 FSK 信号的解调方法 .52.2 锁相环 .72.2.1 锁相环路的工作原理 .72.2.2 锁相环路的组成部分 .72.2.3 锁相环路的基本方程 .92.2.4 锁相调频电路 .102.3 系统总体方案设计 .1
2、12.3.1 发射机方案设计 .112.3.2 接收机方案设计 .112.4 本章小结 .12第 3 章 系统的硬件设计 .133.1 发射机硬件设计 .133.1.1 锁相频率源设计 .133.1.2 功率放大电路 .183.1.3 天线 .183.1.4 STM32 最小系统电路设计 .193.1.5 DAC 和模拟开关 .21哈尔滨工程大学学士学位论文3.1.6 发射机总体框图 .233.2 接收机硬件设计 .233.2.1 低噪放大电路 .233.2.2 混频器电路 .243.2.3 窄带 FSK 接收机设计 .263.2.4 比较器 .273.2.5 接收机总体框图 .283.3 本
3、章小结 .28第 4 章 系统的软件设计 .294.1 STM32 开发方式介绍 .294.2 STM32 实现系统整体控制的流程 .304.3 STM32 实现对锁相环 ADF4001 的控制 .304.4 STM32 实现对 DAC 模块的控制 .324.5 STM32 产生脉冲宽度调制信号 .334.6 本章小结 .34第 5 章 系统测试 .355.1 FSK 发射机测试 .355.1.1 锁相环测试 .355.1.2 DA 输出电压与压控振荡器输出频率测试 .355.1.3 STM32 生成脉宽可调的数字基带信号 .365.2 FSK 接收机测试 .375.2.1 混频器测试 .37
4、5.2.2 接收机输出测试 .375.3 本章小结 .39结 论 .40参考文献 .41致谢 .42第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着网络和各类移动终端普及，数字通信在不同的通信业务中得到了广泛的应用。的传输方式有 和 两种。实际中的大多数信道并不能直接数 字 信 号 基 带 传 输 带 通 传 输用于基带信号的传输，原因是基带信号在传输过程中往往伴随着丰富的低频分量。为了使 能够在 中完成信息传递，需要利用 对系统载波进行 。基 带 信 号 信 道 基 带 信 号 调 制能对 进行 的方法有两种：（1）通过 实现 的调制，基 带 信 号 调 制 模 拟 电 路
5、 数 字 基 带 信 号即把 当成 的一个特例，把 当作 的特殊情况数 字 调 制 模 拟 调 制 数 字 基 带 信 号 模 拟 信 号进行处理；（2）利用 的 特点通过开关电路 载波频率值的大小。基 带 信 号 离 散 取 值 键 控这种方法通常称为 法，通过这种方法对载波的 、 和 分别进行键控，键 控 相 位 振 幅 频 率便可获得 键控（PSK ） 、 键控（ASK）和 键控（FSK） 。而对于数字通信相 移 振 幅 频 移系统的接收端，要想恢复出 ，可采用 和非 两种解调方数 字 基 带 信 号 相 干 解 调 相 干 解 调式。由于 FSK 信号产生方法简单、易于实现，且在解调过
6、程中可以不恢复本地载波，和 性能也较强。因此，FSK 技术在通信行业得到了广泛地应用。抗 噪 声 抗 衰 落 调 制实现 FSK 信号的调制解调的方式很多，国外相关芯片厂商已经生产出专门用于FSK 信号的产生和解调的单片集成芯片。经过研究，本文以锁相环（PLL ）为核心完成 FSK 信号产生，即传输系统的发射机部分；以单片集成解调芯片完成 FSK 信号的解调部分，用比较器电路恢复 FSK 的数字基带信号。其特点是，利用较少的电路元器件和较简单的硬件电路来完成 FSK 信号发射接收传输系统。是利用 的 变化来传递数字消息。在 2FSK 中， 随二频 移 键 控 载 波 频 率 载 波 频 率进制
7、 在 和 两个频率点间变化。在 FSK 信号的已调波形中，若二进制数字基 带 信 号 1f21 对应于载频 ，则数字 0 对应于载频 。从原理上讲，产生 FSK 信号的方法有两种：2f其一是通过模拟调频电路来实现；其二可以采用键控法来实现。模拟调频法是利用基带信号直接控制模拟电路输出信号频率的大小来产生 FSK 信号；键控法则是通过二进制 信号来控制开关电路，通过开关电路对信号频率值大小不同的两个独立矩 形 脉 冲进行选通，进而产生 FSK 信号。本文基于模拟调频电路产生 FSK 信号。频 率 源(phase-locked loop)是无线发射系统中能提供稳定 信号的一种电路。锁 相 环 频
8、率锁相环是由 、 和 三个模块电路组成的相位负反馈系统。鉴 相 器 环 路 滤 波 器 压 控 振 荡 器的本质是通过 对 相位的比较去控制 VCO 输出端频率的大小。锁 相 环 鉴 相 器 输 入 信 号哈尔滨工程大学学士学位论文压控振荡器输出端信号分为两部分：其一作为锁相环输出，产生实验人员所需的频率信号；其二通过前置分频器与锁相环参考频率源产生的本振信号作相位比较，看两者是否有相位差。通过 VCO 输出端信号相位和参考相位比较，若相位差存在，锁相环鉴相器的输出端电压大小发生变化，控制 VCO 输出信号频率值大小发生变化，直到相位差恢复，达到锁频的目的。本文通过锁相环产生系统所需 FSK
9、信号的载波频率。本课题的目的是通过制作 FSK 数据收发传输系统，进一步理解 FSK 信号和锁相环的理论知识。基于对 FSK 信号和锁相环理论知识的了解，解决在系统硬件制作和软件编写调试过程中遇到的问题，提升学生运用理论知识解决实际问题的能力。1.2 国内外的研究水平在通信数字化的今天，网络和各类终端之间的通信是通过二进制代码进行数据传输的。 然而，二进制基带信号并不能直接通过网络电缆、光纤或者无线媒介进行传输，需用频移键控原理把二进制基带信号调制为中心频率较高的 FSK 信号，然后 FSK 信号通过信道完成二进制数据在网络间信息传输。接收端通过将接收到的 FSK 信号解调成二进制数据，通过相
10、应转换将 变成用计算机所能识别的 ，最终基 带 信 号 二 进 制 语 言完成网络和各类终端之间的数字通信。由于计算机、手机等通讯设备在人们生活中的普及，人们对信息在终端之间传输的要求越来越高。信息传输的速率、正确性、及时性等都需要满足人们的使用需要。为了提前完成人类对信息交流所需要满足的技术条件，科研人员对 FSK 信号和其他数字调制技术进行了深入研究。通过对用户需求的不断满足，促进了人类通信技术的发展，也间接推动了社会的进步。国内外对 FSK 信号的研究都到了一个较为成熟的阶段。运用 FSK 技术进行数字信号的传递，在若干年前就已实现。在数字通信系统中，由于 FSK 信号的简单易行，FSK
11、 信号已成为科研人员研究其他数字调制技术的理论基础。1.3 本文的主要研究内容及章节安排本文主要研究内容有以下两部分，其一是制作一套基于锁相环的 FSK 信号的发射系统，其二是以集成芯片 HA12413 为核心制作接收系统来验证发射系统的正确性。锁相环部分要求用鉴频器 ADF4001 和压控振荡器 MC12148 制作，接收机用解调芯片HA12413 和运算放大器 LM339 制作，其余电路可选择相关电路器件进行自主设计。研究开始时要对 FSK 调制解调原理和锁相环原理进行理论分析，在深入了解相关理论的第 1 章 绪论3基础上，进行硬件部分的设计工作。硬件部分结合微处理器 STM32 完成数字
12、信号的调制，利用 DA 产生模拟电压控制压控振荡器，利用按键完成对 FSK 信号中心频率的键控。文章最后会对系统的性能和各个模块的指标进行详细的测试。本文的技术指标要求如下：1、设计一个中心频率在 20-30MHz 范围内可设置（频率步进值为 0.25MHz） 、频偏15kHz 的窄带 FSK 发射机；2、使用单片接收机芯片 HA12413 设计一个 FSK 接收机验证 FSK 发射机设计的正确性；3、提交可演示工作原理的原型系统，完成现场实物演示；4、完成设计论文。文章各章节的具体安排如下：第二章对 FSK 信号收发传输系统进行原理分析。具体包括 FSK 信号的调制原理和相关的解调方法；锁相
13、环的形成原理，理论分析和设计指标；锁相环在发射机调制系统的应用方式。并在本章节确定课题的总体设计方案。第三章对 FSK 信号收发传输系统的硬件设计进行阐述。其中发射机部分包括锁相环模块、功率放大模块、DA 模块、单片机 STM32 最小系统和按键、模拟开关等外围电路；接收机部分包括低噪放大模块、混频器模块、解调芯片 HA12413 及其外围电路。第四章对发射机的软件设计进行阐述。既 STM32 处理器对发射机部分的整体控制，具体包括对锁相环产生频率值的控制和输入设备的控制，另外利用 STM32 处理器控制DA 产生模拟电压和生成数字调制信号。第五章对 FSK 信号收发传输系统的测试进行阐述。在
14、理论分析的基础上，对各级模块进行系统测试，通过理论分析的结果和硬件测试的结果进行对比，给出最终结果。哈尔滨工程大学学士学位论文 )cos(en212tAFSK第 2 章 系统理论分析及总体设计方案2.1 二进制频移键控2.1.1 基本原理频移键控是通过数字基带信号来控制载波频率，通过载波频率的大小来反映数字信息的。在频移键控中，载波的频率值大小随二进制基带信号在 和 两个频率值之1f2间跳变。其表达式见式（2-1） （2-1）发送“1”时， 发送“0”时。典型波形如图 2.1 所示。图 2.1 2FSK 信号的时间波形由图 2.1，FSK 信号理论上可以看作载波频率不同的 ASK 信号的叠加，
15、FSK 信号的时域表达式（2-2）（2-2）)cos()()cos()()( 2_12 nnnFSK tTtgatTtgats 由式（2-2 ）：g(t) 为基带矩形脉冲信号，脉宽为 ， 和 分别是第 n 个信号码元sn（1 或 0）的初始相位。由于 和 在 FSK 信号中不携带数字基带信号的任何信息，n和 在理论计算中置零。因此，2FSK 信号的表达式可以简化为式（2-3）n（2-3）tstsFSK 22112 co)(co)(e2.1.2 FSK 信号产生方法第 2 章 系统理论分析及总体设计方案5压 控 振 荡 器 2FSK信 号基 带 信 号FSK 信号的主要通过两种方式生成：其一是通
16、过模拟调频电路由基带信号控制VCO 直接产生，如图 2.2 所示。图 2.2 调频法产生 2FSK 信号其二是通过键控法来实现，即用数字基带信号控制开关电路的开通和闭合，通过开关电路的状态，使两个独立频率源在不同时刻通过开关电路，保证在基带信号一个码元期间，系统输出载波频率 或 ，如图 2.3 所示。FSK 信号s1f2图 2.3 键控法产生 FSK 信号上述两种方法产生的 FSK 信号，两者之间的差别如下：由模拟调频电路生成的FSK 信号在相邻码元之间的相位是连续的，这是一类特殊的 FSK 信号，称之为连续相位 FSK 信号；而键控法产生的 FSK 信号，是由不同的频率源在时序上分别通过开关
17、电路形成的，故在基带信号相邻码元之间，FSK 信号相位不连续。2.1.3 FSK 信号的解调方法FSK 信号常用的解调方法有如图 2.4 所示的相干解调和图 2.5 非相干解调两种。其原理是将 FSK 信号通过两个不同频点的带通滤波器，将 FSK 信号分解成两路 ASK 信号，各自进行解调后，再进行抽样判决。通过比较两路解调信号抽样值的大小，即抽样判决，恢复出数字基带信号。进行抽样判决时，判决规则要对应系统数字基带信号调制时的具体情况。若载波频率 对应二进制数字 1，则解调框图上路判决为 1；若载1f波频率 对应二进制数字 1，则解调框图下路判决为 1。2f FSK信 号振 荡 器 f1 选
18、通 开 关相 加 器反 相 器振 荡 器 f2 选 通 开 关基 带 信 号哈尔滨工程大学学士学位论文图 2.4 相干解调图 2.5 非相干解调除上述介绍的方法外，FSK 信号解调还有其他方式。下面介绍 FSK 信号的另外三种解调方式：1、 鉴频法用鉴频法解调 FSK 信号时，首先信号要通过带通滤波器滤除其他频点的干扰信号，再通过中放电路和鉴频回路完成信号的解调。鉴频法解调 FSK 信号的核心就是鉴频回路，通过鉴频回路，系统把 FSK 信号的上下频点变成两种电压信号，电压信号经低通滤波电路和比较器电路整合后，就能得到系统调制前的基带数字信号。2、 差分检测法差分检测法的原理是通过对 FSK 信
19、号与其延迟后的信号比较，通过比较信号之间的相位差值恢复数字基带信号的。当 FSK 信号通过系统有严重的延迟失真时，由于失真同时影响相邻码元的信号，不影响比较结果，系统解调时可采用差分检测法；当系统信号失真不严重时，鉴频法解调效果较为理想。3、过零检测法过零检测法的原理是通过检测过码元内零点数目的多少，用来区分两个不同频率的信号。FSK 信号在单位时间内过零点数和载波频率的大小有关，通过检测 FSK 信号带 通 滤 波 器 f1 相 乘 器相 乘 器抽 样 脉 冲 抽 样 判 决 器带 通 滤 波 器 f2输 入 输 出低 通 滤 波 器低 通 滤 波 器带 通 滤 波 器 f1抽 样 脉 冲
20、抽 样 判 决 器带 通 滤 波 器 f2输 入 输 出包 络 检 波 器包 络 检 波 器第 2 章 系统理论分析及总体设计方案7)(sin21)(21tUKtUVmRMd 的过零点数可以反应信号载波频率的大小。FSK 信号通过系统限幅电路后产生脉冲序列，脉冲序列经微分和整流电路形成脉冲序列，即为 FSK 信号的过零点。脉冲信号通过系统的脉冲展宽和低通滤波电路处理，得到脉冲信号的直流分量。脉冲直流分量经过比较器电路对信号幅度的区别，即可恢复出数字基带信号。2.2 锁相环2.2.1 锁相环路的工作原理锁相环由鉴相器（PD） 、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成，其构造框图如图 2.6
21、 所示。锁相环路的工作原理如下：压控振荡器的输出信号分为两部分，其一作为系统信号输出，另一部分通过前置分频器与锁相环参考频率信号进行相位比较，通过比较信号相位之间差值的变化，环路滤波器输出电压发生变化，电压的变化又可以通过控制压控振荡器输出信号频率发生变化，从而达到锁频目的。图 2.6 锁相环2.2.2 锁相环路的组成部分（一） 、鉴相器鉴相器本质上是相位比较器，用来比较锁相环参考信号的相位和压控振荡器（VCO ）输出信号的相位。鉴相器的输出电压与两个比较信号的相位差成正比。鉴相器的功能可由乘法器实现，设鉴相器的输入信号即锁相环参考信号电压为，压控振荡器输出信号电压为 ，通过乘法器后，输出见式
22、（2-4）t（RU )t(VUU= （2-4）MK）（RV式中， 为乘法器系数。在锁相环路中，鉴相器输出信号进入环路滤波器，因环路滤MK波起到低通滤波器的作用，高频分量不能通过环路滤波电路。故可认为鉴相器的输出信号只包含低频分量，则（2-5）式（2-6 ）为鉴相器输出电压的最大值，式（2-7）为鉴相器输入信号的瞬时相差鉴 相 器 环 路 滤 波 器 压 控 振 荡 器哈尔滨工程大学学士学位论文（2-6）2/UKVmRMd（2-7）)t()t(v1e由式（2-6 ） 、 （2-7 ） ，式（2-5）可以简化为（2-8）sinK）（Uedd通过锁相环的鉴相器电路，鉴相器两个输入信号的瞬时相位差 将
23、转变为输出)(te电压信号 。鉴相器的作用可用图 2.7 的数学模型表示。)(tUd图 2.7 鉴相器数学模型（二） 、压控振荡器压控振荡器的输出信号频率 由输入电压 控制，可以把压控振荡器理解)(tV)(tUc为电压和频率之间的变换电路。一般情况下，VCO 的特性可以用 与 之间的)(tVUc关系曲线表示。图 2.8 是压控振荡器的频率电压关系特性曲线。图 2.8 VCO 频率电压关系特性曲线由图 2.8 可以看出，在一定范围内， 和 之间近似为线性关系：)(tVUc（2-9）0KV在式（2-9 ）中 是 VCO 的固有振荡频率，压控振荡器的输入电压为零时其输出频率0的大小； 是 VCO 特性曲线直线部分的斜率，其含义为单位控制电压所能引发的压VK控振荡器角频率变化的大小，称为压控灵敏度，单位 rad/（s ） 。-
