1、1移频键控 FSK 调制与解调系统设计实验学号： 班级： 姓名： 一实验目的数字频率调制是数据通信中使用较早的一种通信方式，由于这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能强，因此在中低速数据通信系统中得到较为广泛的应用。通过此综合实验，应达到：1进一步加深对数字调制中的移频键控 FSK 调制器与解调器工作原理及电路组成的理解与掌握。2学会综合地、系统地应用已学到的知识，对移频键控 FSK 调制与解调系统电路的设计与仿真方法，提高独立解决问题的能力。二实验要求构建并设计一个数字移频键控 FSK 传输系统，具体要求是：主载波频率：11800HZ载波 1 频率：2950HZ（四分频）载波 2 频率
2、：1475HZ（八分频）数字基带信号 NRZ：15 位 M 序列，传输速率约为 400 波特。 （32 分频）FSK 调制器可以采用数字门电路构成电子开关电路( 或集成模拟开关)与采用集成模拟乘法器，利用键控法实现。FSK 解调器可以采用非相干解调法或过零检测法实现。传输信道不考虑噪声干扰，采用直接传输。整个系统用 Multisim 软件仿真完成。三实验原理与设计思路1实验原理数字频率调制又称频移键控，记作 FSK(Frequency Shift Keying),二进制频移键控记作 2FSK。数字频移键控是用载波的频率的变化来传送数字消息的，即用所传送的数字消息控制载波的频率。由于数字消息只有
3、有限个取值，相应地，作为己调的 FSK 信号的频率也只能有有限个取值。那么，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。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现，后者较为方便。1）FSK 调制信号的产生实现数字频率调制的方法很多，总括起来有两类。直接调频法和移频键控法。注意到相邻两个振荡器波形的相位可能是连续的，也可能是不连续的，因此有相位连续的 FSK 及相位不连续的 FSK 之分。并分别记作 CPFSK 及 DPFSK。所谓直接调频法，就是用数字基带矩形脉冲
4、控制一个振荡器的某些参数，直接改变振荡频率，使输出得到不同频率的已调信号。用此方法产生的 2FSK 信号对应着两个频率的载波，在码元转换时刻，两个载波相位能够保持连续，所以称其为相位连续的 CPFSK 信号。直接调频法产生的移频键控信号虽易于实现，但由于是同一振荡器产生两个不同频率的信号，在频率变换的过渡点相位是连续的，其频率稳定度较差。而且这种方法产生的 FSK 信2号频移不能太大，否则振荡不稳，甚至停振，因而实际应用范围不广，仅适用于低速传输系统。频率键控法又称为频率转换法，它是用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进行转换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。由于产
5、生 f1 和 f2 载频是由两个独立的振荡器实现，则输出的 2FSK 信号的相位是不连续的。这种方法的特点是转换速度快，波形好，频率稳定度高，电路不甚复杂，在实用中可以用一个频率合成器代替两个独立的振荡器,再经分频链，进行不同的分频，也可得到2FSK 信号。故得到广泛应用。此外，实用电路中还可以借助于数字电路来实现移频键控，如图 1 所示。 由图可见，晶振输出的主载波，通过不同次数的分频(或倍频) 器，可得到两种不同频率的载波，其相位也不完全相等。当数字基带信号 g(t)为高电位时，与非门 1 关闭。与非门 2 打开，输出频率为 f2 的信号。当 g(t)为低电位时与非门 1 打开，与非门 2
6、 关闭，输出频率为 f1 的信号。这样，经过相加器相加后，就可输出 2FSK 信号。这种方法实现移频键控电路集成化程度高、体积小、可靠性高。2 ）数字调频 FSK信号的解调数字调频信号的解调方法很多，可以分为线性鉴频法和分离滤波法两大类。线性鉴频法有模拟鉴频法、过零检测法、差分检测法等，分离滤波法又包括相干检测法、非相干检测法以及动态滤波法等。非相干检测的具体解调电路是包给检测法，相干检测的具体解调电路是同步检波法。下面仅就过零检测法与非相干检测法做以介绍。（1）过零检测法单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频
7、率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法又称为零交点法，计数法。其原理方框图及各点波形图见图 2。 图 2 过零检测法方框图及各点波形图考虑一个相位连续的 FSK 信号 a，经放大限幅得到一个矩形方波 b，经微分电路得到双向微分脉冲 c,经全波整流得到单向尖脉冲 d,单向尖脉冲的密集程度反映了输入信号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点的数目。单向脉冲触发一脉冲发生器，产生一串幅度图 1 频率键控调制器3为 E 宽度为 的矩形归零脉冲 e脉冲串 e 的直流分量代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲串的直流分量 f 这样就完成了频率
8、幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。(2)非相干解调法2FSK 非相干解调电路的系统原理框图如图 3 所示：主要由高通滤波器、包络检波器和电压比较器构成。图 3 非相干测法方框图及各点波形图输入的 FSK 信号，经高通滤波器滤除两个载频中的一个，经包络检波器整流与低通滤波器后得到数字基带信号，最后经电压比较器就可得还原出的数字信号“1”和“0” 。2设计思路1）2FSK 调制系统本次综合设计实验的调制系统主要由主载波振荡器、分频器、序列发生器、调制器、相加器和有源带通滤波器等构成。其调制电路的组成框图如图 4 所示。图 4 FSK 调制器电路组成框图从图 4
9、可以看出，当信码为“”时，分频链作分频，即输出频率为 2950Hz 载波，信码为“”时，分频链作分频，输出频率为 1475Hz 载波。如此一来，多谐振荡器输出的载波，通过不同次数的分频，就得到了两种不同频率的输出，经相加器后，从而在输出端得到不同频率的已调信号，即 FSK 信号，完成了数字基带信号转换为数字频带信号的过程。在了解与掌握 2FSK 调制系统电路的基础上，进行自己的设计与实验。需要设计的单元电路有：主载波振荡器主要提供 2FSK 的载波和信码的定时信号，可用集成电路（555）构成多谐振荡器，产生的振荡频率为 11800Hz 载波，要求输出频率可调。分频器将主载波按设计要求，一般用
10、D 触发器构成适当的分频电路，获得载频 f1、f2 和序4列所需的时钟信号。序列发生器序列发生器用 D 触发器构成四级移位寄存器组成，形成长度为 24-1=15 位码长的伪随机码序列，码率约为 400bit/s。调制器调制器可以采用数字门电路构成电子开关电路（或直接选用集成模拟开关）与采用集成模拟乘法器。相加器直接调用 Multisim 中的加法器模块。2）2FSK 解调系统本次综合设计实验的解调系统可以采用线性鉴频法中的过零检测法。也可以采用分离滤波法中的非相干检测法。（1）非相干解调法对于非相干检测法，其系统电路构成如图 5 所示。在了解与掌握了 2FSK 非相干检测法系统电路的基础上，进
11、行自己的设计与实验。需要设计的单元电路有：图 5 2FSK 非相干解调电路原理图高通滤波器要求采用 RC 无源电路，构成三阶高通滤波器。已知 2FSK 的中心频率：=2212.5Hz,且滤波器的通带频率： ，取 C=1F，有 R=72。21ff Rf21低通滤波器低通滤波器为一般 RC 滤波器电路，低通滤波器选用一般 RC 滤波器电路，因信码速率为 400 波特，其电路元件参数：R=300，C=1uF。电压比较器电压比较器用运算放大器构成迟滞比较器，参考电压给定为 0.22V。（2）过零检测法对于过零检测法，其系统电路构成如图 6 所示。图 6 过零检测电路组成框图5在了解与掌握了 2FSK
12、过零检测法系统电路的基础上，可参考其它资料，进行自己的设计与实验。四 实验内容与方法步骤：在完成电路设计与 Multisim 的电路构成后，进行下列实验项目。1 FSK 调制器（发送单元）的测量实验 检测、调整多谐振荡器输出的载波信号本实验中，由（555）集成电路构成一个时钟信号发生器。振荡频率由 555 的 7 脚外接电位器 W1 和电容 C1 决定，其振荡频率约为 11800HZ，可以通过调整 W1 来改变频率。用示波器观看波形，并用频率计测量频率，将测量结果填入表 1 中。表 1测量点 测量波形 频率数555 的 3脚11800Hz 调测分频器的分频比本 FSK 实验电路利用一个信号源经
13、不同的分频，产生两个频率不相同的载波。以实现移频键控。11800Hz 正弦波经过两个 D 触发器 4 分频得到 2950Hz 的方波，再经过一个 D 触发器得到 1475Hz 的方波，方波经过积分电路和低通滤波电路分别得到 2950Hz 和 1475Hz 的正弦载波。6电路图测量结果为了便于理解和掌握分频器的分频比概念，本实验电路中要求特设一个测量转换开关，用以改变信码输入的连接点。当信码为“0”输入，此时分频器的分频比为 8 分频，输出 11800/8=1475HZ 的载频。当信码为“1”输入，此时分频器的分频比为 4 分示频，输出 11800/4=2950HZ 的载频。当信码为“M 序列”
14、输入，此时应输出载频按信码变化的 2FSK 信号。将测量结果填入表 2 中。 表 2测量点 测量波形 频率数 备 注1 2950Hz 信码为1M 序列237“0”2 1475Hz 信码为“1”3 00010011010111 信码为“M序列” M 序列发生器产生的伪随机码的检测单刀双掷开关作用：开关先打到低电平，D 触发器置 1，避免移位寄存器中出现全 0，然后再打到高电平。这部分是为了向 FSK 提供调制信码而设置的，M 序列发生器为四级 D 触发器组成的最长线性反馈移位寄存器,形成 24-1=15 位的伪随机序列为：000100110101111。用示波器分别测量 M 序列的定时脉冲和 M
15、 序列信码，将测量结果填入表 3 中。表 3测量点 测量波形 频率数/伪随机码 备 注示波器 A400Hz M 序列定时脉冲示波器 B 000100110101111 M 序列 FSK 调制输出信号的检测（1）将信码设置为“全 0”，观察并记录调制器的输出信号波形。（2）将信码设置为“全 1”，观察并记录调制器的输出信号波形。（3）将信码设置为“M 序列” ，观察并记录调制器的输出信号波形。（4）将测量结果填入表 4 中。表 48测量波形 备 注信码为“0”信码为“1”信码为“M 序列”2FSK 解调器（接收部分）的测量实验非相干解调电路主要由高通滤波器、检波器、低通滤波器和电压比较器等电路构
16、成。考虑到方便测量，在电路中加了几个开关。 高通滤波器输出波形检测。 检波器输出信号波形检测。9 低通滤波器输出信号波形检测。 电压比较器输出信号波形检测。5实验总结之前在实验室做实验都是测量已经搭建好的电路，对电路的构成、功能不了解，而这次在仿真的过程中，熟悉了一些基本的电路，例如 555 多谐振荡器、D 触发器分频器、门控开关调制器、高通滤波器、包络检波器、低通滤波器、电压比较器等，同时也遇到了一些问题，例如滤波器参数的计算，在查资料上用了很多时间，发现自己基础知识学得不牢固。在 2FSK 调制与解调系统中，调制电路较易搭建，通过门控开关控制输入不同载波的频率，解调电路麻烦一些，解调方法有很多，在仿真中用了较简单的非相干解调法，在实验结果中也看到解调输出中也存在干扰，大致可读出基带信号的波形。在仿真的过程中，也熟悉了 Multisim 的使用，同时学会了波特仪、频率计的使用，有了以前不知道的收获。
