实验三2FSK调制与解调实验一、实验目的

实验三2FSK调制与解调实验
一、实验目的
1、了解二进制移频键控2FSK 信号的产生过程及电路的实现方法。

2、了解非相干解调器过零检测的工作原理及电路的实现方法。

3、了解相干解调器锁相解调法的工作原理及电路的实现方法。

二、实验内容
1、了解相位不连续2FSK 信号的频谱特性。

2、了解2FSK（相位不连续）调制，非相干、相干解调电路的组成及工作理。

3、观察2FSK 调制，非相干、相干解调各点波形。

4、改变f1、f2的频率大小，观察不同调制指数下的调制解调效果。

（选作）
5、利用实验模块的电路，设计出其它解调方法，并自行验证。

（选作）
三、预习要求
1)画出实验电路中2FSK调制器采用的原理框图；
2)根据实验指导书的相关资料，说明本实验2FSK调制的载波频率分别是多少？用什么
方法产生的？
3)本实验2FSK载波是方波还是正弦波？如何实现的？
4)用什么方法可以将方波变成正弦波？
5)FSK调制器可以用哪两种基本方法实现？本实验用的是哪一种？
6)用什么方法实现的FSK信号的相位是连续的？
7)实验中，信息的码速率是多少？可以用什么方法测量？
8)可以用什么方法来测量2FSK的两个载波频率？
9)当用“10101010………”不断重复的信息码进行FSK调制，用计数法测量FSK调制输
出信号的频率，测量得到的频率可能是多少？为什么？
10)本实验中，2FSK 信号带宽是多少？如何计算的？公式中的各个量代表什么？
11)本实验中，2FSK 信号的频谱会是单峰还是双峰？为什么？
12)用示波器同时观测FSK调制器的输入数据、FSK调制器输出的已调信号，要能稳定的
观测应该用这两个信号中的哪一个作为示波器的触发信号？
13)画出2FSK过零检测解调的原理框图；
14)实验中，FSK过零检测解调方案采用数字电路如何实现；
15)脉冲的宽度相同，有些时刻的脉冲密一些，有些时刻的脉冲少一些，可以用什么具体
的方法区分出每一个单位时刻内脉冲是多还是少？
16)测试接收端的各点波形，需要与什么波形对比，才能比较好的进行观测？示波器的触
发源该选哪一种信号？为什么？
17)采用过零检测解调的方法时，将f1和f2倍频的电路是如何设计的？
18)采用过零检测解调的方法时，解调电路中哪一点的波形是f1和f2的倍频？
19)2FSK 信号经过整形变成方波2FSK 信号，频谱有什么变化？为什么？
20)解调时将f1和f2倍频有何好处？如何通过仪器测量来说明？
21)2FSK 信号解调时将f1和f2倍频之后，频谱有什么变化？为什么？
22)解调电路各点信号的时延是怎么产生的？
23)解调出的信码和调制器的绝对码之间的时延是怎么产生的？
24)解调的信号为什么要进行再生？
25)理论上，能否实现出一个没有时延的解调器？为什么？
26)解调的信号是如何实现再生的？
27)再生过程中，是什么环节会对解调的输出造成延时？为什么？
28)画出2FSK 锁相PLL 解调的原理框图；
29)PLL 解调2FSK 信号的原理是什么？
30)为什么2FSK 锁相解调可以实现相干解调？
31)要实现2FSK 锁相解调，锁相环需要工作在什么跟踪方式？为什么？
32)解调电路中T31（放大出）没有信号输出，可能的原因有哪些？
33)T19（2FSK 过零检测出）信号异常，如何判断故障点在哪？
34)解调输出信号与发送端的数据信号对比，为什么会有延时，是哪些原理造成的？
四、实验原理
二进制频率调制（2FSK ）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、抗噪声和抗衰落性的两个能较强，因此在中低速通过数据传输系统中得到了较为广泛的应用。

设FSK 的两个载频为f1、f2，则其中心载频为f0=（f1+f2）/2；又设基带信号的速率为fs 。

经过分析，相位不连续的2FSK 信号功率密度谱可以近似表示成两个载波不同的2ASK 信号功率密度谱的叠加，FSK 的频谱图如图1所示。

从图1中我们可以看出：
FSK 频谱由连续谱和离散谱组成，离散谱出现在两个载频位置上，连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加而成。

若两个载频之差较小，比如小于fs ，则连续谱出现单峰；若两个载频之差逐渐增大，即f1与f2的距离增大，连续谱将出现双峰。

由此可见，传输FSK 信号所需的频带约为FSK B 2=︱f2-f1︱+2fs
频带利用率:
)/(5.021Hz B f f f f B T s s <+-==
η
图3-8-1相位离散（不连续）的2FSK信号功率密度谱示意图
1、2FSK的调制
在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号）。

2FSK信号的产生方法主要有两种，一种采用模拟调频电路来实现；另一种采用键控法来实现，本实验 2FSK 信号的产生是采用键控法原理，利用数字基带信号控制电子开关电路对两个不同的频率源进行选通，所产生的信号相位不连续。

调制器框图和原理图如下图所示：
图3-8-2 2FSK调制器框图
图3-8-3 数字调制原理图
2FSK 调制器由晶体振荡器、分频电路、码产生电路、带通滤波器、模拟开关电路所组成。

晶体振荡器和分频器：
晶体振荡器是一个用晶体和与非门构成的自激多谐振荡器。

实验电路中的晶体频率 fo 选为 4096KHz, 移频键控的两个频率分别是 f1=1MHz, f2=2MHz,时钟信号=256KHz。

同时实验板设置了外时钟、外码元接口由开关选择，便于系统实验使用。

经U14a 二分频得到2MHz 方波再经U14b 二分频得到 1MHz 方波。

经过分频得到256KHz 时钟。

②码产生电路：
SW8 位拨码开关、D5~D12 共 8 支发光二级管与排阻组成码产生显示电路。

码的设置可以随意选择，八位码的某一位是“1”时，发光二极管亮红灯，同时将高电平送入U4 74LS151 数据输入端。

U4 74LS151中S为使能控制端，A、Ｂ、Ｃ是三个选择输入端，Z是输出端，Z 为反码输出。

其功能表如图3-8-4所示：
图3-8-4 功能表
U3 74LS161 在时钟控制下Q0、Q1、Q2 端口出现 X=8种不同的地址码，分别是：000、001、010、011、100、101、110、111。

③带通滤波器
将1MHz、2MHz 方波滤除谐波后，输出 1MHz、2MHz 的正弦信号作为两个频率的载波信号，f1=1MHz,f2=2MHz.
④模拟开关电路：
采用4052双四选一模拟开关电路 U13 产生 2FSK 信号。

2、2FSK的解调
二进制的频移键控信号的解调可采用相干解调和非相干解调。

从最佳解调的观点看，相
干解调具有最佳的抗干扰性能，但要求解调端恢复具有准确频率和相位的参考载波，但提取f1和f2会大大增加系统的复杂度。

2FSK信号的解调一般有三种方法，包括鉴频法、过零检测法和锁相解调法，本实验采用了非相干方式的过零检测法与相干解调的锁相解调法，两种方法都能恢复出原有的信号，通过两种解调方式的比较，可以了解各自的优缺点。

FSK解调框图和原理图如下：
非相干过零检测
图3-8-5 FSK解调框图
放大器是用一片LM318芯片与电阻、电容和可调电阻构成的宽频放大电路，余下的两片LM318芯片则构成了一个畸变电路和一个带通滤波器。

在非相干过零检测部分，钳位整形电路是由一个2输入端或非门74LS02加上两个二极管构成的，把双极性电平转换成TTL电平；74HC123芯片与其他元件一起构成了两个单稳态触发器，一个是前沿触发，一个是后沿触发，再通过二极管把它们相加；后连一个低通滤波器和再生电路。

在相干锁相解调部分，锁相环电路是由NE564与其他电子元件构成，后连一个低通滤波器和再生电路。

注：3个或非门74LS02由芯片74HC02提供；NE5532芯片与其他电子元件一起构成了2个低通滤波器，74HC74芯片与其他电子元件一起构成了2个再生电路，分别应用于过零检测电路和锁相解调电路。

图3-8-6 FSK解调原理图
（1）非相干方式的过零检测解调
过零检测法解调器的基本原理是：2FSK信号的过零点数随载波频率的不同的而异，通过检测过零点数目从而识别出数字基带信号的高、低电平。

已调信号已经限幅为矩形波，经微分、全波整流、脉冲形成，得到与频率相关变化的矩形脉冲波，经过低通滤波器滤除f1、f2和高次谐波分量，便恢复出与原数字基带信号对应的数字基带信号。

其原理方框图如图3-8-7所示：
图3-8-7 非相干方式过零检测器方框图
各点波形如图3-8-8所示：
图3-8-8 过零检测法的各点波形
在实验中，过零检测框图及各点波形如下：
A
B
C
D
E
F
G
H
（2）相干方式的锁相解调
其框图如图3-8-9所示：
图3-8-9 相干解调锁相解调器框图
2FSK 信号的解调可采用调制跟踪环，VCO 要保证能跟踪上与传号、空号相对应的两个频率。

当 FSK 信号输入时，LF 输出端有高低电平输出，，它们分别与传号空号相对应。

再经过放大整形就可以解调出原来的数字基带信号。

锁相解调器由于具有跟踪特性、低门限特性，与非相干解调器相比约4dB~5dB 的门限改善。

因此在信号为低信噪比时，采用 PLL 可以降低误码率。

本实验采用锁相环专用集成电路NE564,该芯片详述如下：
图3-8-10 NE564内部结构
L564(NE564)L564 是 56 系列中工作频率高达 50MHz 的一块超高频通用单片集成锁相环路，其组成方框图如图 3-8-9所示。

电路由输入限幅器、鉴相器、压控振荡器、放大器、直流恢复电路和施密特触发器等六大部分组成。

在数据速度比较低的时候，14端外接的电容可以较大、输出的载波泄漏较小，经施密特触发器变换之后，得到很理想的FSK 解调输出，而当数据率加大时，14 端外接的电容不能太大，否则输出载波泄露较大，加之滞后电压 UH较小，使载波泄漏已达到施密特电路的上下翻转电平，会引起错误的翻转，使 FSK解调输出出现错误。

在实验条件下，数据速度比较低，而两个载波的频率过于接近，在锁相输出时使得性噪比降低，容易引起施密特触发器的误判。

本实验对此进行了电路的改进，14端作为FSK输出端，再之后接一个低通滤波器，从而解决了误码问题。

NE564 的最高工作频率为 50MHz，最大锁定范围达±12％f0，输入阻抗大于50KΩ ,电源电压5~12V，典型工作电流 60mA。

该电路作为一块超高频运用单片集成锁相环路，可用于高速调制解调、FSK 信号的接收与发射、频率合成等多种用途。

五、实验仪器
1、两路3A直流稳压电源一台
2、双踪示波器一台
3、数字调制模块一块
4、数字解调模块一块
6、频谱仪一台（选做）
7、连接线若干
六、参考实验步骤及报告要求：
1、调制器
1)熟悉数字调制模块以及电路原理。

2)将开关S1置内码，S2置本地时钟，S3置2MHz正弦，S4置绝对码，S5置本地载波，S6
置1MHz 正弦。

将拨码开关SW码置11100100。

3)CH1观测T6（绝对码）波形， CH2观测T22（2FSK输出），选择绝对码作为触发信号，
比较并记录波形变化情况。

请说明要选为什么要选绝对码作为触发信号。

4)测量信息的码速率？
5)测量2FSK的两个载波频率？
6)观测FSK调制在码元切换点的相位是否连续？
7)测量2FSK 信号带宽是多少？
8)观测2FSK频谱有何特点？
2、非相干过零检测器
测试接收端的各点波形，测试点的波形需要与什么波形对比，才能比较好的进行观测？示波器的触发源该选哪一种信号？为什么？
（1）熟悉数字解调器模块，了解过零检测器电路原理及各点测试孔位置。

（2）将数字解调模块K2置相干解调器，K3置2FSK。

（3）将调制模块的2FSK输出信号送到解调模块的2FSK入；
（4）CH1观测调制模块T6（绝对码）的波形，CH2观测解调模块T31（放大出）的波形，选择好触发信号。

并记录每个信号点的信号延迟时间有多少？
（5）CH1观测调制模块T6（绝对码）的波形，CH2观测解调模块T36、T23（频带受限出）、T37（整形出）的波形。

并记录每个信号点的信号延迟时间有多少？
（6）CH1观测解调模块T37（整形出）的波形，CH2观测T38（相加出）波形，调整前沿脉冲和后沿脉冲旋钮以得到理想的波形。

分析解调电路中哪一点的波形是f1和f2的倍频？如何通过仪器测量来说明？并记录每个信号点的信号延迟时间有多少？
（7）将调制模块T4（256KHz时钟）送入解调模块P14（时钟输入），CH1观测T18(再生时钟入)，根据T19（2FSK过零检测）处波形相位情况拨动开关K01，选择时钟输出或时钟反向输出，观测再生输出的波形有何区别，并分析原因。

并记录每个信号点的信号延迟时间有多少？
（8）CH1观测调制模块T6（绝对码）的波形，CH2观测T24（非相干解调低通出）、T19（2FSK过零检测出）、T20(2FSK过零再生输出)的波形。

并记录每个信号点的信号延迟时间有多少？
3、相干锁相解调器
（1）了解锁相解调器电路原理及各个测试点。

并记录每个信号点的信号延迟时间有多少？
（2）用CH1观测调制模块的T6(绝对码) 的波形，CH2观测T16（VCO输出），比较两
路波形是否同步，想一想为什么要这么做？如果同步就用CH2观测T240（相干解调低通出）。

（3）CH1观测调制模块的T6(绝对码)，CH2观测解调模块T21（锁相解调输出）、T22(2FSK锁相再生出）。

并记录每个信号点的信号延迟时间有多少？。