2FSK--FSK 通信系统调制解调综合实验电路设计

学生学号实验课成绩
学生实验报告书
实验课程名称
开课学院
指导教师
学生姓名
学生专业班级
200 -- 200 学年第学期
实验教学管理基本规
实验是培养学生动手能力、分析解决问题能力的重要环节；实验报告是反映实验教学水平与质量的重要依据。

为加强实验过程管理，改革实验成绩考核方法，改善实验教学效果，提高学生质量，特制定实验教学管理基本规。

1、本规适用于理工科类专业实验课程，文、经、管、计算机类实验课程可根据具体情况参照
执行或暂不执行。

2、每门实验课程一般会包括许多实验项目，除非常简单的验证演示性实验项目可以不写实验
报告外，其他实验项目均应按本格式完成实验报告。

3、实验报告应由实验预习、实验过程、结果分析三大部分组成。

每部分均在实验成绩中占一
定比例。

各部分成绩的观测点、考核目标、所占比例可参考附表执行。

各专业也可以根据具体情况，调整考核容和评分标准。

4、学生必须在完成实验预习容的前提下进行实验。

教师要在实验过程中抽查学生预习情况，
在学生离开实验室前，检查学生实验操作和记录情况，并在实验报告第二部分教师签字栏签名，以确保实验记录的真实性。

5、教师应及时评阅学生的实验报告并给出各实验项目成绩，完整保存实验报告。

在完成所有
实验项目后，教师应按学生将批改好的各实验项目实验报告装订成册，构成该实验课程总报告，按班级交课程承担单位（实验中心或实验室）保管存档。

6、实验课程成绩按其类型采取百分制或优、良、中、及格和不及格五级评定。

实验课程名称：__通信原理_____________
术规，能按综合实验设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确地反映设计和实验成果，能正确的绘制电路图。

三、FSK调制与解调系统整体方案设计
3.1 调制设计方案
设信息源发出的是由二进制符号0，1 组成的序列，且假定0 符号出现的概率为p，1 出现的概率为1- p，它们彼此独立，那么，2FSK 信号便是1 符号对应于载频ω1，而0 对应于载频ω2（与ω1不同的另一个载频）的已调波形，而且ω1、ω2的改变是瞬间就能完成的。

容易想到，2FSK 可以利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频,使其能够输出2 个不同频率的码元。

2FSK信号的产生，可以采用模拟调频法来实现，也可以采用数字键控的方法来实现。

图3-1是数字键控法产生2FSK信号的原理图：
图3-1数字键控法实现2FSK信号的原理图
图中两个振荡器的载波输出受输入的二进制基带信号s(t)控制。

由图3-1 可知，s(t)为“1”时，正脉冲使门电路1接通，门2断开，输出频率为f1；数字信号为“0”时，门1断开，门2接通，输出频率为f2。

在一个码元Tb期间输出ω1或ω2两个载波之一。

由于两个频率的振荡器是独立的，故输出的2FSK信号：在码元“0”“1”转换时刻，相邻码元的相位有可能是不连续的。

这种方法的特点是转换速率快，波形好，频率稳定度高，电路简单，得到广泛应用。

对应图3-1（a）和(b) ，2FSK调制器各点的时间波形如图3-2所示，图中波形g可以看成是两个不同频率载波的2ASK信号波形e 和波形f 的叠加。

可见，2FSK信号由两个2ASK信
号相加构成。

其信号的时域表达式：
()()()()()
∑
∑+
-
+
+
-
=
k
b
k
k
b
k
FSK
t
kT
t
g
a
t
kT
t
g
a
t
S2
2
1
1
cos
cosϕ
ω
ϕ
ω
图3-2 2FSK调制器各点的时间波形
本次综合设计实验调制部分正是采用此方法设计的。

整个调制系统包括：载波振荡器、反相器、调制器与加法器等单元电路组成。

1.2 解调设计方案
数字频率键控（2FSK）信号常用解调方法有很多种，在设计中利用过零检测法。

过零检测法是利用信号波形在单位时间与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。

解调系统组成原理框图如图3-3所示电路：
g
f
e
d
c
b
a
位定时
抽样判决
LPF
脉冲展宽
整流
微分
限幅
图3-3 2FSK过零检测解调电路原理框图
输入的FSK 信号经限幅放大后成为矩形脉冲波，再经过微分电路得到双向尖脉冲，然后整流得到单向尖脉冲，每个尖脉冲表示一个过零点，尖脉冲的重复频率就是信号频率的两倍。

将尖脉冲去触发一单稳电路，产生一定宽度的矩形脉冲序列，该序列的平均分量与脉冲重复频率成正比，即与输入信号成正比。

所以经过低通滤波器输出的平均分量的变化反映了输入信号频率的变化，这样把码元“1”与“0”在幅度上区分开来，恢复出数字基带信号。

其原理框图及各点波形如图3-4 所示。

图3-4 过零检测电路信号波形
四、系统中各种单元电路设计以及仿真
①主载波振荡器电路设计与工作原理
载波振荡器的功用是提供2FSK调制系统所需的载波和信码定时信号，它可用门电路或集成电路（555）构成多谐振荡器。

本实验系统要求产生的主载波振荡频率为16KHZ载波，要求输出频率可调。

为简化实验电路，本次实验系统选用门电路构成多谐振荡器。

已知该门电路的估算振荡周期是: T2.2R C。

经计算其实际电路如图4-1所示：
图4-1 主载波振荡器电原理图
由图4-1电路可知，在三个与非门之间加入了一个R(R1)C(C1)延时网络，由于RC较大，可忽略tpd。

接通电源时，C 的充放电使“A”点电压发生变化。

每当”A”点到达阈值电压V T=1.4V时，电路就会翻转，电路不停的自动翻转，就会在Vo 端输出一系列的矩形脉冲，即电路产生了振荡。

并且调整R1可以改变RC值，使振荡频率改变。

RS(R2)起隔离作用，把电容C的输出与U3c的输入隔离开。

电路振荡波形如图4-2 所示：
图4-2 主载波信号波形图
②分频器电路设计与工作原理
将主载波按设计技术指标要求，一般用D触发器构成适当的分频电路，获得载频f1、f2和Ｍ序列所需的时钟信号。

本实验系统，将主载波16KHZ进行二分频得8KHZ信号作f1；将8KHZ载波进行二分频得4KHZ信号作f2；再将4KHZ四分频得1KHZ信号作为fs，为M序列发生器提供编码时钟信号。

分频器的实际电路如图4-3 所示：
图4-3 分频器电原理图
分频电路输出信号波形如图4-4 所示：
图4-4 分频器仿真波形③m序列发生器电路设计与工作原理
m序列也称作伪随机序列，它的显著特点是：（a）随机特性；（b）预先可确定性；（c）可
重复实现。

本次综合设计要求用D触发器构成四级移位寄存器，形成长度为24-1=15位码长的伪随机码序列，码率约为1000bit/s。

图4-7 是实验系统中4 级伪随机序列码发生器电原理图。

图4-7 M序列发生器电原理图
从图中可知，这是由4 级D 触发器和异或门组成的4 级反馈移位寄存器。

本电路是利用带有两个反馈抽头的4 级反馈移位寄存器，状态转移图见表1，该电路输出的信码序列为：1000。

信号波形如图4-8 所示：
四级伪随机码Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1
0 0 0 1
1 0 0 0 0 1 0 0
0 0 1 0
1 0 0 1 1 1 0 0
0 1 1 0
1 0 1 1
0 1 0 1
1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1
图4-8 基带信号波形图
④ 调制器电路设计与工作原理
2FSK 信号的产生通常有两种方式：（1）频率选择法；（2）载波调频法。

由于频率选择法产生的2FSK 信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换（10→或01→）时刻，2FSK 信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。

载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK 信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽。

在这里，我们采用的是载波调频法，其调制器电路原理图如图4- 9 ：
图4-9 门电路与电子开关构成的调制器电原理图
由图可知，若用门电路构成调制器，其工作过程是：从“信码\IN ”输入的基带信号分成
两路，1路经（74LS00）反相后接至OOK2（74LS00）的控制端，另1路直接接至OOK1的控制端。

从“载波f1”和“载波f2”输入的载波信号分别接至OOK1和OOK2的输入端。

当基带信号为“1”时，们电路OOK1 打开，OOK2关闭，输出第一路载波；当基带信号为“0”时，OOK1关闭，OOK2打开，此时输出第二路载波，再通过相加器就可以得到2FSK调制信号。

波形如图4-10 所示。

图4-10 2FSK信号波形
⑤过零检测2 FSK 信号解调电路设计与工作原理
从前面原理的介绍中，我们知道2FSK调制信号的解调若用非相干过零检测法，由图可见，必须有七个单元模块来完成。

考虑到2FSK信号的产生和解调集于同一仿真电路中，已调信号未经信道传输，没有畸变、没有信道的干扰，因而采用数字电路完成限幅、微分、整流和脉冲形成四大功能是较简单的，其参考电路如图4-11 所示。

电路输出信号波形如图4-12 所示。

图4-11 限幅、微分、整流、展宽电路原理图
由图可见，该脉冲形成电路用双J-K触发器74LS107、二极管、阻容等元件组成。

该电路具有单稳态特性，它的稳定状态是：=1 或Q=0。

当CP端有输入信号触发时，输入信号的下降沿使电路状态发生改变:Q=1，=0。

这时J-K触发器清零端的电压VRD将缓慢降低，当降至1.4V左右时，触发器清零，电路又回到稳定状态，此时，二极管导通，电容C 经二极管正向电阻rD 反向充电，因为反向充电的时常数τ充= rD C 较小，因而触发器清零端的电压会很快上升至高电位上，保证Q端维持低电平。

显然，输入信号的下降沿作用后，清零端电平下降到1.4V左右的时间长度与脉冲宽度有关，脉冲宽度τ放= W1C，调节W1可以改变形成脉冲的宽度。

调节W1使脉冲形成电路上下两支脉冲的宽度分别小于T1/2（T1=1/f1），保证两路脉冲叠加后不混叠，但也不能使脉宽过窄，因为形成脉冲的宽度将影响低通滤波器输出幅度的幅度。

图4-12 限幅、微分、整流、展宽电路输出信号波形
⑥低通滤波器电路设计与工作原理
为了获得良好的幅频特性，脉冲展宽电路输出端所接的低通滤波器的带外衰减应很快，达40dB/十倍频程。

实验中要求采用巴特沃斯低通滤波器，其电路如图4-13所示。

输出信号波形如图4-14所示。

图中所示的低通滤波器为二阶有源低通滤波器。

能提供40dB/十倍频程衰减量，由截止频率公式：
图4-13 低通滤波器输出信号波形图
1212
21
R R C C
ω=
图4-14 低通滤波器电原理图
⑦电压比较器电路组成与工作原理
电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中，所谓电压比较器就是将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。

比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域
在本实验系统，电压比较器的主要任务是将低通滤波器输出的数字基带信号进行零电平判决与实现波形的变换，使之成为规则的矩形波。

其基本电路构成如图4-13所示：输出信号波形如图4-14所示。

它由通用电压比较器芯片LM311构成，其反相输入端接分压电位器的中心抽头，以取得参考电压Vb；
当输入信号电压Vi≥Vb 输出为1 当输入信号电压Vi≤Vb 输出为0
图4-15 电压比较器电路原理图
图4-16 电压比较器电路输出信号波形图
⑧抽样判决器电路组成与工作原理
抽样判决器的功用是：在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。

过零检测电压比较器输出的信号，必须进行码再生电路（即抽样判决电路）才能恢复出和发送端相同的非归零码。

在2 FSK通信系统中，抽样判决电路通常用触发器对判决信号进行抽样再生，其基本电路如图4-15 所示：输出信号波形如图4-16 所示。

由图可见，该电路使用D 触发器构成，其时钟信号是由码元定时电路恢复的与发送端
同频同相的位同步信号。

图4-17抽样判决电路原理图
图4-18 抽样判决电路输出信号波形图五、2FSK调制与解调系统整体电路原理图与所用器材表
根据以上各单元电路的设计，得总体电路如图5-1 所示。

图5-1 总体电路图调制与解调电路各主要信号测试波形图：
元件清单
六、实验体会与建议。