2FSK的调制与解调器的设计与实现.doc
- 文档编号:1926168
- 上传时间:2023-05-02
- 格式:DOC
- 页数:36
- 大小:2.15MB
2FSK的调制与解调器的设计与实现.doc
《2FSK的调制与解调器的设计与实现.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2FSK的调制与解调器的设计与实现.doc(36页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸
编号:
毕业设计说明书
题目:
2FSK调制与解调器的
设计与实现
学 院:
信息与通信学院
专业:
电子信息工程
姓名:
闫朝明
学号:
1100220429
指导教师单位:
信息与通信学院
姓名:
田克纯
职称:
教授
题目类型:
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2015年5月20日
III
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸
摘要
调制解调器在通信系统中的有着重要的地位,系统的性能很大程度上取决于它的好坏。
二进制频率调制在数据通信的发展历史上,是一种较早使用的通信方式,这种调制解调方式的抗噪声干扰性能强大,抗衰落性能较强,实现起来有非常容易,由于这些优点,被广泛的应用于中低速数据传输系统中,所以一直以来都是学校数字信号调制教学的重点内容。
但学生实验室中的2FSK调制与解调器采用整体电路的方式进行设计,电路板体积较大且灵活性较差。
而此次毕业设计,按照各部分电路的不同功能,将2FSK调制与解调系统中的电路进行模块化,每个模块都设计出参数各异的小模块电路。
关于信号的调制,有两种常用的方法,分别是直接调制和间接调制,其中间接调制则采用频移键控方法,直接调频则采用压控振荡法。
信号的解调总体也可以分为两种方式,相关解调和非相干解调。
在本次毕业设计当中,非相干解调使用了过零检测法,相干解调则采用了锁相解调法。
使得用户在使用时,可根据需求,选择相应的模块进行拼接,从而完成不同方式、参数的2FSK调制解调器,这比传统的2FSK调制与解调器更加灵活和实用,也能使学生的动手能力得到很好的锻炼。
关键词:
2FSK;模块化;频移键控;压控振荡法;锁相解调;过零检测法
Abstract
Modemhasanimportantroleinthecommunicationsystem,theperformanceofthesystemisgoodorbaddependslargelyonit.Binaryfrequencymodulationinthehistoryofthedevelopmentofdatacommunications,isameansofcommunicationusedearlier,suchastronganti-noisemodulationanddemodulationperformance,stronganti-fadingperformance,veryeasytoimplement,becauseoftheseadvantages,iswidelyusedinlow-speeddatatransmissionsystem,ithasbeenfocusedondigitalsignalmodulationcontentofschoolteaching.However,thestudentlab2FSKmodulationanddemodulationcircuitdevicebywayoftheoveralldesign,thecircuitboardlargerandlessflexible.Andthegraduationproject,inaccordancewiththedifferentfunctionsofeachpartofthecircuit,the2FSKmodulationanddemodulationcircuitmodularsystem,eachmoduledesignsmallmodularcircuitparametersdifferent.Aboutmodulatedsignal,therearetwocommonlyusedmethods,namelydirectandindirectmodulationmodulation,inwhichtheindirectmodulationfrequencyshiftkeyingmethodisused,thedirectvoltagecontrolledoscillatorfrequencymodulationmethodisused.Demodulatedoverallsignalcanalsobedividedintotwoways,coherentdemodulationandnon-coherentdemodulation.Inthisgraduationdesigns,non-coherentdemodulationusingzero-crossingdetectionmethod,coherentdemodulationisusingaphase-lockeddemodulation.Enablesuserstouse,accordingtotheneeds,selecttheappropriatemodulestitchingtocompletedifferentway,parameters2FSKmodem,whichismoreflexibleandpracticalthantraditional2FSKmodulationanddemodulationdevice,butalsoenablestudentstodeveloppracticalskillsgoodexercise.
Keywords:
2FSK;frequencyshiftkeying; VCO;demodulation;zerocrossingdetectionmethod
目录
引言 1
1设计要求 3
1.1毕业设计题目 3
1.2设计的主要功能 3
2系统结构 3
3设计思路及仿真软件的介绍 3
4硬件设计 4
4.1时钟及码产生电路 4
4.2带通滤波电路 10
4.32FSK调制电路 14
4.4非相干解调电路 20
4.5相干解调电路 24
5系统测试 25
5.1测试工具 28
5.22FSK调制与解调器的整体调试 28
5.3调试遇到的问题及调试结果 29
6总结 30
致谢 31
参考文献 32
第32页共32页
桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸
引言
当今社会通信技术的发展速度非常快,计算机的出现在现代通信技术的各个领域都占有了非常重要的地位。
计算机在当今社会的众多领域中,不仅用作各种信息的处理,而且它和通信的结合,也使得电信业务更加丰富多样。
随着人类经济文化的飞速发展,人们对于通信技术性能的需求也更加迫切,这也成为了推动通信科学领域发展的巨大动力。
在通信理论中,先后形成了“过滤和预测理论”、“香农信息论”、“纠错编码理论”、“信源统计特性理论”、“调制理论”等技术理论。
通信作为现代社会的基础设施和必要条件,引起了世界各国的高度重视,各国的科学工作者也在为此不断的努力奋斗着。
通信,简单的说,就是经过一定的信道,将把信息从一个地方传递到另外一个地方。
但是,如果信息是直接传递的话,由于外界的干扰,以及能量的约束,它不能准确的、快速的,传递到较远的距离,经过人们的研究,借助于一定形式的信号,成功的解决了这个问题。
基带信号由于其本身特点,包含频率较低,甚至是直流分量,难以通过有限的天线得到有效的辐射发送出去,因此,无法利用无线信道来直接传播。
对于多数的有线信道,由于有线线路中多半串接有电容器或者并接了变压器等等直流元件,低频或者直流分量的信号也会收到很多的限制。
综上,基带信号只能够在一些较为理想的信道上才能直接传输,但是目前多数的信道,存在衰落干扰,并不理想,所以不适合基带信号的传输。
所以,必须想个办法,解决基带信号通过这些现有的信道来传输的问题。
方法就是通过某种方式,把携带信息的原信号经过一种变化得到另外一种可以在现有信道上传输的新的信号,即调制。
在工程设计中,常常叠加正弦载波信号。
原始的信号,即需要传递的信息,就为调制波。
所谓调制,是通过载波的一个参量的变化,来间接地反映调制信号的信息。
其中,通过输入载波的幅度值的变化来反映输入的调制信号的变化的方法被叫做振幅调制;通过输入载波的频率来反映调制信号变化的叫做频率调制;通过输入载波的相位的变化来间接反应信号信息的变化的叫做相位调制。
用来实现整个调制过程的电路或者设备被叫做调整器。
从已调波形中恢复原来输入信号的过程称为解调,相应的电路或者设备称为解调器。
当调整器与解调器做成了一个整体的时候,就可以实现信号的双向传输,这种器件被称为调制解调器。
调制另外的一个目的就是便于多路复用,在进行多路传输的时候,各路的数据原始基带信号的频谱往往是互相重叠的,所以不能在一条线路上进行传输,否则就会相互之间产生干扰。
在经过调制之后,各路信号就会被搬移到不同的频段内,从而避免了相互之间的干扰,所以,信号在经过调制之后传输的方式有被称为频带传输。
数字调制是用载波的幅度、相位或者频率等参数来表征所传的基带信号的信息,接收端通过对载波的这些离散调制参量进行检测,就可以解调出原来的基带信号了。
二进制数字调制的基带信号由一连串的高低电平序列组成,控制开关选择载波,所以也叫做键控信号。
通过数字调制产生的模拟信号,它载波参量的离散状态是与数字数据一一对应的,特别适合在带通型的模拟信道上传输。
频率调制就是通过利用调制信号控制载波的频率的变化来传递信息的,其中2FS二进制频移键控调制最为简单。
。
这种调制方式出现的比较早,技术比较成熟,其抗衰性能远优于ASK,设备也不复杂,实现起来也比敬爱哦容易,在很多场合,比如中低速数据的传输,尤其在有衰减的不受限制的信道通信中得到了广泛的运用。
2FSK信号的的产生有两种方法:
压控载波调频法和键控频率选择法。
载波调频产生的是相位连续的FSK信号,连续的相位信号一般由压控振荡器产生,由基带信号该百年振荡器的参数,使得震荡频率发生变化。
频率键控发一般是相位不连续的FSK信号,这种信号的两个载波一般由两个不同的振荡器产生,通过基带信号来控制选择哪一个作为输出。
由于这两个振荡器是相互独立的,彼此之间的相位没有进行统一,因此在调制的过程之中相位的连续性不能得到保证。
至于信号的解调,则采用了非相干解调的过零检测法和相干解调的锁相解调法这两种不同的方法来实现。
本次设计就是将电路进行模块化设计,采用多种方式完成调制解调,载波也提供多种可供选择,便于实验研究,提高学生的动手能力。
1设计要求
1.1毕业设计题目
2FSK调制与解调器的设计与实现
1.2设计的主要功能及要求
(1)将2FSK调制与解调系统中的电路进行小模块分解,每个子模块单独做成电路,各模块设计统一的接口,且提供载频为256KHZ和512KHZ,时钟为64KHZ,码速率为64KB/S、载频为1MHZ和2MHZ,时钟速率为256KHZ,码速率为256KB/S两种不同的方案可供选择。
(2)将电路进行模块化,分成不同的子模块来设计不同的调制与解调方案。
比如2FSK信号产生部分可以设计和制作直接调频和频移键控两个不同的子模块,以便根据需求在选择不同的信号发生方式时自主选择相应模块。
2系统结构
基带
信号
基带
信号
根据设计的要求,本课题的2FSK调制与解调器的设计与实现主要系统主要分为三个大模块:
时钟码产生电路、调制电路、解调电路,其中信号的调制,采用直接调制和间接调制两种方法,间接调制则采用频移键控方法,直接调频则采用压控振荡法。
对于2FSK信号的解调分别采用了非相干解调的过零检测法和相干解调中的锁相解调法这两种的方式完成。
系统结构如图2-1所示。
2FSK
信号
调制电路
解调电路
时钟码产生电路
频移键控
压控振荡
锁相解调
过零检测
图2-1系统结构图
3设计思路及仿真软件的介绍
由于相关硬件电路和数字电路的学习主要是大二和大三的课程,而且本人平时接触的大多都是软件的学习与开发,较少做一些模拟电路的设计,所以感觉此次的毕设设计对于自己是一个挑战,又能很好的锻炼个人的动手能力。
鉴于此,我想借助multisim这款仿真软件的帮助,把自己通过查阅资料设计出的电路先进行仿真,在仿真的基础上,再去做板、调试,从而完成本次毕业设计的任务。
Multisim这款仿真软件是由美国国家仪器(NI)有限公司推出的,对于硬件电路板的模拟和数字电路板的设计非常有利,它的捕捉非常直观,仿真也非常的强大,对电路进行的设计或者是验证都可以达到非常轻松、迅速、高效的效果。
这款软件的SPICE分析非常专业而且提供有丰富的虚拟仪器,可以提前对硬件电路进行仿真运行,通过对运行的结果分析,对设计思路进行初步的判断,如果不正确再返回修改电路,再仿真,通过这样一个循环反复的过程,最终达到缩短建模的时间。
综上,Multisim这款软件有着丰富虚拟仪器和强大的仿真功能,学员可以方便地把学到的理论知识在这款软件上进行仿真、验证,加深印象,而且可以加强对一些常见的仪器的认识和使用,从而较好的解决教学理论与试验不能结合的问题,所以说,Multisim这款软件是电子教学过程中的非常好的辅助工具。
4硬件设计
4.1时钟及码产生电路
本次设计中,需要提供一个稳定的时钟信号,为了实现这一需求,时钟的发生模块采用了石英晶体稳频的自激多谐振荡电路来完成。
自激多谐振荡电路器的工作原理是用非门来作为一个开关倒相器件,用来产生时钟脉冲波形。
在电路中,通过电容器进行充放电,当输入电压的值到达非门的阈值电压时,就会改变输出门的状态。
电路中输出脉冲波形的参数和电路中的电阻电容这些原器件的数值有着直接的关系。
但是如果要求多谐振荡有着稳定、较高的工作频率,LC多谐振荡器已经远不能达到要求的精度了,解决的办法就是把信号频率的基准用石英晶体来确定。
这种由石英晶体与门电路构成的多谐振荡器,产生的频率有着很高的稳定性,所以常常用为一些精密的仪器提供时钟信号。
由于本次电路设计中涉及到多个非门,所以就选用了内含6组相同的反相器的74HC04。
这款芯片是工作的频率高,与低功耗肖特基的这种TTL非门也无缝隙兼容。
芯片的引脚图如图3-1所示。
图3-174HC04引脚图
本次设计中采用的晶体频率f0选为4096KHZ,但是设计后续电路中还需要2MHZ、1MHZ、512KHZ、256KHZ、64KHZ等多种频率的信号,所以必须要有分频电路。
通过查阅相干书籍,发现分频电路,尤其是二分频电路,通常是采用边沿触发的D触发器。
JK主从触发器触发器,当高电平的时钟信号到来时,器件的输出状态就会发生跳变。
如果在时钟信号到达高电平时,如果器件的输入端信号出现干扰信息,就很有可能使触发器产生错误的状态。
而边沿触发器自身的电路结构可以使得只有在触发器时钟脉冲有效触发沿到来的前一瞬间,才会去接收信号,从而保证只有在有效的触发沿到来后,才会使得输出的状态发生转换,从而使得电路的抗干扰能力得到大大的加强,电路工作的可靠性得到大大的提高。
维持阻塞式边沿D触发器内部有6个非门,与非门G1、G2这两个构成了最基本的RS触发器,为了实现时钟的控制,采用三输出的与非门G3、G4,G5、G6这两个与非门电路提供了传输信息的输入端。
其逻辑符号如图3-2所示。
图3-274LS74逻辑符号图
触发器状态的变化在时钟信号的上升边沿产生,它的次态取决于时钟信号上升沿前D端口的信号,在时钟信号上升沿后,无论输入D端口是否发生变化,D触发器的输出状态都不会改变。
如果在时钟脉冲信号的上升沿来前,输入信号D为何状态,则D触发器的输出就会是什么状态。
所以D触发器的状态方程可以表达为:
由此可以得到D触发器的状态转移图和工作波形如图3-3所示
D=0
D=0
D=1
0
1
D=1
图3-3D触发器的状态转移图和工作波形
本次设计中要进行多次分频,所以会涉及到多个触发器的使用,考虑到这个原因,分频电路采用74LS74芯片。
74LS74是一块边沿触发器数字电路器件,每个器件中包含了两个完全相同的、相互独立的边沿D触发电路。
将前级的触发器输出信号连接到D触发器的时钟输入端,端的输出连接到触发器的D输入端口,即可产生二分频。
接下来借助Multisim仿真软件,对于时钟电路和分频电路进行仿真,电路图和结果如图3-4和图3-5所示。
图3-4时钟产生仿真电路图
图3-5时钟产生仿真波形图
码产生这部分电路设计的难点主要是将用户输入的8位并行数据,转换成循环的串行数据,以供后面的调制电路使用。
实现并口到串口的换的方法有很多,也有专门的芯片,如74LS164等,但结合考虑之后,本次的设计中采用的是两块74LS161和一块74LS151芯片。
74LS161这款芯片是常用的四位二进制加法计数器,输入端的数据可以预先设置,而且时钟也是同步的,芯片的引脚图如图3-6所示。
图3-674LS161引脚图
管脚图介绍:
⑴时钟CP和四个数据输入端
⑵P0~P3清零/MR
⑶使能CEP,CET
⑷置数PE
⑸数据输出端Q0~Q3
⑹进位输出TC.(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)
输入
输出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↑
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
状态码加1
图3-774LS161功能表
从计数器的功能表中可以看出,在清零端为低电平的时候,计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0也会立即全变为低电平,即计数器的异步复位。
同步置数功能就是当CR管脚的输入为高电平时,且LD为低电平时,在时钟信号上升沿到来之后,芯片的输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态就会与开始用户并行数据输入端输入的D3,D2,D1,D0的状态一样。
当且仅当CR、LD、EP、ET四个端口同时为高电平,时钟脉冲信号上升沿到来之后,计数器就会加1。
74LS161的进位输出端CO的逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
结合74LS161功能表,只要经过合理的设置计数器的清零功能和置数功能,就可以实现分频的需求。
根据分析,我们需要一个四分频电路和一个能够循环给出8种不同的地址码的电路。
当CR=LD=EP=ET=“1”时,74LS161的状态转换表如图3-8所示。
Q3
Q2
Q1
Q0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
1
图3-874LS161的状态转换表
我们主要观察状态转换表的Q2、Q1、Q0三位的输出的状态的转换,所以当随着时钟的继续变化,尽管Q3的输出状态会发生变化,但是前面三位的输出状态的转换的顺序不会发生改变,可以循环提供“000、001、010、011、100、101、110、111”8种不同的地址码,地址码循环驱动74LS151实现并行数据向串行数据的转换。
再观察Q1的输出不难发现,其状态变化是“0、0、1、1”四个不断循环变换,正好构成了对输入时钟的四分频。
74LS151是较为常用的数据选择器,可以实现8选1的功能,芯片的引脚排列如图3-9所示。
图3-974LS151引脚排列图
A~C是地址端的控制数据,作用是从8个输入数据D0~D7之中,选择所需要的数据送到输出端Y。
为使能端,低电平有效。
当使能端=1时,没有输出信号产生,多路选择的开关被禁止,芯片不工作;当使能端=0时,数据选择器就可以正常工作,根据地址端的状态信息来选择8个输入数据通道中某一路信号输出到Y端。
熟悉了芯片的工作原理之后,接下来就是完成对该部分电路进行仿真,仿真电路图如图3-9所示,仿真结果如图3-10所示。
图3-9码产生仿真电路图
图3-10码产生电路仿真结果图
另外,码产生电路还用了8个LED灯,用于显示输入的数据,用一个拨码开关完成数据的输入。
实现这部分设计需求的总体电路图如图3-11所示。
图3-11时钟及码产生电路
4.2带通滤波电路
通过上一步的工作,可以得到2MHZ、1MHZ、512KHZ、256KHZ这四种频率不同的方波信号,还有码速可供选择的基带控制信号。
本部分的设计的内容主要有两个方面,一是完成带通滤波器的设计,二是实现频移键控调制,即2FSK的调制。
由于系统的载波多为正弦波,所以要将方波信号,转化为频率不变的正弦信号。
带通滤波器,可以将方波信号中在通带频率外的信号抑制掉,就可以得到正弦信号。
滤波器根据有无有无有源器件的不同而分为无源滤波器、有源滤波器这两种。
其中无源滤波器是采用无源器件,如电阻、电容、电感等等组成的滤波器,原理是无源器件电感、电容这些元器件的电抗性随着频率的变化而变化。
这一类滤波器的优点就是电路非常简易,不需要提供直流供电,工作系统的可靠性也非常的高。
但是它也有着严重的缺点,就是在通带之内,其能量的损耗非常大,负载效应也特别的明显,较易引起电磁感应。
除此之外,当电感的值太大的时候,滤波器系统的体积和重量也会随之增大,便携性差,而且由于在低频领域无源器件随频率
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- FSK 调制 解调器 设计 实现