调制与解调

2FSK调制与解调实验模块设计与制作Designandimplementationofthemodulefor2FSKmodulationanddemodulation报告人：陆东一指导老师：朱灿焰目录引言（Introduction）二．设计思想(Designphilosophy)1．FSK调制过程的基本原理2．FSK解调过程的基本原理3．调制电路设计思想4．解调设计思想一．研修目的（Thepurposeoftheproject）五．总结(Summary)三．原理图电路设计(Schematiccircuitdesign)1．功能电路2．元件参数计算3．实际问题的考虑四．安装调试结果(Fixinganddebugging)引言1．什么是调制？所谓调制，就是在传送信号的一方(发送端)将所需要传送的信号(它的频率一般是较低的)附加在高频振荡上，再由天线发射出去。2．什么是解调？解调是一个与调制相反的过程。解调的作用是从受调制的高频信号中还原出原调制的信号。调制与解调的应用•调制与解调广泛应用在无线电通信、广播、电视、导航、雷达、遥控遥测等各种通信专业领域.一．研修目的通过此研修项目，达到1）进一步加强和巩固自己的专业基础知识，增强自己综合运用所学知识解决实际问题的能力。2）通过这一研究过程的实际锻炼，帮助自己积累电子信息系统的研制工作经验。3）具体加深对FSK移频键控调制解调器的工作原理及具体实现电路的理解，掌握FSK调制解调器的基本实现技术。二、设计思想1）模拟调频法•1．FSK调制过程的基本原理它所产生的2FSK信号是利用矩形脉冲信号对一个载波进行调频来实现的。根据调制信号对载波信号相位或者频率的直接作用形式分成a.直接调频法b.间接调频法特点：所输出二进制调频已调信号的相位是连续的，但是，实现电路复杂，调试困难。二进制数字调制信号的产生一般采用模拟调频法和键控法两种。二、设计思想2）键控法2FSK调制过程可以利用s(t)来控制两种不同频率信号以实现频移键控信号。优点：移频键控法电路实现和调试简单，且集成度高缺点：在s(t)为“0”和“1”信息转换时刻载频信号cosc1t和cosc2t之间不能保证相位的连续，从而存在一定程度的频谱泄漏。本实验模块设计中采用键控法原理实现2FSK调制信号的产生。二、设计思想•2．2FSK解调过程的基本原理2FSK数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。1）包络检波法：原理图如图3。实际上是鉴频方法的一种形式。实现电路简单，但解调效果较差。此方法中还可以利用PLL来实现电路中的鉴频部分（整流＋低通）。图3包络检波法原理。二、设计思想2）相干检测法：原理如下图所示。解调质量好，但实现电路较复杂，一般实验实现相对较困难。•2．2FSK解调过程的基本原理图4相干检测法原理•2．2FSK解调过程的基本原理3）锁相环（PLL）鉴频PLL是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。由于PLL具有引人注目的特性,即载波跟踪特性、调制跟踪特性和低门限特性，因而使得它在无线通信的各个领域得到了广泛的应用。基于PLL的数字调制信号解调原理如图所示。它由鉴相器（PD）、环路滤波器(LF)和压控振荡器（VCO）组成。二、设计思想图5PLL鉴频原理。二、设计思想•2．2FSK解调过程的基本原理4）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率的差异，这就是过零检测法的基本思想。小结：因为键控法所产生的2FSK信号是宽带FM信号，同时考虑到设计性实验的难易程度和可实现性，本模块选用PLL鉴频解调和脉冲过零检测解调方法作为设计性实验的指导性内容。图6过零检测法原理3、调制电路设计思想FSK信号产生部分的主要功能为正弦信号源cosω1t和cosω2t的产生，以及数字信号源和控制合成部分4大主要功能模块。我们对正弦信号源的设计提供了带通滤波器和RC文氏电桥振荡器两种产生方案，并进行了比较。其中带通滤波器有LC谐振滤波器和高Q值百可得带通滤波器2类电路；数字调制信号源和控制电路则利用CPLD器件实现，从而可以灵活地使用VHDL语言和EDA开发软件环境，如Altera公司的Quartus或者MaxplusII等,还可以利用CPLD器件的灵活性，扩展通信原理实验其它功能，如横向滤波器设计性实验、眼图实验等内容。FSK信号控制产生功能部分也同样由CPLD器件来完成；键控和移频功能的实现主要由电子开关和加法电路完成。4、解调电路的设计思想由于调制信号为2FSK信号形式，故采用对于非相干PLL鉴频解调实现二进制信息输出。对于过零检测解调方法，我们采用了单稳态触发器实现数字脉冲全波整流，从而可以利用数字电路来设计实现解调功能，达到解调可靠、抗干扰能力强的特点。同样的，我们选择了两种实现方式，便于对解调性能进行实验比较研究。三、原理图电路设计1．主要功能电路2．主要元件参数计算3．实际问题的考虑三、原理图电路设计•1．主要功能电路主要功能电路的原理图设计结果如下所示：1）文氏电桥振荡源电路图7文氏电桥振荡电路原理图设计结果三、原理图电路设计2）百可得带通滤波电路图8百可得滤波电路原理图设计结果三、原理图电路设计3）带通滤波器电路图9带通滤波器电路原理图设计结果三、原理图电路设计4）调制信号产生电路图10调制信号控制产生电路原理图设计结果三、原理图电路设计5）过零检测解调电路图11过零检测解调电路原理图设计结果三、原理图电路设计6）非相干PLL解调电路图12PLL相干解调电路原理图设计结果三、原理图电路设计7）二进制信息产生和输出控制的CPLD电路图13CPLD及其周边控制电路原理图设计结果三、原理图电路设计•2．主要功能电路中的元件参数计算1）文氏电桥振荡频率参数设计根据文是电桥振荡电路工作原理可知：电路振荡中心频率为12cfRC电阻R和电容C分别为桥中RC滤波分支的元件参数值。我们设计中选择了16KHz和32KHz的两种载波频率，对应16KHz的元件参数值如图7所示。为了调试方便，我们对电容旁接了一个元件，供实际参数调整使用。三、原理图电路设计01fRC2）百可得滤波器参数设计百可得滤波器是一种有源二阶带通滤波器，其主要参数有两个：一个是带通滤波的中心频率，另一个是滤波器的品质因数。其中，在两级有源滤波器(第一个为低通，第二级加反向放大器为高通)的滤波参数R、C相同的情况下，中心频率的估算公式为TFRQR而滤波器的品质因数由反馈电阻RF和第一级低通滤波器中的T型分流偏置等效电阻RT的比值确定。估算公式为三、原理图电路设计3）无源带通滤波器参数设计无源带通滤波器的选频频率实际上就是LC二阶谐振滤波器的谐振频率。其谐振频率的估算公式为012fLCf0分别对应于载频频率16KHz和32KHz。三、原理图电路设计过零检测电路的主要参数是宽脉冲发生器或单稳态触发器的定时脉冲宽度参数，主要由CD4538的Pin1／15和Pin2／14的外接元件C和R决定。估算公式为4）过零检测电路参数的设计RC一般我们选择32KHz载频对应的信号周期T的一半(因为是全波脉冲整流)作为宽脉冲的时间宽度参数。三、原理图电路设计0300()tfMHzCpfLRf5）PLL锁相频率参数的设计•根据PLL鉴相器传输特性，并考虑实际传输2FSK信号的特点，我们设计中使PLL锁住16KHz或32KHz载频中的一种，使另一种载频处于失锁状态，从而实现二进制信息的解调。主要PLL参数是CD4046或74HC4046中Pin6和Pin7之间的电容Ct确定的内置压控振荡器VCO的中心频率、Pin11的外接电阻确定的鉴频特性增益，还有对应的Pin20外接RC低通滤波器的截止频率参数或者鉴相器的频率捕捉范围。其中VCO的中心频率估算公式为：•鉴相器的频率捕捉范围估算公式为212LRffRC式中，即为需要锁定的中心频率。而VCO的中心频率与锁定的中心频率之间关系需要调整Pin11外接电阻参数实验确定。3．实际问题的考虑在实际的设计调试过程中我们发现还存在着一些问题，我们采取了以下的三种解决方法。一、信号隔离器：工作原理：首先将变送器或仪表的信号，通过半导体器件调制变换，然后通过光感或磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立。功能：1：保护下级的控制回路。2：消弱环境噪声对测试电路的影响。3：抑制公共接地、变频器、电磁阀及不明脉冲对设备的干扰；同时对下级设备具有限压、额流的功能是变送器、仪表、变频器、电磁阀PLC/DCS输入输出及通讯接口的忠实防护。三、原理图电路设计二．输出驱动电路：输出驱动电路用于驱动外部阻抗负载的输出驱动器包括输出级和阻抗元件。输出级的输入信号被控制以提供驱动外部阻抗负载的输出信号。输出级包括与电流发生器及电流复制器耦合的输入控制器。电压基准源确定电流发生器的静态输出电流。阻抗元件包括将双极性电压源耦合至输出级的电流调节电阻。对于高阻抗，该输出驱动器用作简单的电压跟随器。对于低阻抗，该输出驱动器用作单端推挽电路，并在低电压源的条件下提供失真小的输出信号。三、模数分离：PCB模拟与数字相互干扰问题解决常规方法是模数分离，即模拟地、电源与数字地、电源分开布局，相互间磁珠隔离。完全实现以上要求，获得理想效果很难，理想地解决措施是通过多层（多于4层）布局，模、数电源分开、隔离，而保持地层完整（不分割）。3．实际问题的考虑四．安装调试•2FSK调制解调实验模块安装调试和实验测试根据上述功能模块电路设计思想，考虑到锁相环器件74HC4046的工作频率范围等因素，2FSK信号中两个移频正弦信号源的频率分别选择为16KHz和32KHz左右。我们提供三种设计方案：1、这两个频率的信号源由文氏电桥电路产生；2、因为CPLD提供有2MHz的方波振荡器，故可以经过125倍分频得到16KHz信号，再在此基础上2倍频得到近似约32KHz方波信号，然后由百可得带通滤波器从中滤出16KHz和32KHz正弦信号。3、直接采用LC无源滤波得到16KHz和32KHz正弦信号。四．安装调试图14(a)文氏电桥振荡16KHz输出图14(b)文氏电桥振荡32KHz输出图15(a)百可得滤波16KHz输出图15(b)百可得滤波32KHz输出四．安装调试四．安装调试图16(a)LC无源滤波器16KHz输出图16(b)LC无源滤波器32KHz输出四．安装调试图172FSK信号输出结果。数码率约为1.2Kbps.图18数字全波整流输出四．安装调试图19过零检测非相干解调输出结果四．安装调试图20PLL锁相跟踪状态图21PLL相干解调输出结果四．安装调试图22设计性实验验证电路试验板四．安装调试•调试经验•实际调试过程中，文氏电桥需要正负电源供电，电路调试较复杂，设计时既需要注意满足振荡频率的元件选择，又需要注意满足起振条件，输出信号上下动态范围比较难以平衡，因而信号频率纯净度一般。当然，在满足所需要的信号频率条件下，如果输出信号上下幅度一致，则线性度好，信号频率纯净度较高。然而，这种方法所产生的信号频率稳定度不高，使得锁相器的工作状态稳定度差，因而会一定程度上影响到基于锁相环器件的相干解调输出信号的误码率。另外，文是电桥电路一般需要在双电源供电的情况下工作，使得系统需要额外增加一套电源，既增加了电路成本，又会影响到其他器件对输入信号的条件限制，使得增加辅助电路，造成电路复杂、调试困难，甚至增加不必要的信号干扰，如多电源信号电磁兼容问题等。•百可得带通滤波器输出的正弦信号如图11所示。图11的结果是在滤波器的Q值设计在100时得到的。因为百可得滤波器的Q值很容易设计得比较高，因此，输出结果的正弦纯净度比较好。但是，百可得电路在Q值较高时容易产生自激，且在32KHz输出时，对有源器件有一定的要求，普通集成运算放大器LM324使用效果较