通信工程课程设计-2fsk调制与解调系统设计

通信工程课程设计-2fsk调制与解调系统设计内容摘要：

宽为 sT ； xa 是 xa 的反码，若 xa =1，则 xa =0；若 xa =0，则 xa =1，于是 n 和 n 分别是第 n 个信号码元的初相位。 在移频键控中， n 和 n 不携带信息，通常可令和为零。 2FSK 信号的带宽 由式 ()可知， 2FSK 信号可以看成是两个不同载频的振幅键控信号之和， 因此它 的 频 带 宽 度 是 两 倍 数 字 基 带 信 号 带 宽 (B) 与 12 cc ff  之和，即：1212 22 ccscc ffTffBBW  方案的比较与选择 2FSK 调制方案的比较与选择 2FSK 信号产生的方法主要有两种。 一种可以采用模拟电路来实现（即直接调频法）；另一种可以采用键控法来实现。 直接调频法原理 所谓直接调频法，就是用数字基带信号去控制一个振荡器的某种参数 而达到改变振荡频率的目的。 如图 所示 通 信 工 程 专 业 课 程 设 计 Ⅱ 6 f1 门电路 1 门电路 2 相加 倒相 f2 基带信号输入 模 拟 调 频 器 )(tS )(2 tSFSK 图 直接调频法原理框图 键控法原理 该方法就是在二进制基带矩形脉冲序列的控制 下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元 sT 期间输出 1f 或 2f 两个载波之一。 其原理如图 所示，它将产生二进制 FSK 信号。 图中，数字信号控制两个独立振荡器。 门电路（即开关电路）和按数字信号的变化规律通断。 若门打 开，则门关闭故输出为 1f ，反之则输出 2f。 这种方法的特点是 转换速度快、波形好，而且频率稳定度可以做得很高。 频率键控法还可以借助数字电路来实现。 以上两种 FSK 信号的调制方法的差异在于：由直接调频法产生的 2FSK 信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。 （这一类特殊的 FSK，称为连续相位 FSK（ ContinousPhase FSK， CPFSK））而键控法产生的 2FSK 信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之 间的相位不一定连续。 图 键控法原理框图 2FSK 调制方案的选择 我们组选择采用键控法来产生 2FSK 信号，主要基于以下 3 个 原因： 1： MAX+PlusⅡ 所用的实验板以 数字信号 为主，而键控法用 VHDL 语言和逻辑通 信 工 程 专 业 课 程 设 计 Ⅱ 7 电路很容易实现。 2： 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。 3： 频率键控法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。 由于产生 1f 和 2f 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。 2FSK 信号解调方案的比较与选择 数字 调频信号的解调方法很多，如相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。 下面 就相干检测法、非相干检测法、过零检测法和差分检测法进行介绍。 滤波 +包络检波法 2FSK 信号的包络检波法解调方框图如图 所示，其可视为由两路 2ASK 解调电路组成。 这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的 2ASK 信号带宽；中心频率不同，分别为 1f 、 2f 起分路作用，用以分开两路 2ASK 信号，上支路对应，下支路对应 ，经包络检测后分别取 出它们的包络 及 ；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。 若上、下支路 及 的抽样值分别用表示，则抽样判决器的判决准则为 通 信 工 程 专 业 课 程 设 计 Ⅱ 8 图 2FSK 信号包络检波方框图 相干检测法 相干检测的具体解调电路是同步 检波器，原理方框图如图 所示。 图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。 它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值 进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。 图 2FSK 相干 检测方框图 过零检测法 通 信 工 程 专 业 课 程 设 计 Ⅱ 9 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。 过零检测法方框图及各点波形如图 所示。 在图中， 2FSK 信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的尖脉冲序列，这些尖脉冲的密集程度反映了信号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点数。 把这些尖脉冲变换成较宽的矩形脉冲，以增大其直流分量，该直流分量的大小和信号频率的高低成正比。 然后经低通滤波器取出此直流分量，这样就完成了频率 —— 幅度变换，从而根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“ 1”和“ 0”。 图 过零检测法方框图及各点波形图 差分检波法 差分检波法 的原理如图 所示，输入信号经接收滤波器滤除带外无用信号后被分成两路，一路直接送到乘法器（平衡调制器），另一路经时延 τ 送到乘法器，相乘后再经低通滤波器提取信号。 解调的原理可作如下说明：设输入为 tA )cos( 0   ，它与时延  之波形的乘积为 ))(c o s ()c o s ( 00   tAtA 若用低通滤波器除去倍频分量，则其输出为  )()2( 02  C O SAV 可见， V 是角频率偏移  的函数，但却不是一个简单的函数关系。 现在我们是当地选择  使 0cos 0  则有 0sin = 1 ，故此有 sin)2( 2AV  当 20   时 或 sin)2( 2AV  当 20   时 若角频偏较小；  1，则有 )2( 2AV  当 20   时 或 )2( 2AV  当 20   时 通 信 工 程 专 业 课 程 设 计 Ⅱ 10 由此可见，当满足条件 0cos 0  及  1 时，输出电压 V 将与角频偏呈线性关系。 这是鉴频特性所要求的。 差分检波法基于输入信号与延迟  的信号相比较，信道上的延迟失真，将同时影响相邻信号，故不影响最终的鉴频效果。 实践表明，当延迟失真为 0 时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当有较严重延迟失真使，它的性能要比鉴频法优越。 不过差分检波法的实现将要受条件 0cos 0  的限制。 图 差分检波原理 2FSK 解调 方案的选择 由于过零检测法用 vhdl 语言实现相对容易， 且对于数字信号来说，过零检测法较其他三种分析方法更简单，因此我们决定用过零检测法来实现 FSK 信号的解调。 带通 低通 通 信 工 程 专 业 课 程 设 计 Ⅱ 11 3. 电路 设计 及 仿真 结果分析 2FSK 信号调制系统的设计 根据键控法调制的原理，需要一个时钟信号和两个载波 1f 和 2f ，以及一个数据选择器（这是调制的 关键，其主要作用是在“ 1”时选通一个载波，在“ 0”时让另一路载波通过）。 对于数字基带信号（也就是调制信号），我们可以用伪随机序列发生器来产生。 2FSK 的原理框图如图 所示。 其中， 伪随机 序列发生器可以看作是一个基带信号源，在实际应用中，可以由具体信号源来替代。 时钟信号经过分频器产生 2950Hz、 1475Hz 和 ， 的 伪随机 伪随机序列信号。 2 选 1 数据选择器由 伪随机 序列信号控制在 2950Hz 和1475Hz 两个信号中选择一个输 出。 2950Hz 1475Hz 图 2FSK 信号调制系统框图 分频器 分频器是数字电路中最常用的电路之一，在 FPGA 的设计中也是使用效率非常高的基本设计。 基于 FPGA 实现的分频电路一般有两种方法：一是使用 FPGA 芯片内部提供的锁相环电路，如 ALTERA 提供的 PLL（ Phase Locke Loop）， Xilin 提供的DLL（ Delay Locked Loop）；二是使用硬 件描述语言，如 VHDL、 Verilog HDL 等。 使用锁相环电路有许多优点，如可以实现倍频；相位偏移；占空比可调等。 但 FPGA 提供的锁相环个数极为有限，不能满足使用要求。 因此使用硬件描述语言实。