通信原理 FSK调制通信系统设计

1 FSK调制原理

1.1 FSK调制系统框图

所谓FSK调制系统，就是调制和解调采用FSK的方式，其基本框图如下： 信原序列 FSK调制系统 信道 FSK解调系统 信宿 噪声 1.2 FSK时域表达式

在二进制频移键控（2FSK）中，当传送“1”码时对应于载波频率于载波频率

。

，传送“0”码时对应

其中始相位。令

，为

，为频率为的载波的初始相位，为频率为的载波的初

的反码，即

则有:当时，;当时，。

则2FSK信号可表示为:

其中，我们在分析中假设为单个矩形脉冲序列，其表达式为:

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由式可知，相位不连续的2FSK信号可以看成是两个2ASK调幅信号之和

1.3 FSK频域表达式

由于2FSK信号是随机的功率信号，孤烟具他的频谱特性时，应该讨论它的功率谱密度。有上述可知，2FSK信号可以看成是两个2ASK调幅信号之和，故有

令概率P=1/2，参照2ASK频域表达式，可得p2FSK(f)

Tssin(ff1)2sin(ff1)2{[][]}16(ff1)(ff1)Tssin(ff2)2sin(ff2)2{[][]}16(ff2)(ff2)1[(ff1)(ff1)(ff2)(ff1)]16

由上式可知：1、相位不连续2FSK信号的功率谱又连续谱和离散谱组成。其中，连续谱有两个中心位于f1，f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1、f2处；2、连续谱的形状随着两个栽频之差|f1f2|的大小变化而异，若|f1f2|连续谱在fc处出现单峰；若|f1f2|>fs，连续谱在出现双峰；3、若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽，则其带宽近似近似为

p2FSK(f)f1f2||+2

fs

其图形如下所示：

由此易知2FSK调制解调系统带通滤波器的设计带宽，以增大信噪比。

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2 FSK通信系统设计

2.1 FSK通信系统框图

由上节分析可知，FSK系统设计包括两个大方面，调制系统的设计和解调系统的设计，现分别加以阐述整体过程如下框图所示：

各部分电路实现将在后述章节中加以具体阐述：

2.2 调制系统设计

2.2.1方案设计

方案一：采用正弦波振荡器输出正弦波，利用乘法器对输出的正弦波进行倍频已得到两个

正弦载波，利用电压比较器将正弦波转化成方波，进而得到M序列，利用M序列来控制模拟电子开关的通断来实现FSK调频。由于本次试验所要求的正弦载波频率较低，不易选择晶振，用一般的振荡电路振荡频率不稳定。

方案二：利用555多谐振荡器产生方波，将方波通入VCO中，以实现调频。由于VCO电路

制作较为复杂，而且线性不是特别理想。

方案三：综合方案一、二，采用555生成正弦波，由带通滤波器滤出基带信号用作载频，

利用电子开关实现频率调节。本次课程设计采用方案三。

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2.3 电路设计

2.3.1 振荡电路实现

振荡电路如2-2-2-1图所示： 图2-2-2-1多谐振荡器电路 参数计算：由555振荡周期公式可知： f1(R1R2Rw)C 又有当滑动变阻器处于中间位置时，占空比满足50%关系，所以选取电路参数为： R1R2Rw5k C25nF 仿真结果如图2-2-2-2所示： 4

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图2-2-2-2 多谐振荡电路仿真波形

2.3.2 分频电路

由于是方波，用一个D触发器很容易实现分频，这个也是本实验采取方波振荡的原因 分频电路如图2-2-2-3所示：

图2-2-2-3 分频电路

仿真结果如图2-2-2-4所示：

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图2-2-2-4 分频电路仿真波形

从波形可以看出，电路能实现分频功能。

2.3.3 波形变换电路

由频谱分析可知，频率为W的方波，其频谱为谱线相隔W的离散谱，因此要想从放播种滤出基波，只需设计一个中心频率为W，带宽小于2W的带通滤波器（为增大信噪比计，带宽应越小越好）电路图如图2-2-2-5所示： 图2-2-2-5 波形变换电路 电路分析：C5与放大器构成高通滤波器滤去直流分量，放大器将输入信号放大，使滤出正弦波幅度达到要求，同时起着隔离作用，减小后面电路对前边电路的影响。电感电容构成1R、L、C谐振电路，设置电感L、电容C值使其满足2LC=W，即可达到滤波效果，仿真结果如图2-2-2-6所示： 6 武汉理工大学《数字通信系统》课程设计

图2-2-2-6 波形变换仿真图形

2.3.4 M序列产生电路

实际的数字基带信号是随机的，为了实验和测试的方便，一般都用M 序列产生器产生的伪随机序列来充当数字基带信号。本次设计采用三级线性移位寄存器（选用74LS74双D2片），形成长度为23-1=7位码长的伪随机码序列，码率约为400bit/s，如图2-2-2-7所示：

图2-2-2-7 M序列产生电路

输出序列为：M=1110100 仿真波形如图2-2-2-8所示：

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图2-2-2-8 M序列产生电路仿真波形

显然输出序列与原设定值一致，证明电路工作正常。

2.3.5 调频电路

充分利用数字信号“0”“1”的特点，当数字信号及其反相与正弦载波相乘时，将得到2路2ASK信号，将这两路信号相加即可得2FSK.电路图如图2-2-2-9所示：

图2-2-2-9 调频电路

仿真输出波形如图2-2-2-10所示：

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图2-2-2-9 调频电路仿真波形

显然电路能正常工作,从图中也可看出用这种调制方式所得到的2FSK信号相位是不连续的。

2.4 解调系统设计

方案一：利用相干解调，结构框图如2-3-1所示：

图2-3-1 相干解调电路框图

方案二：利用锁相环进行解调，本次实验采用锁相环进行解调，结构框图如2-3-2所示：

图2-3-2 锁相环解调电路框图

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2FSK信号与压控振荡输出一起送入鉴相器，经鉴相获得变化着的相位误差电压，该误差电压经低通滤波器滤掉其高频成分，继而获得随调制信号频率变化而变化的的输出信号，经电压跟随器得到解调信号，从而实现解调过程。采用常用锁相环芯片CD4046即可实现。

方案三：利用包络检波，结构框图如图2-3-3所示：

图2-3-3 包络解调电路框图

实际上，由于所产生的M序列较简单，只有八位，故不需进行复杂的抽样判决，又由于电路设计时，使输出的两路波幅值不一样，故采用一路包络检波电路既可。实现电路如图2-3-4所示：

图2-3-4 包络检波电路

电路简述：本系统由四个部分组成：三阶高通滤波电路、检波电路、电压比较器和抽样判

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决器组成。高通滤波器滤出调频信号以外的分量，检波电路则输出调频信号包络，电压比较器用于放大输出解调信号，使其电压幅度满足要求。D触发器采用与M序列频率相同的脉冲作为抽样信号，使输出波形更加稳定。仿真结果如图2-3-4所示：

图2-3-5 包络检波仿真波形

显然和M序列一致，可以证明电路工作正常。

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心得体会

我们是一月七号开始做通信原理课程设计，选题目之时，很多同学都犹豫要不要做实物。说实话我们也曾犹豫过，但抱着试试看，即便不能成功，也可以从中得到锻炼的心态，选择了FSK通信系统设计。

制作一件作品，大体方案是比较容易确定下来的，难就难在具体细节的实现上，此次课程设计难点有两个，其一是低通滤波器的制作，另外一个就是利用锁相环进行解调。我主要负责低通滤波器的设计部分。制作前我就上网搜索各种各样的滤波器，为了能理想将方波转换成正弦波，我调试了两天多，这两天多来虽然很辛苦，可也有所收获，现总结如下：

当用一个从网上下载下来的电路时，应尽量去理解他的原理，实在不能理解的在电路中去理解它。当电路调不出来时，我们应该一个模块一个模块，甚至一个元件一个元件的去查找原因，要敢想敢做，有时我们会觉得：怎么可能会是这样，从原理上根本讲不通。但事实上，由于可能确实如此，很多时候，我们应该用事实去验证理论，从实验现象来反观理论，从而加深对理论的理解，而不是老是徘徊在事实与理论的矛盾的纠结上，因为我们对于理论的理解有可能是错误的，但事实永远不会错。

调试电路时，需要的是心平气和、戒骄戒躁，不能因为一时出不来二心灰意懒。电路调试不出来，灰心是没有用的的，我们只能换种思路继续调，要抱着一种“电路迟早会调出来”的必胜心态。也不要因为一时现象正确而得意忘形，现象正确可能是一时侥幸的结果，别忘了还有一个最重要的环节：从现象反观结论。这才是电路调试的意义所在。

以上就我电路调试的心得体会。

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参考文献

[1]张卫刚. 通信原理与通信技术[M].北京:电子工业出版社,2002 [2]曾兴雯. 高频电子线路辅导.北京：高等教育出版社,2005

[3]王京玲. 数字卫星广播系统.北京：北京广播学院出版社，2000

[4]樊昌信，曹丽娜.通信原理（第六版）.北京：国防工业出版社，2007.8 [5]吴继华. Altera FPGA/CPLD设计.北京：人民邮电出版社，2009

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