2FSK调制解调电路的设计毕业设计

信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)设计(论文)题目：2FSK调制解调电路的设计专 业： 通信技术 班 级： 通技06-2 学 号： 姓 名： 指导教师： 信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书学生姓名官建华学号级班通技06-2专业通信技术设计题目2FSK调制解调电路的设计（锁相环NE564）指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注讲 师术学院电子系高级工程师司设计（论文）内容：（1）设计指标设计一个电路能完成2FSK信号的调制。设计一个电路能完成2FSK信号的解调。（2）设计要求设计硬件的原理电路图。元器件型号及参数选择。完成电路的仿真。进度安排：第5周：任务下达，理解消化任务要求；确定设计方案；第6周第10周：完成资料的收集；完成硬件设计,即完成单元电路及总电路图的设计和工作原理的叙述，电路性能指标的验算；第11周：中期检查，查找问题，分析解决难点；第12周第15周：进行调试、仿真，编写报告准备答辩；第16周：答辩。参考文献：1张肃文高频电子线路北京：人民教育出版社，19792郑应光模拟电子线路(一)南京：东南大学出版社，20003阎石数字电子技术基础北京：高等教育出版社，20054于安红简明电子元器件手册上海：上海交通大学出版社，2005审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 目录摘要1第一章绪论2第二章方案设计32.1方案比较32.1.1键控法32.1.2模拟调制法42.2方案论证4第三章硬件设计63.1器件介绍63.1.1NE564介绍63.1.22CD4016介绍73.1.3锁相环的基本工作原理83.22FSK调制电路设计93.32FSK解调器电路设计10总结12致谢13参考文献14附录2FSK调制电路15附录2FSK解调电路16I四川信息职业技术学院毕业设计说明书摘要本文采用锁相环专用集成电路NE564，实现了2FSK调制电路和解调电路的设计。本设计首先对本次设计的思路进行的阐述，对数字调制解调的基本原理、集成电路NE564的内部结构及基本工作原理进行了详细的介绍，并基于NE564设计了2FSK调制解调电路，最后详细给出制作电路的步骤和方法以及在制作过程中的问题，得出结论。测试表明，该电路中心频率fo=5MHz，在Uim1V及无外部干扰的条件下，解调后误码率为0。关键词2FSK；调制；解调；NE564第15页共16页第1章绪论“锁相环技术”是近几年来迅速发展起来的一门技术，由于它的环路结构简单，性能良好。在许多新型的电子设备中，特别是在通信系统中，得到广泛的应用。随着通信技术的发展，锁相环技术在调制解调中扮演着越来越重要的角色。锁相环技术所以能得到这么广泛的应用，是由于其独特的优良性能所决定的。本设计用到的锁相环的跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器，它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。在数字通信系统中，由于数字信号具有丰富的低频成分，不宜进行无线传输或长距离电缆传输，因而同模拟调制一样，需要将基带信号进行高频正弦调制，即数字调制。与模拟调制相比，数字调制并无本质区别，都属于正弦波调制，但是数字调制系统也有自身的特点，其技术要求与模拟调制系统也有不同。一般来说，数字调制技术可分为两种类型：一是利用模拟方法实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；二是利用数字信号的离散取值特点去键控载波，从而实现数字调制，这种方法通常称为键控法。常用的数字调制方式有振幅键控（2ASK）、移频键控（2FSK）、移相键控（2PSK）等。随着科技的发展，电子产品市场运作节奏也进一步加快，涉及诸多领域的现代电子技术已迈入一个全新的阶段，如何把锁相环的强大优势发挥出来，就是目前电路研究发展的方向了。把锁相环技术应用与高频2FSK信号的接收解调中，从而使电路性能得到进一步的改善，这对数字电路来说也算是个不小的突破。第2章方案设计2.1方案比较2FSK信号波形图如2-1图所示，它是由调制信号去控制载波信号，用载波的频率来传递数字信息，即用所传递的数字消息控制载波的频率。图2-12FSK信号波形图根据设计要求及相关技术指标，可拟定键控法、模拟调制法等两种方案。2.1.1键控法调制器选用图2-2所示方案，采用石英晶体振荡器构成两个不同频率的载波发生器，用模拟双向开关CD4066实现开关1和开关2，最后用集成运放构成加法电路，最终实现2FSK调制。解调器选用图2-3所示方案，以LC谐振回路实现带通滤波，然后用两个模拟乘法器实现相干解调，最后用集成运放构成抽样判决器，实现2FSK信号的解调。图2-22FSK信号键控法产生原理框图图2-32FSK相干解调法原理框图2.1.2模拟调制法采用图2-4、图2-5所示方案实现模拟调制解调，以高频锁相环NE564为主体，辅以适当外围元件即可实现。若要构成适用的发射器及接收器，只需增加合适的发射功放及接收滤波、解调放大电路即可。图2-42FSK信号模拟调制法产生原理框图图2-52FSK模拟解调法原理框图2.2方案论证比较而言，选用模拟调制法更为经济、可靠，它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。而高频模拟锁相环NE564的最高工作频率可达到50MHz，采用+5V单电源供电，特别适用于高速数字通信中2FSK、FM调频信号的调制、解调，无需外接复杂的滤波器。实际上，此法案是几年前流行的一种方案。就目前接收机技术来说，锁相环因为起得天独厚的性能优势，在接收机技术上可以有广阔的发展前景。但是因为发送信号的频率比较高，那么如何能够把这种信号很好的解出来，这成了锁相环技术的一种考验。本文主要就是研究利用锁相环，接收高频信号，并把它解调出来。模拟调制法的设计就是在目前接收解调以及锁相环技术的蓬勃发展下，把锁相环技术运用与接收解调中，抛弃原来的纯分离元器件电路，而是利用高频锁相环集成电路NE564，从而把原始信号更好的还原出来。利用锁相环集成电路不但使电路更加简单，而且性能更好，充分体现了集成电路的优势。在未来的世界，锁相环电路将在通信领域大放光彩。随着集成电路技术的发展，目前市面上已有多类专用2FSK收发芯片，如MicroelectronicIntegratedSystems公司的TH7108、TH71112、MICRF500芯片等。第3章硬件设计要求使用高频模拟锁相环NE564为基础，设计2FSK的调制解调电路。3.1器件介绍3.1.1NE564介绍高频模拟锁相环NE564是PhilipsSemiconductors公司(荷兰菲利浦公司的产品，同类国产产品的型号有XD564、L564等。NE564最高工作频率可达到50MHz，采用+5V单电源供电，特别适用于高速数字通信中FM调频信号及2FSK移频键控信号的调制、解调，而无需外接复杂的滤波器。NE564采用双极性工艺，其外部引脚图和内部组成框图分别如图3-1和图3-2所示。其中，A1为限幅器，可抑制FM调频信号的寄生调幅；相位比较器（鉴相器）PD的内部含有限幅放大器，以提高对AM调幅信号的抗干扰能力；外接电容C3、C4组成低通滤波器，用来滤出比较器输出的直流误差电压的纹波；改变引脚的输2入电流可改变环路增益；压控振荡器VCO的内部接有固定电阻R（R=100），只需外接一个定时电容Ct就可产生振荡，振荡频率fv与Ct的关系曲线如图3-4所示。VCO有两个电压输出端，其中VCO01输出TTL电平，VCO02输出ECL电平。后置鉴相器由单位增益跨导放大器A3和施密特触发器ST组成，其中，A3提供解调FSK信号时的补偿直流电平及用作线性解调FM信号时的后置鉴相滤波器；ST的回差电压可通过引脚16外接直流电压进行调整，以消除输出信号TTL0的相位抖动。图3-1NE564的外部图3-2NE564的内部组成框图由图3-1可知，NE564为双列直插16脚封装，各引脚的功能如表3-1所示。表3-1NE564引脚的功能引脚编号英文缩写引脚功能引脚编号英文缩写引脚功能1V+1VCC，接+5V9VCO01VCO输出1，TTL电平2LGC环路增益控制端，电流约为200uA10V+2VCC，接+5V3PC1鉴相器输入端，来自分频器，占空比50%11VCO02VCO输出2，ECL电平4LF环路滤波引出端12FC1振荡频率设置电容引出端5LF环路滤波引出端13FC1振荡频率设置电容引出端6RF1信号输入端，占空比50%14AN0模拟输出端（用于调解输出）7BF偏置滤波输入端15HYS延迟设置端（设置门限值）8GND地端16TTL0TTL电平输出端（调解输出）3.1.22CD4016介绍CD4016为4个独立的双向模拟开关，控制输入端在输入高电平时模拟开关导通，低电平时截止。输入输出为双向，即可以由IN/OUT到OUT/IN，也可以反过来，此芯片广泛用于信号开关，削波，调制解调电路中。其引脚排列如3-3图所示。图3-3CD4016外部引脚图3.1.3锁相环的基本工作原理锁相环路的系统框图如图3-4所示，由鉴相器PD(Phase Detector)、环路滤波器LF(Loop Filter)和压控振荡器VCO组成的，其中LF为低通滤波器。图3-4锁相环的基本组成框图各部分功能如下：1）鉴相器PD：鉴相器是一个相位比较器，完成对输入信号相位与VCO输出信号相位进行比较，得误差相位e(t)= i(t)- o(t)。2）环路滤波器LF：环路滤波器(LF)是一个低通滤波器(LPF)，其作用是把鉴相器输出电压ud(t)中的高频分量及干扰杂波抑制掉，得到纯正的控制信号电压uC(t)。3）压控振荡器VCO：压控振荡器是一种电压-频率变换器，它的瞬时振荡频率o(t)是用控制电压uC(t)控制振荡器得到，即用uC(t)控制VCO的振荡频率，使i与o的相位不断减小，最后保持在某一预期值。当锁相环路处于“失锁”状态时，ui(t)和uo(t)进行相位比较，由PD输出一个与相位差成正比的误差电压ud(t)。ud(t)经LF滤波，取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量uC(t)作为控制电压。显然，uC(t)也将随着相位差的变动作相应变化。uC(t)加到VCO上，从而控制VCO的振荡频率，使o不断改变，ui(t)和uo(t)的相位差不断减小，直至锁相环路进入“锁定”状态。3.22FSK调制电路设计利用锁相环VCO输出信号频率随输入信号大小而变化的特点，可将待传输调制信码直接送入NE564的VCO输入端，从而可以实现2FSK调制。图3-5是NE564构成的2FSK调制器电路。调制信码从双态信号控制CD4016模拟开关13脚输入，NE564的6脚电压在5V与1.42V之间转换（即5VR6/(R5+R6)=1.42V），经缓冲放大器A1及相位比较器PD中的放大器放大后，直接控制VCO的输出频率。因此，9脚输出的是2FSK信号。图3-5NE564构成的2FSK调制电路PD输出端不再接滤波电容，而是接电位器RP1，用于调整环路增益并可细调压控振荡器的固有频率fv，fv与Ct的关系如下图所示。图3-6fv与Ct的关系曲线C1是输入耦合电容，R1、C2组成差分放大器A1的输入偏置电路滤波器，可滤除调制信码中的杂波。R2（包含电位器RP2）对引脚2提供输入电流I2，可控制环路增益和VCO锁定范围，R2与电流I2的关系可表示为：（3-1）I2一般为200uA。调整时，可先设置I2的初值位100uA，待环路锁定后再调节电位器RP2使环路增益和压控振荡器的锁定范围达到最佳值。R3是压控振荡器输出端必须接的上拉电阻，一般为几千欧姆，这里取2K。R4是VCO输出ECL电平和鉴相器输入端之间的限流电阻，可取值3K。压控振荡器的固有振荡频率可表示为：（3-2）若已调2FSK信号中心频率fv=5MHz，则Ct=90pF（可取标称值82pF与8.2pF可调电容并联构成）。若调制信码的波特率为500kBaud，则9脚输出2FSK信号频率范围为fo=51MHz。3.32FSK解调器电路设计NE564构成的2FSK解调器电路如图3-6所示。已知输入信号vi的频率fi=51MHz，调制信码（由“0”、“1”组成的方波）的频率fo=500kHz。已调制信号直接送入NE564的VCO输入端，与压控振荡器输出的5MHz（9脚输出）进行相位比较，输出信号经环路滤波后由A2放大，从16脚输出解调后的方波（TTL电平）。电阻R6和电位器RP2用于调整施密特触发器的回差电压，可改善输出方波的波形。R7为上拉电阻，增加R7的值亦可改善输出波形。图3-7NE564构成的2FSK解调电路由于输入信号的频率fi=51MHz，解调时必须使压控振荡器工作在46MHz并保证NE564锁定，此时16脚输出才为高电平“1”；超出此范围失锁，则16脚输出为低电平“0”。因此，压控振荡器的固有振荡频率fv和捕捉带fv必须十分准确。由已知条件可得：压控振荡器的固有振荡频率fv=5MHz，fv=fimax-fimin=2.0MHz。由式（3-2）得Ct=90pF，可取标称值82pF与8.2pF可调电容并联，以便精确调整固有振荡频率，使fv=5MHz。外接电容C3、C4与内部两个对应电阻（阻值R=1.3K）分别组成一阶低通滤波器，其截止角频率可用下式描述：（33）滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响，由于本例输出信号频率较高，低通滤波器的截止角频率也要相应提高，计算可取C3=C4=300pF。制作实物电路时可通过观测4脚和5脚的输出波形调整电容的值，使输出波形更为清晰。电容C6的作用事滤除内部单位增益跨导放大器A3输出的补偿直流电压中的交流成分，因此，对C6的耐压有一定要求，通常取耐压大于电源电压的电解电容，这里取C6=10uF/8V。C7和C8为电源滤波电容，一般取0.2uF。总结这段时间的毕业设计在忙忙碌碌中一晃而过。刚开始，我们头绪不是很清楚，不知道从哪里入手，但通过老师的耐心指导并和同学认真研究设计课题，跑图书馆查资料、确定基本设计方案、对所用芯片功能进行查找、调试、上机仿真等，经历了一次次的困难，却积累了很多宝贵的经验。在整个设计的过程中遇到的问题主要有以下三点，第一：基础知识掌握的不牢固，主要表现在一些常用的电路的形式和功能不清楚，对书本上的内容理解不够透彻。第二：对一些常用的应用软件缺少应用，体现在画电路图和系统的仿真的时候，对这些软件的操作不熟练，浪费了很多时间。第三：相关知识掌握的不够全面，缺少系统设计的经验。这次设计进一步端了我的学习态度，学会了实事求是，严谨的作风，提高了动手能力。对自己要严格要求，不能够一知半解，要力求明明白白。急于求成是不好的，我有所感受。如果省略了那些必要的步骤，急于求成，不仅会浪费时间，还会适得其反。我觉得动手之前，头脑里必须清楚该怎么做，这一点是很重要的。就目前来说，我的动手能力虽然差一点，但我想，通过我的不懈努力，在这方面，我总会得到提高。这一点，我坚信。因为别人能做到的，我也一定能做到。在此次的毕业设计中我最大的体会就是进一步认识到了理论联系实践的重要性。一份耕耘，一份收获。通过这段时间的设计，让我明白科学的思维方法和学习方法是多么重要，只有这样才能够有很高的效率，才能够让自己的工作更完美。总而言之，此次毕业设计让我学到了好多平时在课堂上学不到的东西，增加了我的知识运用能力，增强我的实际操作能力。谢谢老师给我们提供这么好的机会，为我们之后走向社会奠定了一个好的基础。本次设计有机地结合了理论与实践，让我对2FSK及很多调制解调的方法有了进一步的理解，使我对通信有了更实际的认识。同时还锻炼我们实际动手能力，更主要的是它激起我们创新思维，为今后的进一步学习创下良好条件，为以后的就业也打下一个根基，真可谓一举多得。致谢感谢我的指导老师杨柳老师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！本论文还得到了我的导师曾宝国老师的亲切关怀和细心指导，在设计过程中，自始至终凝聚着各位师的心血。恩师们那治学严谨的态度，渊博的学识感染着我。他那诲人不倦、宽厚朴实的作风给我们留下了不可磨灭的影响，是我学习的榜样，使我终生受益无穷。在此论文完成之际，特向恩师表达诚挚的谢意同时以最崇高的敬意。在课题进行当中，笔者还得到了刘雪亭老师等的细心指导和诸多帮助。他们的无私帮助和耐心指导也是我得以完成本课题的关键。再此我向他们表示由衷的感谢和深切的问候。此间我还得到了同学何明等诸多指导，再此表示感谢。另外，也非常感谢所有的关心我的其他老师们和同学们，他们的关心也是我学习过程中不可缺少的组成部分。感谢时时刻刻关心、爱护我的父亲母亲，他们对我的支持和鼓励。使我得以完成学业的支柱。真诚的感谢所有的帮助过我的老师们，同学们、家人和朋友们。感谢对本设计进行评审的专家们，感谢他们给我提出的宝贵意见和建议。参考文献1张肃文高频电子线路北京：人民教育出版社，19792郑应光模拟电子线路(一)南京：东南大学出版社，20003阎石数字电子技术基础北京：高等教育出版社，20054于安红简明电子元器件手册上海：上海交通大学出版社，2005附录12FSK调制电路附录22FSK解调电路